陳志斌，李安良，何清榮，陳殿春

（瀘州長起特種起重設(shè)備有限公司，四川 瀘州 646006）

運(yùn)管機(jī)主要用于石油管道鋪設(shè)過程中，對(duì)油管進(jìn)行運(yùn)輸并將油管吊裝到坑道。運(yùn)管機(jī)起吊裝置采用3節(jié)伸縮式起重臂、倒“π”式箱型轉(zhuǎn)臺(tái)、雙缸變幅、外嚙合回轉(zhuǎn)及內(nèi)藏式起升機(jī)構(gòu)，配置具有遠(yuǎn)距離無線遙控功能的電液控制系統(tǒng)，主要由回轉(zhuǎn)支承、轉(zhuǎn)臺(tái)、伸縮臂、起重鉤及變幅油缸、伸縮油缸、起升機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等組成。通過回轉(zhuǎn)、變幅、起升、伸縮臂的單獨(dú)或復(fù)合動(dòng)作，改變伸縮臂長度、仰角、方位以及起重鉤上升/下降，以滿足作業(yè)幅度、起升高度及作業(yè)方位，從而實(shí)現(xiàn)起吊裝置的所有作業(yè)功能。

1 變幅機(jī)構(gòu)

運(yùn)管機(jī)起吊裝置變幅機(jī)構(gòu)由變幅油缸、伸縮臂架、轉(zhuǎn)臺(tái)及鉸點(diǎn)連接等零部件組成，其作用為擴(kuò)大起吊裝置的作業(yè)范圍，改變起重鉤位置，以適應(yīng)起重量和起吊位置的要求。如圖1所示。

圖1 變幅機(jī)構(gòu)

2 機(jī)構(gòu)仿真

通過對(duì)起吊裝置變幅過程中的力學(xué)平衡（如圖2所示）可知，以伸縮臂作為研究對(duì)象，其所受各力對(duì)O點(diǎn)力矩之和為0，也即變幅油缸所產(chǎn)生的推力相對(duì)于O點(diǎn)力矩與伸縮臂、伸臂油缸、起重鉤等零部件自重及起吊重量相對(duì)于O點(diǎn)所產(chǎn)生的力矩始終相等。

圖2 受力分析

F×Lh=（G1×L1+G2×L2）×9.81/1000

F——變幅液壓缸推力，kN；

Lh——變幅推力相對(duì)于O點(diǎn)的力臂，m；

G1—— 伸縮臂、伸臂油缸、起重鉤等自重，kg；

L1——G1相對(duì)于O點(diǎn)水平距離，m；

G2——起吊重量，kg；

L2——G2重心相對(duì)于O點(diǎn)水平距離，m。

2.1 模型建立

起吊裝置在起吊作業(yè)過程中，伸縮臂等各構(gòu)件變形量較小，因而可將各構(gòu)件看成剛性體。在變幅過程中，伸臂油缸及臂頭定滑輪等隨伸縮臂一同運(yùn)動(dòng)，起重鉤與重物一同起升/下降，因此起吊裝置模型建立時(shí)，將伸縮油缸及定滑輪與伸縮臂合并成伸縮臂總成，起重鉤與重物合并重物總成。用連桿、圓柱體和球體分別代表伸縮臂、變幅油缸和重物。簡化后如圖3所示。

圖3 起吊裝置工作機(jī)構(gòu)簡圖

創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)O、A、B、C、E、F，其各點(diǎn)坐標(biāo)值如表1所示。以關(guān)鍵點(diǎn)O、E創(chuàng)建連桿OE，然后以添加方式創(chuàng)建BC、EF代表伸縮臂總成。單擊A點(diǎn)，再單擊B點(diǎn)，以Length=DM（A，B）/1.3建立圓柱體代表變幅油缸缸筒。單擊A點(diǎn)，再單擊B點(diǎn)，以Length=DM（A，B）/1.2建立圓柱體代表變幅油缸活塞桿。在點(diǎn)F創(chuàng)建一球體代表重物總成。

表1 關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)

2.2 參數(shù)設(shè)置

設(shè)置連桿OE質(zhì)量為1980kg（伸縮臂、伸縮油缸及定滑輪等部件總質(zhì)量），重心CM坐標(biāo)為（3575.0，103.5，0.0）；設(shè)置球體質(zhì)量為8050kg（重物和起重鉤總質(zhì)量）。

