折臂式随车起重机工作机构优化设计_马俊.docx

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1、 学位论文出版授权书 本人完全同意中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程（以下简称 “ 章程 ” ），愿意将本人的学位论文提交 “ 中国学术期刊（光盘版）电子杂志社 ” 在中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库中全 文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库 可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入中国知识资源总 库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联网上传播，同意按 “ 章程 ” 规定享受相关权益。 作者签名： 考 j珍 /年 月 w日 论文题目 论文级别： 毕业院校： 博士口 硕士 E/ 所属院系 毕业年份： /4 作者

2、联系电话： 作者联系地址（邮编 ）： 导师姓名： 导师 E-mail: 作者 E-mail: 导师联系电话： 其他意向出版发表单位 : 注：中国学术期刊（光盘版）电子杂志社联系方式： 联系电话： （ 010) 62794994 62701191 627卯 6W 62790659 传 真 ： （ 010) 62791814 62791817 E-mail: 通讯地址：北京清华大学邮局 84-48倍箱 CDMD编 辑 部 邮 编 :100084 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指 导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知， 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包

3、 含其他人已经发表或撰写的研究成果。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。本声明产生的法律后果由本 人承担。 论文作者签名： 曰期 : 分 类 号 ： TP391 学校代码： 10109 密 级 ： 公 开 太原科技大学硕士学位论文 学位论文题目 ： 折臂式随车起重机工作机构 _ 优化设计研究 研 究 生 姓 名 ： 马 俊 _ 导师姓名及职称： 李自贵副教授 培养单位： 机械工程学院 工程领域： 机械工程 _ 论文提交日期 ： 2013年 5月 论文答辩日期 ： 2013年 5月 30日 答辩委员会主席： 李爱峰高级工程师 中文摘要 折臂式随车起

4、重机是集货物装、卸及运输功能于一体的专用起重设备。随车起重机 的作业执行主要是由它的工作机构实现的。这种工作机构的杆长设计对起重机的传力性 能、起重特性、结构的紧凑性和整机的稳定性起到关键作用。本文分别利用 Pro/e三维 软件和 ADAMS软件建立折臂式随车起重机工作机构的初始模型和参数化模型，然后对 分别建立的模型进行受力分析。针对其工作机构优化设计的要求，进行动力学仿真分析， 对两个五铰点变幅连杆机构进行机构优化，主要完成以下工作内容： (1) 应用 ADAMS软件自带的参数化建模功能，对其工作机构的参数化模型进行建 模，通过理论分析主要部件受力分析情况。通过对随车起重机工作机构仿真分析

5、，首先， 进行运动学分析（吊点速度和加速度测量 ）， 与 Pro/e中初始模型的测到结果一致，进一 步在 ADAMS中进行动力学测试（油缸压力）与 Pro/e测量结果 对比，验证模型的正确 性。 (2) 建立折臂式随车起重机工作机构优化设计变量，构造其目标函数，添加相应约束 条件，选择合理优化算法。先利用软件中设计研究 (Design Study)手段，分析动臂油缸和 吊臂油缸压力受其工作机构十个铰点的影响大小，把对动臂油缸和吊臂油缸受力灵敏度 较大的铰点记入表格中。通过优化设计 （ Optmnzation)手段，针对影响动臂油缸和吊臂 油缸受力较大的设计点进行优化，使动臂油缸推力和吊臂油缸推

6、力得到减小。 (3M衣据对其工作机构的分析，对分目标函数进行优化设计，并对分目标函数优 化结 果选取三种典型工况进行验证分析。由于分目标优化结果倾向于满足一个性能指标，依 据优化结果确定多目标函数中分目标函数的权重值，进一步对工作机构进行多目标优 化。根据优化结果选取典型工况进行验证，说明对折臂式起重机工作机构中液压缸受力 优化是合理的。 总之，通过多目标优化的结果，分析起重机工作机构不同性能要求，优化结果使液 压缸受力减小，波动比较平稳，起重机起重性能得到改善。 关键词：折臂式随车起重机；工作机构；优化设计 ； ADAMS ABSTRACT Folding boom truck-mounte

7、d crane is a cargo loading, unloading and transport fiinctions in one special lifting equipment. Job execution lorry crane mainly by its working bodies reality . Rod length is designed for this kind of work organization Transmission Performance cranes , lifting properties, structural stability and o

8、verall compactness play a key role . This paper built the initial model and optimization models knuckle boom loader cranes working bodies by Pro/e software and ADAMS software to, and stress analysis of the optimization model . Optimal Design for their work requirements , dynamic simulation analysis,

