石 川，劉石堅，黃加佳

（三一集團 湖南 長沙 410100）

折臂式隨車起重機臂架模塊優(yōu)化設(shè)計方法探討

石 川，劉石堅，黃加佳

（三一集團 湖南 長沙 410100）

折臂式隨車起重機是一款集裝、運、卸為一體的起重設(shè)備，與傳統(tǒng)起重機相比結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，運動軌跡更為多樣化，由于折臂式隨車起重機引入我國時間較短，所以相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者對其研究不夠完善，尤其是對如何優(yōu)化臂架結(jié)構(gòu)模塊研究更少。利用ADAMS軟件對折臂式隨車起重機臂架模塊進行優(yōu)化方法設(shè)計，建立了優(yōu)化模型，通過建立的模型實現(xiàn)隨車起重起臂架模塊的優(yōu)化。分析證明所設(shè)計的優(yōu)化方法能夠保證臂架模塊參數(shù)更加合理性，各鉸點和液壓油缸受力得到較大改善，不僅提升了結(jié)構(gòu)可靠性，同時也驗證了該優(yōu)化設(shè)計方法可行有效。

ADAMS軟件；折臂式隨車起重機；臂架優(yōu)化設(shè)計方法

1 引言

隨車起重機是將起重裝置安裝在載貨汽車上的一種起重設(shè)備，該設(shè)備集貨物裝卸和貨物運輸于一體，機動靈活、應(yīng)用廣泛。隨車起重機主要分為直臂卷揚式和折臂式兩大類。與直臂卷揚式相比，折疊式隨車起重起臂架模塊更為復(fù)雜，收回后體積較小，起吊作業(yè)主要由動臂油缸、吊臂油缸及伸縮臂組合動作來實現(xiàn)操作，其作業(yè)效率較高，另外由于沒有鋼絲繩卷揚機構(gòu)，不存在鋼絲繩的擺動問題，其起吊過程更加平穩(wěn)。折臂式隨車起重機臂架模塊參數(shù)設(shè)計是否合理對起重機的工作性能、運動性能以結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生直接影響。雖然國內(nèi)對折疊式隨車起重機有所研究，但是研究仍處于初級階段，設(shè)計主要是模仿國外產(chǎn)品，在理論上還不夠完善，主要在于國內(nèi)對折疊式隨車起重機的推廣還不夠。近年來，相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者通過對折疊式隨車起重機的性能和結(jié)構(gòu)進行分析，提出利用ADAMS軟件建立隨車起重起的臂架模塊優(yōu)化模型，利用齊次坐標變換法判斷臂架的運動軌跡，給出作業(yè)二維布局圖。然而目前對折臂式隨車起重機臂架模塊的優(yōu)化設(shè)計方法研究較少。鑒于此，本文利用ADAMS軟件對折臂式隨車起重機臂架結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，分析得出臂架模塊上鉸點的最佳位置。通過本文的優(yōu)化設(shè)計，折疊式隨車起重機臂架模塊更加可靠，起重能力得到顯著提高[1]。

2 基于ADAMS的折臂式隨車起重機臂架模塊優(yōu)化模型設(shè)計建立

折臂式隨車起重機包括立柱、動臂、動臂油缸、吊臂、吊臂油缸、連桿等部分。折臂式隨車起重機的工作原理：利用動臂油缸和吊臂油缸活塞桿的伸縮帶動動臂變化，幫助動臂變幅機構(gòu)和吊臂變幅機構(gòu)協(xié)同作業(yè)，保證起重工作的精準性。折臂式隨車起重機折疊后的各鉸點相對位置簡圖如下圖1所示，以圖1的10個鉸點為設(shè)計點進行臂架優(yōu)化。其中點6、7、9、10和點1、2、3、4分別代表兩組四連桿機構(gòu)。點5為動臂油缸底部與立柱的鉸接點，點9為動臂與立柱的鉸接點，點8為吊臂油缸與動臂的鉸接點，連桿1與立柱和動臂油缸相交于點6和點10之間，連桿2與動臂油缸和動臂相交于點6和點7之間，連桿3與吊臂油缸和動臂相交于點1和點4之間，連桿4與吊臂油缸和吊臂相交于點3和點4之間。對折疊式隨車起重機臂架模塊進行優(yōu)化時主要要考慮10個鉸點的相對位置對吊臂油缸和動臂油缸受力情況的影響，建模過程要保證模型各鉸點的準確位置[2]。

