(56)--门座式起重机臂架及自重平衡系统的优化设计研究.pdf
《(56)--门座式起重机臂架及自重平衡系统的优化设计研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《(56)--门座式起重机臂架及自重平衡系统的优化设计研究.pdf(8页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、 收稿日期:2016-09-02 门座式起重机臂架及自重平衡系统的优化设计研究 摘 要:随着经济的发展和国际物流业的繁荣,港口物流对门座式起重机装卸货物的效率、使用的安全可靠性等工作性能提出了更高的要求。因此,对门座式起重机各方面的研究一直是国内外的热点。四连杆铰接组合臂架变幅系统是目前应用较广泛的门座式起重机臂架形式。优秀的变幅系统设计以尽可能降低变幅机构的驱动功率和提高机构的操作性能为目的,臂架系统自重平衡的设计优劣是影响门及整体工作性能、安全性能的重要因素。关键词:臂架系统自重平衡 Matlab 优化设计 UG Ansys 中图分类号:TH21 文献标志码:A 文章编号:1006-894
2、5(2016)10-0062-08 Optimized Study of Portal Cranes Boom and Dead Load Blanced SystemCAO Na(Tianjin Port No.5 Stevedoring Co.,Ltd.,Tianjin 300456,China)Abstract:Along with the development of economy and the prosperity of international logistics industry,efficiency,safety and reliability of port logis
3、tics portal crane regarding loading and unloading of goods are facing higher require-ments Therefore,research on various aspects of portal crane has become a hot topic both at home and abroad Luffing sys-tem of four connecting rod hinge arm is the most widely used form of portal crane jib The portal
4、 crane is used to change theamplitude of the agency The design of the luffing system to reduce the driving power of luffing mechanism and improve the operating performance of institutions is an important factor affecting the performance of the door and the whole work and safety performance.Key words
5、:self balance arm frame system;Metlab;optimization design;UG;Ansys 0 引 言 天津港第五港埠有限公司(以下简称“公司”)有 4 台门机在满载作业时均存在着不同程度的拉杆、冲杆现象,不能达到最大工作幅度。拉杆、冲杆,指的是起重机在进行变幅运动时臂架不能在变幅范围内平稳进行变幅运动,在变幅过程中的某点产生很大的冲击载荷,使臂架系统不能继续伸展。这会带来以下问题:起重机在这种情况下按照原有变幅行程作业极有可能发生变幅齿条的损坏,乃至更严重的门机倾覆事故。门机作业不能达到额定变幅,造成门机抓取范围缩小,需要大量机械辅助作业,加大作业
6、成本。本文以 4043,m 门座式起重机为研究对象,对其进行臂架系统设计方案和理性分析,并以其结构尺寸为依据建立门座式起重机臂架系统的优化数学模型。利用 Matlab 优化工具箱对其进行优化求解,并根据优化结果设计可行的改造方案,然后利用 UG 软件对改造后的臂架系统进行三维建模,利用 ANSYS 软件对其关键部位进行静力学强度校核,以验证优化的效果。1 门机臂架系统四连杆机构合理性分析 1.1 设计目标 4043,m 门机采用的臂架形式是四连杆组合形式,该形式的臂架系统设计目标为:四连杆各部位长度合理,使吊重(货物)在变幅过程中运行轨迹趋近于平行于水平面的直线;门机变幅时由货物产生的变幅阻力