9、 the two organizations to optimize luffing institutions , mainly to complete the following work: (1) ADAMS, parametric modeling , optimization models for modeling the work of its agencies . Through the analysis of lorry crane working bodies , first, kinematic analysis (the velocity and acceleration

10、of hanging point) , and Pro/e test in the initial model to a consistent result, further dynamic testing ( cylinder pressure ) and Pro/e measures the results compared to verify the correctness of the model. (2) establish a folding boom truck mounted crane working body design variables , objective fii

11、nction constructor , add the appropriate constraints , a reasonable choice optimization algorithm. The first use of the software design research (Design Study) means to analyze the boom cylinder and boom cylinder pressure by its working body size ten hinge point of impact , the greater the sensitivi

12、ty of the hinge point of the boom cylinder and boom cylinder force recorded in the table. By optimizing the design (Optimization) means , for the impact of the boom cylinder and boom cylinder design point greater force to optimize the boom cylinder and boom cylinder force be reduced. (3) Based on it

13、s analysis agencies to optimize the design of the objective function , and the results of the optimization objective fiinction select three typical conditions for verification analysis . As the sub- objective optimization HI results tend to meet a performance index to determine weights carve multi-o

14、bjective function optimization objective function based on the results , further work mechanism for multi -objective optimization . Typical operating conditions selected for verification based on the optimization results , description of the folding arm crane work force agencies to optimize the hydr

15、aulic cylinder is reasonable . In short, through multi-objective optimization results , analysis crane working bodies of different performance requirements , optimizing the results of the hydraulic cylinder force is reduced , the volatility is relatively stable, the crane lifting performance is impr

16、oved. Key words: the articulating boom crane; operating mechanism; optimal design; ADAMS IV 胃 一 * f者 i仑 . 1 1.1折臂式随车起重机概述 . 1 1.2国内外现状及发展趋势 . 3 1.3机构优化的意义及技术路线 . 4 1.3.1机构研究内容及意义 . 4 1.3.2技术路线 . 5 1.4内容安排 . 7 第二章折臂式随车起重机机构分析和模型建立 . 9 2.1折臂式起重机工作机构分析 . 9 2.1.1折臂式随车起重机基本参数 . 9 2.1.2随车起重机工作机构应注意的事项 . 1

17、0 2.1.3起重机机构特点 . 10 2.1.4力学模型的建立 . 11 2.2 ADAMS软件介绍 . 13 2.2.1主要模块介绍 . 13 2.2.2ADAMS动力学方程 . 14 2.3建立工作机构模型 . 16 2.3.1创建模型 . 16 2.3.2约束和驱动的设置 . 18 2.4动力学仿真 . 20 2.5模型验证 . 22 2.6本章小结 . 24 第三章工作机构优化设计的数学模型 . 25 3.1设计变量 . 25 3.2目标函数 . 26 3.3约束条件 . 27 3.4 OPTDES-SQP非线性二次规划算法 . 29 3.5本章小结 . 31 第四章工作机构分目标函

18、数优化 . 33 4.1分目标优化基础 . 33 4.1.1优化过程驱动方式设置 . 33 4.1.2外载荷添加 . 34 4.1.3设计研究 . 34 4.1.4优化分析 . 35 4.2液压缸受力最大值极小化为目标函数 . 36 4.2.1动臂油缸优化过程 . 36 4.2.2吊臂油缸优化过程 . 41 4.3液压缸受力的平均值极小化为目标函数 . 45 4.3.1动臂油缸优化过程 . 45 4.3.2吊臂油缸优化过程 . 47 4.4本章小结 . 49 第五章分目标优化结果验证 . 51 5.1目标函数为油缸受力最大值极小化的结果验证 . 53 5.1.1 工况一 . 53 5.1.2

19、工况二 . 54 5.1.3 工况二 . 55 5.2目标函数为液压缸受力平均值极小化的结果验证 . 57 5.2.1 工况一 . 57 5.2.2 工况二 . 58 5.2.3 工况二 . 60 5.3优化结果验证分析 . 61 5.4本章小结 . 62 第六章折臂式随车起重机工作机构多目标优化 . 63 6.1动臂油缸优化结果比较 . 63 6.2吊臂油缸优化结果比较 . 64 6.3优化结果验证 . 65 6.3.1 工况 . 65 6.3.2 工况二 . 66 VI 6.3.3 工况二 . 67 6.4多目标优化结果分析 . 68 6.5本章小结 . 70 第七章结论 . 71 . 7