圖1 折臂式隨車起重機臂架簡化結(jié)構(gòu)

利用ADAMS軟件對折疊式隨車起重機臂架進行參數(shù)優(yōu)化建模，以圖1中的10個鉸點作為目標位置建立坐標軸，將O-xy坐標系位于二維對稱平面中，選取圖1中的點1作為坐標原點，臂架構(gòu)件質(zhì)量變化通過手動添加方式在ADAMS中實時添加（由于起重機在工作時運動速度不會產(chǎn)生太大的變化，因此轉(zhuǎn)動慣量對臂架產(chǎn)生的影響可以忽略不計[3]）。利用ADAMS的參數(shù)化設(shè)計功能將圖中的10個鉸點的橫、縱坐標分別進行參數(shù)化，共得到20個設(shè)計變量值。任何一個設(shè)計變量的改變，將導(dǎo)致工作機構(gòu)性能的改變，動臂和吊臂油缸的受力情況隨之改變。

3 基于ADAMS的折臂式隨車起重機臂架模塊優(yōu)化設(shè)計

3.1 動臂變幅機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

利用ADAMS軟件設(shè)計折臂式隨車起重機優(yōu)化模型，根據(jù)上述模型完成臂架模塊的優(yōu)化。折臂隨車起重機通過動臂油缸和吊臂油缸的伸縮性實現(xiàn)折臂式隨車起重機的升降。在作業(yè)過程中，折臂式隨車起重機起重作業(yè)主要由動臂油缸對應(yīng)的變幅機構(gòu)運動來實現(xiàn)，且動臂油缸工作比較頻繁。由于動臂油缸的作用力臂較小，因此動臂油缸工作所需要的推力最大，故減少動臂油缸的受力，能夠有效減小動臂油缸的直徑，降低系統(tǒng)的能耗。設(shè)動臂油缸和吊臂油缸在升降過程中的最大出力值為目標優(yōu)化函數(shù)，將折臂式隨車起重機的臂架結(jié)構(gòu)分為兩個獨立的機構(gòu)：動臂變幅機構(gòu)、吊臂變幅機構(gòu)，針對兩種不同的機構(gòu)分別采取不同的優(yōu)化方法，從而對折臂式隨車起重機的臂架模塊進行優(yōu)化[4]。折臂式隨車起重機的優(yōu)化是一個多目標同時進行的優(yōu)化問題，動臂變幅機構(gòu)中的動臂油缸負責起重機作業(yè)過程中的變幅、起吊工作，作業(yè)過程頻繁，受力程度也大于吊臂油缸，因此是多個目標中的主要目標，作為第一目標針對性提出來進行優(yōu)化，吊臂變幅機構(gòu)作為第二目標進行優(yōu)化。折臂式隨車起重機優(yōu)化的第一目標函數(shù)要保障動臂油缸出力最大值達到最小。

減少折臂式隨車起重機在工作時的動臂油缸和吊臂油缸輸出力，有利于減少油缸直徑，降低系統(tǒng)消耗的能量，油缸在提升時最小出力即為優(yōu)化目標函數(shù)。折臂式隨車起重機在工作時利用2個獨立的六連桿機構(gòu)將動臂油缸和吊臂油缸結(jié)合到一起，針對該工作機構(gòu)的優(yōu)化問題是一個多目標優(yōu)化問題。動臂油缸工作過程復(fù)雜，受力也超過吊臂油缸，因此可將動臂油缸作為第一優(yōu)化目標，利用公式（1）完成動臂油缸的優(yōu)化：

公式（1）中，F(xiàn)1（χ）代表動臂油缸的最優(yōu)目標函數(shù)，目的是使動臂油缸在最大受力工況下的受力值達到最小。在優(yōu)化設(shè)計過程中，需要不斷的改變設(shè)計變量的參數(shù)值，從而達到目標函數(shù)的最小值。分析表明：優(yōu)化后的動臂油缸受力在整個作業(yè)過程中更加平穩(wěn)，有效降低了工作系統(tǒng)的動載荷。