2.3 創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)副

在O點(diǎn)、A點(diǎn)分別創(chuàng)建伸縮臂、缸徑與地面之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副；在B點(diǎn)創(chuàng)建活塞桿與伸縮臂之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副；選擇活塞桿與缸筒之間創(chuàng)建滑移副。同時(shí)將活塞桿及缸筒坐標(biāo)系，Orientation分別修改為（（ORI_ALONG_AXIS（B，A，"Z"））和（（ORI_ALONG_AXIS（B，A，"Z"））；在F點(diǎn)創(chuàng)建球體與伸縮臂之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副。

2.4 添加驅(qū)動(dòng)

在活塞桿與缸筒之間添加滑移驅(qū)動(dòng)，并將其位移驅(qū)動(dòng)函數(shù)設(shè)置為“STEP（time，0.0，-97.6，27.19，990.0）+STEP（time，27.19，990，54.38，-97.6）”，也即采用階躍輸入，模擬從-4°～+42°～-4°一個(gè)循環(huán)變幅周期。

2.5 仿真

在對(duì)模型仿真之前，先通過模型校驗(yàn)，以保證模型創(chuàng)建正確。選擇交互式仿真，將仿真結(jié)束時(shí)間設(shè)置為54.38s，仿真步數(shù)為2000，測量關(guān)鍵點(diǎn)B受力以及A點(diǎn)、O點(diǎn)、B點(diǎn)之間夾角，并通過圖形處理，獲得仿真時(shí)間與變幅角度、油缸受力以及負(fù)載波動(dòng)關(guān)系如圖4所示。從圖可知，變幅力最大值為514.3kN，負(fù)載波動(dòng)值為71.3kN。

圖4 時(shí)間與變幅角度、受力及負(fù)載波動(dòng)關(guān)系

3 鉸點(diǎn)優(yōu)化

在起吊載荷及工作幅度一定的情況下，變幅鉸點(diǎn)（0、A、B點(diǎn)）位置合理選擇將直接影響到變幅過程中液壓油缸受力大小及其波動(dòng)范圍。

對(duì)于尾鉸點(diǎn)（O），因整車結(jié)構(gòu)、最大作業(yè)高度等限制因素，在方案設(shè)計(jì)時(shí)已確定。因此，變幅鉸點(diǎn)優(yōu)化過程實(shí)際上以變幅油缸鉸點(diǎn)位置即A、B兩點(diǎn)坐標(biāo)作為設(shè)計(jì)變量，以減小變幅中油缸所受最大負(fù)載以及負(fù)載變化波動(dòng)值為目的建立目標(biāo)函數(shù)，尋求合適的油缸鉸點(diǎn)位置。

3.1 創(chuàng)建設(shè)計(jì)變量

從前面所述，尾鉸點(diǎn)（O）在方案設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)確定，在優(yōu)化過程中只允許A、B兩點(diǎn)發(fā)生變化，因此需對(duì)A、B兩點(diǎn)X、Y坐標(biāo)參數(shù)化，也即使得這兩點(diǎn)坐標(biāo)為變量，而非常量。

打開表格編輯器，創(chuàng)建A、B兩點(diǎn)的設(shè)計(jì)變量，并將缺省的4個(gè)設(shè)計(jì)變量分別更名為A_X、A_Y、B_X、B_Y，用以表示A、B兩點(diǎn)X、Y坐標(biāo)，如圖5所示。

圖5 關(guān)鍵點(diǎn)與設(shè)計(jì)變量對(duì)應(yīng)關(guān)系

3.2 創(chuàng)建約束

在ADAMS/View中，約束是一個(gè)不等式，即

如：a≤x≤b，須用兩個(gè)不等式替代，即

在AAMS/View中，單擊創(chuàng)建約束按鈕后，彈出創(chuàng)建設(shè)計(jì)約束對(duì)話框，如圖6所示。

圖6 創(chuàng)建設(shè)計(jì)約束

對(duì)于鉸點(diǎn)優(yōu)化約束條件包括設(shè)計(jì)變量取舍范圍約束、油缸尺寸約束、油缸工作壓力約束。

（1）設(shè)計(jì)變量約束。

設(shè)計(jì)變量X={A_X，A_Y，B_X，B_Y}，

（2）油缸尺寸約束。

根據(jù)油缸結(jié)構(gòu)型式等，油缸應(yīng)預(yù)留缸頭、缸蓋、活塞等所占據(jù)空間，也即應(yīng)符合相應(yīng)的死行程L0，即