20、3 薦 . 77 攻读硕士期间发表的学术论文 . 79 VII 第 一 章 绪 论 1.1折臂式随车起重机概述 随车起重机是集货物装、卸及运输功能于一体的专用起重设备，其工作机构是随车 起重机的重要组成部分。它既可以实现货物运输，又可以作为起重机作业起吊，且还可 以实现车下边货物起吊。根据随车起重机起吊方式的不同，随车起重机可以分为直臂随 车起重机和折臂式随车起重机 1，两种随车起重机如图 1.1所示。 1)直臂式随车起重机 2)折臂式随车起重机 图 1.1随车起重机 Fig 1.1 lorry crane 直臂式随车起重机上车机构主要由伸缩臂、钢丝绳卷扬机构、立柱和一个变幅油缸 组成2。在起

21、重作业过程中，其中变幅机构主要是用于控制起重机工作幅度，起吊作业 过程由钢丝绳卷扬机构实现完成。其特点是无起吊作业时占用空间比较大，且受风载荷 影响等因素影响，环境恶劣场合不宜使用。 折臂式随车起重机上车机构主要由动臂油缸、立柱、吊臂油缸、动臂、若干连杆、 伸缩臂和吊钩组成。在起重作业过程中，由于没有钢丝绳卷扬机构，则起吊作业主要由 动臂油缸、吊臂油缸和伸缩臂组合作用实现操作。利用两个变幅油缸伸缩实现货物起升 下降，这样没有钢丝绳摆动过程，因此工作过程具有平稳性好、工作效率高和易于操作 等特点。折臂式随车起重机在运输过程中，工作机构可以实现折叠，置于驾驶室与车厢 中间，占用空间小。折臂式随车起

22、重机由两个液压缸控制工作机构执行方式，因此，其 比直臂式随车起重机更为方便，效率更高。 依照折臂式随车起重机工作机构特点，其工作机构可以分为三铰点变幅机构和五铰 点变幅机 构两类。 当折臂式随车起重机工作机构为三铰点变幅机构时，其工作机构主要由动臂油缸、 吊臂油缸、立柱、伸缩臂和吊钩组成。其中立柱、动臂油缸和动臂组成一个三铰点变幅 1 机构，动臂、吊臂油缸和伸缩臂组成另一个三铰点变幅机构。折臂式随车起重机三铰点 变幅机构如图 1.2所示。 图 1.2三铰点变幅机构 Fig 1.2 three hinge points luffing mechanism 由图 1.2可知，其工作机构连杆较少，结

23、构比较简单，根据力学关系易求得动臂油 缸受力和吊臂油缸受力。但动臂油缸直接作用于动臂进行起吊作业，因此动臂油缸所需 要的推力较大。 如图 1.3所示，当折臂式随车起重机工作机构为五铰点变幅机构时，其工作机构主 要由立柱、动臂、动臂油缸、连杆 1、连杆 2、吊臂、动臂、吊臂油缸、连杆 3和连杆 4 构成。其中由立柱、动臂、动臂油缸、连杆 1和连杆 2构成动臂五铰点变幅机构，吊臂、 动臂、吊臂油缸、连杆 3和连杆 4组成吊臂五铰点变幅机构。由于折臂式随车起重机没 有卷扬机构，因此作业过程中，折臂式随车起重机工作机构主要通过动臂油缸和吊臂油 缸活塞杆的伸缩来驱动动臂变 幅机构和吊臂变幅机构协调动作实

24、现精准的起重作业 3 6 Fig 1.3 five hinge point luffing mechanism 由图 1.3可知，其工作机构连杆较多，结构比较复杂，构件力学关系比较复杂多变。 但动臂油缸间接作用于动臂起吊作业，由中间连杆 2接连动臂和动臂油缸，连杆 1起辅 助支撑作用，因此其动臂油缸受力相比三铰点变幅机构中动臂油缸受力较小。但结构比 2 较复杂，构件受力较复杂，国内对五铰点变幅机构研究较少见到，本文研究对象针对五 铰点变幅机构对应的折臂式随车起重机工作机构。 1.2国内外现状及发展趋势 目前欧洲生产厂家有瑞典的 HIAB公司、意大利的 FASSI公司、奥地利的 PALFINGE

25、R公司等，中吨位起重机具有可以实现折叠，关节较多等优点 7。其工作机构 结构比较紧凑，工作效率比较大，易于操作，安全性能高，具有使用寿命长等特点。以日本、 韩国为代表的亚洲国家主要有日本的加藤、古河 UNIC、 多田野、水山和广林特装车株 式会社等公司 8，以直臂卷扬式起重机为主，已采用整车稳定性控制技术，产品性能比 较稳定。从保护操作者安全出发，随车起重机应实行遥控操作，便于操作者在货物附近 确认作业。由于遥控发射器轻便可以单手操作，操作者可以一边控制货物一边进行装卸 作业，这些方便，使日本带有遥控装置的 随车起重机数量逐年增加，目前约有 30%的随 车起重机装有遥控装置 9;对随车起重机的