3.2 吊臂變幅機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

動臂變幅機構(gòu)作為第一優(yōu)化目標，吊臂變幅機構(gòu)作為第二優(yōu)化目標，根據(jù)折臂式隨車起重機的工作特性曲線，本文選取工作幅度為12m，最高起吊質(zhì)量為4.5t的工況進行起吊，吊臂油缸率先動作，當?shù)醣圻_到目標位置時，動臂油缸活塞桿開始工作，對吊臂進行舉伸，當?shù)醣圻\動到最大仰角時，對起重機的工作狀況進行分析計算，從而判斷本文設(shè)計的優(yōu)化方法是否具有實際可操作性。在設(shè)計折臂式隨車起重機的吊臂變幅機構(gòu)時，首先要對吊臂變幅機構(gòu)的連桿機構(gòu)進行優(yōu)化，從而優(yōu)化隨車起重機的整個吊臂變幅機構(gòu)。吊臂油缸工作過程比動臂油缸簡單，受力也小于動臂油缸，因此可將吊臂油缸作為第二優(yōu)化目標，利用公式（2）完成動臂油缸的優(yōu)化：

公式（2）中，F(xiàn)2（χ）代表吊臂油缸的最優(yōu)目標函數(shù)，目的是使動臂油缸在最大受力工況下的受力值達到最小。，通過公式（2）能夠有效實現(xiàn)吊臂油缸的優(yōu)化。

對折臂式隨車起重機獨有的特性曲線進行分析，可以發(fā)現(xiàn)起重機在工作時，吊臂油缸和動臂油缸同時工作，吊臂油缸高空作業(yè)，動臂油缸不斷輔助吊臂油缸，幫助吊臂油缸達到目標位置。為了很好的對吊臂變幅機構(gòu)和動臂變幅機構(gòu)進行優(yōu)化，必須要先對吊臂和動臂的連桿變化進行研究。分析表明：優(yōu)化后吊臂變幅機構(gòu)更加緊湊，吊臂油缸受力減小明顯，有利于改善整個液壓系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，因此本文設(shè)計的優(yōu)化方法具有極高的發(fā)展?jié)摿5]。

4 結(jié)語

本文利用ADAMS軟件，根據(jù)多目標優(yōu)化方法對折臂式隨車起重機臂架模塊進行優(yōu)化方法設(shè)計。通過分析可得到動臂變幅機構(gòu)是起重機臂架優(yōu)化目標中的主要優(yōu)化目標，本文設(shè)計的優(yōu)化方法保證了臂架模塊參數(shù)的合理性，有效改善了油缸受力情況（動臂油缸受力最大值減少了7.5%以上，吊臂油缸受力最大值減少了11.3%以上），受力波動更為平穩(wěn)，在工作過程中避免液壓沖擊，提高了起重作業(yè)的工作性能。

在實際問題中，在確定折臂式隨車起重機各個鉸點相對位置過程中，還需考慮臂架幾何形狀尺寸、臂架剛度等影響因素，本文忽略了這些次要因素，為更加接近真實情況，本文的優(yōu)化模型有待進一步提高和完善。

[1]李自貴，馬俊，晉民杰，等.基于ADAMS的折臂式隨車起重機工作機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].機械設(shè)計，2015(8)：36-40.

[2]趙云亮，喬紅嬌，陸永能，等.基于ADAMS的折臂式隨車起重機變幅機構(gòu)鉸點優(yōu)化設(shè)計[J].起重運輸機械，2016(2)：15-18.

[3]王樂有，王進強，才冬濤.基于ADAMS的折臂式隨車起重機受力計算[J].起重運輸機械，2011(7)：33-34.

[4]李純金，褚月橋，周海波.基于遺傳算法隨車起重機折疊臂架鉸點位置優(yōu)化[J].江蘇科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2014，28(1)：30-36.

[5]揭琳鋒，王瑋，李紅，等.基于ADAMS的混凝土泵車臂架油缸力優(yōu)化設(shè)計[J].筑路機械與施工機械化，2014，31(2)：84-86.

TH691.3 【文獻標識碼】A 【文章編號】1009-5624（2018）01-0015-03

石川（1984-），男，漢族，河南原陽縣人，碩士，工程師，研究方向：起重機械及風(fēng)電技術(shù)。