CN105334870B - 一种拉臂装置多目标机构优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种拉臂装置多目标机构优化方法,通过优化可以有效降低拉臂装置的系统压力,增加系统稳定性,减少液压件成本,降低结构负荷。可用于各吨位拉臂装置的总体设计过程,为拉臂的结构分布提供合理的解决方案;采用的技术方案为:对拉臂装置进行优化;通过静力学计算得到油缸压力值自卸初始工况、整装初始状态以及油缸最长状态下,代表相同铰接点的各设计变量坐标相对转动点位置保持一致,从而保证优化后各设计点的统一性;钩心设计变量在自卸初始工况、整装初始工况以及油缸最长状态下,优化时其竖直坐标保持不变,从而保证车厢的顺利安装;本发明可广泛应用于拉臂装置领域。
Description
技术领域
本发明一种拉臂装置多目标机构优化方法,属于拉臂装置技术领域。
背景技术
现有的拉臂装置存在液压系统的压力高,这给液压系统的稳定性和可靠性带来危害,整个拉臂装置的可靠性差。
发明内容
本发明克服了现有技术存在的不足,提供了一种拉臂装置多目标机构优化方法,通过优化可以有效降低拉臂装置的系统压力,增加系统稳定性,减少液压件成本,降低结构负荷。可用于各吨位拉臂装置的总体设计过程,为拉臂的结构分布提供合理的解决方案。
为了解决上述技术问题,本发明采用的技术方案为:一种拉臂装置多目标机构优化方法,按以下步骤执行:
第一步:以整装工况举升缸最大压力为主要目标函数,以自卸工况举升缸最大压力为从动目标,以转臂与副车架铰接点、举升臂与转臂铰接点、举升缸与举升臂铰接点、举升缸与副车架铰接点及钩心位置为设计变量,对拉臂装置进行优化;
第二步:确定自卸工况中,初始状态下其压力达到极值,同理,在整装工况下,油缸在初始状态下压力最大,以两工况下拉臂对应姿态进行设计变量初始值设定,通过静力学计算得到油缸压力值;
第三步:限定主要目标与从动目标在优化过程中保持差值在1MPa之内,保证两目标函数同时进行优化;
第四步:通过约束条件,限定2×油缸最短长度-油缸最长长度≥280mm,保证举升缸安装条件,限定自卸最大角度≥50°,确保垃圾倾倒大于安息角,同时保证在整装工况下,油缸伸至最长时与整装初始工况下的钩心竖直高度大于200mm,保证拉臂能够顺利钩取车厢;
第五步:自卸初始工况、整装初始状态以及油缸最长状态下,代表相同铰接点的各设计变量坐标相对转动点位置保持一致,从而保证优化后各设计点的统一性;
第六步:钩心设计变量在自卸初始工况、整装初始工况以及油缸最长状态下,优化时其竖直坐标保持不变,从而保证车厢的顺利安装;
第七步:优化过程通过ADAMS软件编程实现。
本发明与现有技术相比具有的有益效果是:本发明是基于拉臂装置的具体使用要求而设计,经过有效的机构优化后,可有效减低液压系统的压力,增加液压系统的稳定性和可靠性,提高结构件的可靠性。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
图1为本发明拉臂自卸初始工况与整装初始工况参数点示意图。
图2为本发明中拉臂整装初始工况与油缸最长状态参数点示意图。
图3为本发明中自卸举升角约束条件示意图。
图4为本发明中6吨拉臂优化模型。
具体实施方式
本发明一种拉臂装置多目标机构优化方法,按以下步骤执行:
第一步:以整装工况举升缸最大压力为主要目标函数,以自卸工况举升缸最大压力为从动目标,以转臂与副车架铰接点、举升臂与转臂铰接点、举升缸与举升臂铰接点、举升缸与副车架铰接点及钩心位置为设计变量,对拉臂装置进行优化;
第二步:确定自卸工况中,初始状态下其压力达到极值,同理,在整装工况下,油缸在初始状态下压力最大,以两工况下拉臂对应姿态进行设计变量初始值设定,通过静力学计算得到油缸压力值;
第三步:限定主要目标与从动目标在优化过程中保持差值在1MPa之内,保证两目标函数同时进行优化;
第四步:通过约束条件,限定2×油缸最短长度-油缸最长长度≥280mm,保证举升缸安装条件,限定自卸最大角度≥50°,确保垃圾倾倒大于安息角,同时保证在整装工况下,油缸伸至最长时与整装初始工况下的钩心竖直高度大于200mm,保证拉臂能够顺利钩取车厢;