26、电气和比例阀组合控制技术从数学模型的建 立、系统设计、稳定性分析、误差处理、实验验证等方面进行了系统的研究，并且指出 了未来的研究方向是无线测量工作幅度、保证作业位置的准确性和集中控制技术的研究 1 ; HIAB公司随车起重机的 SPACE 5000 safety控制系统操作精确、准确、操作误差不 超过 2mm11; FASSI公司随车起重机采用的先进数字控制系统，当起升载荷增大时，可 以降低起升速度来提高起升能力，并具有安全、舒适的特点 12。国外经过 70多年对随 车起重机的研究，随车起重机技术已经相当成熟，产品的改进主要集中在控制方法上。 从国内情况来看，生产厂家主要有山西省长治清华厂、

27、河北省石家庄煤机厂、杜丹 江专用汽车制造有限公司、中联重科浦沅分公司、徐工随车起重机有限公司、三一帕尔 菲格特种车辆装备有限公司等 13。由于折臂式随车起重进入市场比较晚，且起重吨位比 较小，在技术上还没有引起足够的重视，在折臂式随车起重机方面研究鲜见报道。目前， 国内在折臂式随车起重机的生产制造方 面主要是引进产品，然后对国外产品进行测量分 析，最后仿制其产品，但是其中设计理论和方法也很不完善，在很大程度上影响了折臂 式随车起重机的进一步推广应用。近年来，对汽车起重机的工作机构的工作机构的设计、 动力学分析等做了较多研究。通过使用 ADMAS软件建立了汽车起重机的仿真分析模 型，并仿真分析其

28、回转过程情况，找到在危险工况下（突然卸载）整机的稳定性是否符 合要求 14。首先，建立了汽车起重机变幅机构的多刚体系统仿真模型；然后，利用多刚 体动力学软件 ADAMS对该模型进行了动力学分析，测得变幅油缸有关数据， 利用 MATLAB数学计算软件对其驱动函数进行曲线拟合；最后，结果得到了所需要的液压 3 缸驱动最佳控制函数，通过对工况下变幅机构动力学研究，测到了比较有价值的仿真分 析结果 15。通过 ADMAS软件对汽车起重机变幅机构三铰点坐标位置进行优化设计分 析，其结果完善了吊臂和变幅液压缸活塞杆相连铰点的受力情况，对机构液压系统的压 力冲击得到改善 16。在折臂式随车起重机的研究方面，

29、有文献介绍了随车起重机变幅机 构的主要特点和形式，提出了 304304型变幅机构在设计过程中的基本要求 17。以某型 号折臂式随车起重机工作机构为研究对象，利用 ADAMS软件建立了其仿真分析模型， 并在回转工作过程中对其进行了运动学研究，得到了在这种工况下折臂式起重机质心位 置变化相关数据 ,再利用力矩平衡原理绘制出该折臂式随车起重在机不同倾覆线段情况 下的最大起重量曲线图，根据绘制最大起重量曲线图研究其稳定性是否满足要求 18。通 过研究分析随车起重机主要部件的动力特性 ,便能够深入掌握随车起重机主升臂的运动 性能 ,这样为其起重性能参数设计提供理论依据，并且可以 将研究结果应用到产品的实

30、际 生产制造中 19。通过 ADAMS软件建立折臂式随车起重机的工作机构模型，并对其进行 动力学仿真研究，测得折臂式随车起重机动臂液压缸和吊臂液压缸受力曲线等，为折臂式 随车起重机工作机构的设计计算提供了理论依据 2 。研究分析折臂式随车起重机结构和 工作性能特点，对其工作机构利用齐次坐标变换法可以得到运动学正解，在其工作机构 的实时工作幅度和起升高度情况下，提出了在二维分布起吊作业平面内的起重性能的计 算方法 21。但对折臂式随车起重机工作机构的优化设计鲜见报道。事实上，工作机 构的 优化设计是折臂式随车起重机设计的重要组成部分，也是提高其整机技术性能的重要手 段。所以，利用先进设计手段，对