7、尽量小;臂架系统各杆件、平衡系统以 DOI:10.14099/ki.tjkj.2016.10.018 2015 年 8 月 曹娜:门座式起重机臂架及自重平衡系统的优化设计研究 63 及货物对臂架下铰点产生力矩的矢量和尽量小,且在变幅过程中的某个位置达到力矩的平衡;平衡重尽量小。验证臂架四连杆机构设计的合理性首先要建立该系统的简化模型,列出各部位参数相互制约的关系式,验证四连杆机构的运动轨迹是否符合预期。1.2 简化模型 门机四连杆组合臂架系统可以简化为如图 1 所示的以点 O、O、A、B 为顶点的四连杆模型,而点A、B、C 组成的三角形刚性梁结构即为象鼻梁的简化形式,臂架四连杆机构的杆件尺寸的
8、设计合理性首先要验证象鼻梁端点在变幅行程内的运动轨迹,也就是C 点的轨迹是否接近一条水平直线。图 1 臂架系统四连杆简化模型 Fig.1 Simplified model of luffing systems four-bar linkage 1.3 象鼻梁端点轨迹计算 为了方便计算,首先将臂架四连杆相关的尺寸参数用字母表示,如图 2 所示:图 2 臂架四连杆 Fig.2 Luffing systems four-bar linkage 图 2 中:1lOA=;2lAB=;31lO B=;4lAC=;5lAD=;6lAE=;7lOE=;81lO A=;911lOO=;101lOO=;111lO
9、O=;A 点坐标为(Xa,Ya);C 点坐标为(Xc,Yc);Smax为臂架变幅最大时 OC 的水平距离;Smin为臂架最小幅度时 OC 的水平距离,H 为变幅最大时的起升高度。另外,令1ABC=;2AOA=;3ACC=;4EOA=;51OOE=;61O AB=;7EAO=;81AEO=;9OAA=;10CAA=。则在最大幅度时有:12minmax43mincoscoslSl=(1)12minmax43minsinsinlHl=(2)将两式分别平方并求和得:2221max1max2min2coslSHl S+212min42sinl Hl=(3)令:a122221max4lSHl+;a21ma
10、x2l S;a312l H;则有:a1-a3sin2mina2cos2min a222min1 sin(4)展开并整理得:(2232aa+)22minsin 22132min122sin()0a aaa+=(5)解此一元二次方程可得最大幅度时主臂架摆角:2minarcsin ()()222222131332122223a aa aaaaaaa+)(6)同理可求得最小幅度时主臂架摆角:2maxarcsin ()()222222434335452235a aa aaaaaaa+)(7)式中:a422221min4lSHl+;a51min2l S 以主臂架摆角2作为自变量,2min到2max是其变化
11、范围,则有:12410cossincxll=+(8)12410sincoscyll=(9)利用 MATLAB 软件的绘图功能可以绘制出点C(Xc,Yc)的曲线。编写程序需要的相关数值根据几何关系可计算如下:55124arccosarccosllll=+;(10)3102=;(10)222476447arccos2lmml m+=;(11)952410arctanll=;(12)64 天 津 科 技 第 43 卷 第 10 期 2211910lll=+;(12)2281111 11452cos()lllll=+;(13)22228362 8arccos2llll l+=;(14)7746arcs
12、in(sin)ll=;(15)1184578arccossin()ll=+;(16)9210,2=167892(17、18)带入已知 4043,m 门机的臂架系统参数,在Matlab 中编写绘图函数 M 文件(部分)如下:a134.2239.743216.87216.4232;a22*39.743*34.2;t1acos(0.854/16.423)acos(0.854/5.935);t4 acos(34.2)2(8.031)2 (26.918)2)/(2*(34.2)*(8.031)得到 C 点轨迹图如图 3。图 3 象鼻梁端点运动轨迹 Fig.3 The trajectory of Trun