第五步:自卸初始工况、整装初始状态以及油缸最长状态下,代表相同铰接点的各设计变量坐标相对转动点位置保持一致,从而保证优化后各设计点的统一性;
第六步:钩心设计变量在自卸初始工况、整装初始工况以及油缸最长状态下,优化时其竖直坐标保持不变,从而保证车厢的顺利安装;
第七步:优化过程通过ADAMS软件编程实现。
1.设计变量选取
设计变量是优化计算的基本元素,ADAMS通过设计变量的变化取值,从而在迭代计算中得到最优解,在本模型中,设计变量为各部件连接点的坐标值。设计变量的定义及取值范围如表1、图1及图2所示。
表1设计变量表
由图1可知,R1为拉臂水平放置时的钩心点,此点与车厢参数密切相关,同时也是拉臂的初始参数,因此,R1为优化时的固定点,不包括任何设计变量。R2、R3的Y向坐标与车厢吊环高度密切相关(R3为油缸最大行程时的钩心位置,为了保证吊钩能够顺利与车厢接合,R2与R3的高度差应为200mm),因此只存在X方向上的设计变量。拉臂优化模型共包含14个设计变量。
2.约束条件
为了在优化计算时满足一定的相关条件,使优化结果符合实际情况,需要在模型中添加约束函数,从而限定设计变量的取值范围。根据拉臂机构的实际工作情况,确定以下几点约束条件。
2.1几何约束
由于Q1、Q2、Q3代表同一位置(举升缸与举升臂连接点),R1、R2、R3代表同一位置(钩心),因此在优化计算中,将存在以下约束。
(1)L1=L2=L7
(2)角度A=角度B=角度C
(3)L3=L4=L6
通过上述约束条件,可以保证在优化时,Q1、Q2、Q3及R1、R2、R3代表同一位置。在ADAMS中,上述各约束函数式如下:
Funtion1=ABS(DM(Q1,P2)-DM(Q2,P2))<1
Funtion2=ABS(DM(Q1,P2)-DM(Q3,P2))<1
Funtion3=ABS(Angle(R1,P2,Q1)-Angle(R2,P2,Q2))<0.1
Funtion4=ABS(Angle(R1,P2,Q1)-Angle(R3,P2,Q3))<0.1
Funtion5=ABS(DM(R1,P2)-DM(R2,P2))<1
Funtion6=ABS(DM(R1,P2)-DM(R3,P2))<1
(注:DM为ADAMS中的距离函数)
2.2工作约束
(1)为保证举升油缸能够顺利安装,应有:
2×L5-L8≥280
(L5为油缸最短长度,L8为油缸最大长度)
在ADAMS中,保证油缸顺利安装的约束函数式如下:
Funtion7=2×DM(P1,Q1)-DM(P1,Q3)≥280
(2)自卸举升角度应大于50°
由于模型中不存在自卸完成工况,因此不能直接建立自卸角的角度变量,需要进行转换,如图3所示。
通过分析图4可知,角度H即为自卸举升角,其中,角度G和E可以通过ADAMS进行角度函数的编写,从而有下式:
D+E+F=180° F+G+H=90°
则有:
H=D+E-G-90°
而:
上式中,L10为P1和Q4的距离;L9为Q1和Q4的距离;L8为油缸最大长度,参照图2可知,为P1和Q3的距离。这些距离均可通过DM函数进行编写。
2.3目标约束
在优化计算中,需要使自卸工况和整装工况的压力值同时达到最小,ADAMS默认针对一个目标值进行计算,因此应保证两工况的压力差应保持在一定范围内,设定差值为1MPa。在ADAMS中,可直接提取油缸受力,设自卸工况举升缸受力为F1,整装工况举升缸受力为F2,举升缸筒内径为D,活塞杆直径为d,则有:
2.4优化实例
以6吨拉臂装置优化计算为例
初始状态下,模型受力为6T,则举升缸受力分别为:自卸工况F1=42551kg,整装工况F2=28820kg,举升缸筒内径为110mm,活塞杆直径为50mm,则两工况下系统压力分别为:
2.4.1模型搭建
建立自卸初始、整装初始以及伸缩缸最长时的拉臂状态,三种状态下的拉臂需要共用一些设计变量,为了使三工况模型不重合,自卸与整装工况的模型在Z方向上相差5000mm,建立完成的框架模型如图4所示。