31、其工作机构铰点坐标位置进行优化设计是必要的。 1.3机构优化的意义及技术路线 1.3.1机构研究内容及意义 对折臂式随车起重机工作机构进行多刚体动力学仿真研究，分析起重机机构工作特 点，机构主要部件受力情况，为折臂式随车起重机工作机构优化设计提供理论依据。 (1) 通过 ADAMS软件建立随车起重机工作机构的参数化模型，对折臂式随车起 重机进行动力学仿真。建立目标函数，构造合理约束条件，添加设计变 量，选择有效的 优化算法。利用仿真分析测得各个铰点位置对动臂油缸和吊臂油缸受力的灵敏度，进而 对工作机构进行机构优化，使液压缸受力变小，液压系统稳定性好，受冲击小。 (2) 通过对起重机工作机构动力

32、学分析及优化，动臂油缸举升能力得到提高，起 重机起吊性能得到改善。 根据国内外研究状况，虽然已有学者针对动臂三铰点变幅机构进行仿真研究，还有 4 学者虽然对动臂三铰点变幅机构机构进行优化设计 22，但是选择空载工况进行优化设 计，没有说明选取工况依据，且没有从理论上对动臂油缸进行受力分析。只是进行单目 标优化，并没有从起重机起重特性上分析工作机构特点，没有添加合理约束条件，导致 优化结果不能满足优化设计的要求。五铰点变幅机构对应的折臂式随车起重机工作机构 优化研究更少见到。 本文是以五铰点变幅连杆机构折臂式随车起重机工作机构为研究对象，通过对其工 作机构理论分析，掌握工作机构两个油缸受力特点，

33、对其工作机构添加性能约束和边界 约束条件，并对动臂油缸和吊臂油缸受力为多目标函数进行优化，设计机构理想的铰点 位置参数。最后，针对优化结果 选取典型工况进行验证，并分析优化后工作机构的起重 特性。因此，采用先进优化手段，为国内折臂式随车起重机工作机构优化设计具有很强 的现实意义，对企业生产有重要指导意义。 1.3.2技术路线 通过 ADAMS软件建立随车起重机工作机构的参数化模型，对整个工作机构进行动 力学分析，研究工作机构主要部件受力特点。针对工作机构起重作业复杂多变的状况， 建立设计变量，添加约束函数，构造所需要的目标函数。依据选择优化方案对工作机构 进行优化仿真研究，通过实际工况验证优化

34、结果。技术路线如图 1.4所示。 5 图 1.4技术路线 Fig 1.4 technology roadmap 6 1.4内容安排 第一部分：机构优化技术分析 针对前期工作准备，大量查阅相关资料，了解随车起重机机构优化相关领域研究现 状，分析起重机变幅机构典型工作特点，起重机工作机构优化设计重要意义，技术路线 制定，主要研究工作内容介绍。 第二部分：建立工作机构模型 在 ADAMS中建立样机初始模型，分析其工作机构主要部件受力特性，通过对其进 行运动学和动力学研究，验证模型正确性，然后对模型参数化。 第三部分：优化设计的数学模型 依据随车起重机机构分析，建立随车起重机机构优化设计三要素及优化算

35、法。设计 变量包括随车起重机机构十个铰点；约束条件包括边界约束和性能约束；目标函数为液 压缸受力最大值（减小液压缸受力）和液压缸受力平均值（减小液压系统波动，使液压 系统比较稳定 ）；选择非线性二次规划法作为机构优化算法。 第四部分：工作机构分目标优化设计 根据随车起重机工作机构特点，针对折臂式随车起重机典型工况进行优化。由第三 部分建立目标函数和约束条件，起重机机构进行优化分析。通过优化结果，比较优化前 后两个液压缸受力变化。 第五部分：分目标优化结果验证 针对第四部分优化结果，进行实际工况验证，是否达到预期效果，并 且分析比较两 个分目标函数 MAX (最大值）和 Average (平均值

36、）优化结果，依据分目标优化结果选 取多目标优化中目标函数的权重系数。 第六部分：多目标优化 根据前边分目标函数优化结果进行分析，确定多目标优化过程中目标函数权重系 数，起重机机构进行优化，并且验证优化结果。 7 8 第二章折臂式随车起重机机构分析和模型建立 2.1折臂式起重机工作机构分析 2.1.1折臂式随车起重机基本参数 折臂式随车起重机基本技术参数是起重机主要技术性能指标，也是设计主要选择参 数 23，其主要技术参数如下： 最大起重力矩 （ maximum hoisting moment) 最大起重力矩指的是相应工作幅度与额定起吊载荷乘积的最大值。 最大起升载荷 （ maximum lifting load) 在起重机吊臂最短和工作幅度最小情况下，允许起吊最大起重量（包括吊具质量） 为最大起升载荷。 巾畐度 (range ability) 起运车吊钩中心垂直线至回转中心线的水平距离。 最 J、 工作巾