13、k beam end point 由图 3 可以看出,Yc 在整个变幅过程中虽然变化值不是很大,但在接近最大变幅时曲线上扬有一个明显拐点,这很可能就是臂架变幅在接近最大时发生失稳的重要原因。1.4 臂架失稳原因的确定 为进一步确定臂架在变幅过程中失稳的原因,我们采用力矩检测工具对门机变幅过程中变幅系统减速器高速轴的力矩进行了测量,得到结果如表 1 所示:表 1 变幅系统减速器高速轴扭矩测量结果 Tab.1 Torque measurement results of high speed shaft of reducer 幅度/m 41 39 36 33 30 27 24 21 18 15 高速
14、轴力矩/(kgm-1)-29-33-33-33-26.4-26.4-19.8-13.2-5.2-6.6 在门机变幅系统的设计中,臂架进行变幅运动时应存在一个力矩平衡点,即力矩零点,而由表 1 可以看出在整个变幅过程中减速器高速轴的扭矩方向始终没有变化(数值始终为负),因此在变幅过程中不存在扭矩为零的变幅平衡点。这一点导致了门机臂架进行变幅的过程中稳定性不佳,进而不能达到最大幅度的结果。2 门机臂架及平衡系统优化数学模型的建立 门机臂架及平衡系统的优化数学模型包括 3 个要素,即:设计变量、目标函数和约束条件。2.1 设计变量的确定 以上文建立的臂架四连杆简化模型为基础,添加上平衡系统的相关参数
15、,即构成了臂架及平衡系统的整体简化模型(见图 4)。图 4 门机臂架平衡系统优化设计变量 Fig.4Designed variables of crane boom balance system optimization 如图 4 所示,由于点 O 和 O1位置固定,则 l9,l10,l11的长度固定,l5的值一般也取为常量,这里不做改变,需要优化的参数包括:l1主臂架的长度;l2象鼻梁后臂长度;l3大拉杆长度;l4象鼻梁前臂长度;l6象鼻梁铰点与小拉杆下铰点距离;l7主臂架下铰点到小拉杆下铰点距离;l12小拉杆长度;l13平衡 2015 年 8 月 曹娜:门座式起重机臂架及自重平衡系统的优化
16、设计研究 65 梁前臂长度;l14平衡梁后臂长度;l15配重中心点到小拉杆上铰点距离;Gp配重重量。这其中 l14平衡梁后臂长度由于受到机房位置尺寸的影响不宜变动,因此也不做变化。由此就得到了臂架及平衡系统的 10 个设计变量,用向量表示为:Xl1,l2,l3,l4,l6,l7,l12,l13,l15,GpT x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8,x9,x10T 根据经验值,设定设计变量上限:lb30;4;24;10;20;5;6;1;6;45,000;设定变量上限为:Ub40,8;35;20;30;10;12;5;13;55,000。2.2 目标函数的确定 2.2.1 象鼻梁端点运
17、动轨迹 根据 1.3 的具体运算,得到象鼻梁端点坐标函数方程:1241012410cossin,sincosccxllyll=+=在cx在最大幅度与最小幅度之间变化时,cy应该接近于cyH=的一条直线,则目标函数可表示为:112410()sincoscf XyHllH=(目标函数 1)2.2.2 变幅阻力矩 臂架的变幅阻力矩可以利用象鼻梁端点 C 轨迹表达式并根据功能原理进行计算。设臂架从位置一摆动到位置二时臂架与水平面夹角2角变化值为2,象鼻梁端点 C 轨迹的高度变化为yc,负载货物重量为 Q。则 C 点为取得克服货物重力升高yc所需的能量,需在臂架上作用力矩M,且有:2cyMQ=由此得:c
18、2yMQ=(19)因此当臂架摆角幅度足够小时,每相邻两个幅度位置的象鼻梁端点高度差值为单位重量货物所引起的在该微量摆角行程上的臂架力矩。2.2.3 臂架平衡系统不平衡力矩 若将臂架平衡系统中各杆件设为均质等截面杆件,则平衡系统重量可表示为:1 12243 3()bjGllll=+412131415()llll+(20)式中:1为主臂架长度重量,2为象鼻梁长度重量,3为大拉杆长度重量,4为平衡系统长度重量。对于本文引用的 4043,m 门机,其长度重量计算如表 2。表 2 臂架平衡系统长度重量计算 Tab.2 Boom balance system length weight calculati
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 56 门座式 起重机 自重 平衡 系统 优化 设计 研究
限制150内