将设计变量赋予框架模型中的关键点,6T拉臂的优化样机就此完成。
2.4.2优化结果
以整装工况油缸受力F2作为优化目标,对上述模型进行优化计算,单次分析采用静力学求解,通过迭代计算得到油缸受力最优值,优化后的各设计变量值如表2所示。
表2 6T拉臂装置设计变量优化值
设计变量 | 原坐标值 | 允许变化范围 | 优化值 |
P1_X | -3410 | 0-+100 | -3407.6 |
P1_Y | 5 | 0-+15 | 5.974 |
P2_X | -1335 | -100-+100 | -1295.4 |
P2_Y | -10 | -5-+25 | -3.7 |
Q1_X | -1953 | -100-+100 | -1908.9 |
Q1_Y | 116.5 | -5-+15 | 126.3 |
Q2_X | -768 | -100-+100 | -722.9 |
Q3_X | -734 | -100-+100 | -690.6 |
Q4_X | 0 | -10-+20 | -8.304 |
Q4_Y | 0 | -15-+15 | 8.846 |
R2_X | 601 | -200-+200 | 669.1 |
R3_X | 589 | -200-+200 | 656.7 |
在采用优化值的基础上,重新对模型进行单次计算,得到举升油缸受力为:自卸工况F1=38212kg,整装工况F2=28824kg,则两工况下系统压力分别为:
优化前后压力对比如表3所示。
表3 6T拉臂装置优化前后压力值对比
工况 | 优化前压力 | 优化后压力 | 压力变化 | 变化率 |
自卸 | 21.94 | 19.70 | 2.24 | 10.21% |
整装 | 19.18 | 18.73 | 0.45 | 2.34% |
由上表中可知,通过优化计算,最大系统压力由之前的21.94MPa降低为19.70MPa,降低率为10.21%,而整装工况压力也相应减小。优化后,两工况压力差为0.97MPa,符合约束条件要求。
对优化后的设计点坐标进行验证,可知其自卸举升角及油缸安装距均符合约束条件要求。
针对其它吨位拉臂装置的优化工作,只需改变设计变量初始值以及载荷数值即可。
上面结合附图对本发明的实施例作了详细说明,但是本发明并不限于上述实施例,在本领域普通技术人员所具备的知识范围内,还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (1)
1.一种拉臂装置多目标机构优化方法,其特征在于,按以下步骤执行:
第一步:以整装工况举升缸最大压力为主要目标函数,以自卸工况举升缸最大压力为从动目标函数,以转臂与副车架铰接点、举升臂与转臂铰接点、举升缸与举升臂铰接点、举升缸与副车架铰接点及钩心位置为设计变量,对拉臂装置进行优化;
第二步:确定自卸工况中,初始状态下举升缸压力达到最大值,同理,在整装工况下,油缸在初始状态下压力最大,以两工况下拉臂对应姿态进行设计变量初始值设定,通过静力学计算得到油缸压力值;
第三步:限定主要目标函数与从动目标函数在优化过程中保持差值在1MPa之内,保证两目标函数同时进行优化;
第四步:通过约束条件,限定2×油缸最短长度-油缸最长长度≥280mm,保证举升缸安装条件,限定自卸最大角度≥50°,确保垃圾倾倒大于安息角,同时保证在整装工况下,油缸伸至最长时与整装初始工况下的钩心竖直高度大于200mm,保证拉臂能够顺利钩取车厢;
第五步:自卸初始工况、整装初始状态以及油缸最长状态下,代表相同铰接点的各设计变量坐标相对转动点位置保持一致,从而保证优化后各设计点的统一性;
第六步:钩心设计变量在自卸初始工况、整装初始工况以及油缸最长状态下,优化时其竖直坐标保持不变,从而保证车厢的顺利安装;
第七步:优化过程通过ADAMS软件编程实现。
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