也即

（3）油缸力約束。

由于液壓油缸存在壓桿穩(wěn)定性，因此其所承受的最大負(fù)載力應(yīng)不超過允許值。設(shè)油缸臨界力為FK，nK為油缸穩(wěn)定系統(tǒng)許用值，F(xiàn)r為油缸所承受實(shí)際載荷，則應(yīng)滿足

設(shè)計(jì)變量約束與時(shí)間無關(guān)，可通過創(chuàng)建8個(gè)不等式函數(shù)來表示，即有

油缸尺寸約束與油缸力約束所涉及油缸長度、油缸力等與仿真時(shí)間有關(guān)，因而需先創(chuàng)建測量MEA_AB（AB長度）及MEA_F（油缸受力），然后通過運(yùn)算求得。

（1）-（8）可通過設(shè)定變量取值范圍來實(shí)現(xiàn)，（9）-（10）可利用創(chuàng)建ADAMS不等式約束來實(shí)現(xiàn)。

3.3 目標(biāo)函數(shù)

如前所述，本鉸點(diǎn)優(yōu)化是以減小在變幅過程中油缸所受最大負(fù)載以及負(fù)載變化波動(dòng)值為目的，為多目標(biāo)優(yōu)化。為使目標(biāo)函數(shù)與最大負(fù)載以及負(fù)載變化波動(dòng)相關(guān)聯(lián)，對(duì)目標(biāo)函數(shù)引入加權(quán)因子，即

K1、k2—— 加權(quán)因子，根據(jù)重要性確定。在本優(yōu)化中，最大負(fù)載重要性更大一些，所以取k1=0.6，k2=0.4；

F—— 整個(gè)作業(yè)循環(huán)中，變幅油缸所受負(fù)載力。

3.4 ADAMS View優(yōu)化

在模型樹Design Variable中找到設(shè)計(jì)變量A_X，A_Y，B_X，B_Y，在其上面單擊右鍵，選擇［Modify］，彈出設(shè)計(jì)變量編輯對(duì)話框，將其Standard Value設(shè)置為允許最值范圍的中間值。

由于ADAMS View優(yōu)化不支持交互式仿真，需創(chuàng)建仿真腳本。

在ADAMS/View中，設(shè)計(jì)評(píng)估對(duì)話框如圖7所示。

圖7 優(yōu)化計(jì)算對(duì)話框

優(yōu)化計(jì)算完成后，可看到優(yōu)化后的設(shè)計(jì)變量值，如圖8所示。

圖8 優(yōu)化后設(shè)計(jì)變量的值

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，將變幅油缸A、B鉸點(diǎn)位置坐標(biāo)調(diào)整為（1128.7，-1061.5）和（2227.2，96.8），其負(fù)載受力及變化波動(dòng)如圖9所示。

圖9 優(yōu)化后時(shí)間與變幅角、受力及負(fù)載波動(dòng)關(guān)系

從圖9可知，優(yōu)化后，變幅油缸所受最大負(fù)載值為462.2kN，波動(dòng)值為35.7kN。優(yōu)化后，最大負(fù)載降低10.1%，負(fù)載波動(dòng)值降低50.3%。優(yōu)化前后最大負(fù)載及波動(dòng)對(duì)比見表2。

表2 優(yōu)化前后對(duì)比

4 結(jié)束語

通過對(duì)運(yùn)管機(jī)起吊裝置變幅機(jī)構(gòu)受力分析，建立變幅鉸點(diǎn)數(shù)學(xué)模型，引入權(quán)重系數(shù)，以油缸所受最大負(fù)載及負(fù)載波動(dòng)值建立多目標(biāo)優(yōu)化。利用ADAMS虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)模型進(jìn)行仿真及優(yōu)化，降低變幅油缸最大負(fù)載及其負(fù)載波動(dòng)，從而提高變幅油缸作業(yè)穩(wěn)定性，延長其使用壽命。

［1］ 李增剛. ADAMS入門詳解與實(shí)例（第2版）［M］. 北京：國防工業(yè)出版社，2014.

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