起重机液压缸变幅机构的计算程序化.pdf

起重机液压缸变幅机构的计算程序化 赵 殿华 泰安泰 山工程机械股份有限公 司 泰安2 7 1 0 3 9 摘要针对起重机液压缸变幅机构的设计计算，运用多 目标优化设计方法进行理论分析并建立数学模型， 采用黄金分割一维搜索优化计算方法，在 D E L P H I 平台上构架参数计算软件，程序根据输入已知参数按照优化流 程进行液压缸参数优化计算，以图形示意的方式显示计算结果 ，并保存结果和数据输出。采用 D L E P H I 平台构建 的起重机液压缸变幅机构计算软件具有专用性强、运算效率高等优点，可大幅减少设计人员的工作量 ，提高设 计效率和准确性 ，对起重机变幅机构及其部件设计具有现实指导意义。 关键词起重机；变幅机构；计算程序化；D E L P H I ；优化软件 中图分 类号 T H1 3 7 ． 5 1 T H 2 1 文献标识 码 A 文章编号 1 0 0 1 0 7 8 5 2 0 1 2 0 3 0 0 1 1 0 4 Ab s t r a c t As f o r t h e d e s i g n c a l c u l a t i o n o f t h e c r a n e h y d r a u l i c c y l i n d e r l u f f i n g me c h a n i s m ，t h e t h e o r e t i c a l a n a l y s i s i s c o n d u c t e d a n d t h e ma t h e ma t i c a l mo d e l i s e s t a b l i s h e d w i t h mu l t i t a r g e t o p t i mal d e s i g n me t h o d ．T h e p a r a me t e r c a l c u l a t i o n s o f t wa r e i sa me d o n t h e DE L P HI p l a t f o r m a p p l y i n g o n e d i me n s i o n al s e a r c h o p t i mal c alc u l a t i o n me t h o d o f the g o l d e n s e e t i o n ． T h e p r o g r a m c a r r i e s o u t h y d r a u l i c c y l i n d e r p a r a me t e r o p t i mal c a l c u l a t i o n a c c o r d i n g t o k n o wn i n p u t p a r a me t e r s a n d o p t i ma l p r o c e d u r e ，a n d d i s p l a y s t h e c alc u l a t i o n r e s u l t s i n t h e o f gra p h i c s ，t h e n s a v e s t h e r e s u l t s a n d o u t p u t s d a t a ．W i t h the DE L P HI p l a tf o rm ，the c alc u l a t i o n s o f t ware o f t h e c r a n e h y d r a u l i c c y l i n d e r l u f fi n g me c h a n i s m h a s a d v a n t a g e s o f s t r o n g s p e c i a l i t y a n d h i g h o p e r a t i o n e ffic i e n c y S O a s t o s u b s t a n t i a l l y r e d u c e t h e d e s i g n e r s ’wo r k a n d i mp r o v e t h e d e s i g n e f fi c i e n c y a n d a c c u r a c y ． T h e s o f t wa r e p o s s e s s e s t h e r e a l i s t i c d i r e c t i v e s i g n i fi c a n c e f o r t h e c r a n e’ S l uffi n g me c h a n i s m d e s i g n a s w e l l a s i t s c o mpo n e n t d e s i g n ． Ke y wo r d s c r a n e ；l uffi n g me c h a n i s m；c a l c u l a t i o n p r o g r a mmi n g ；D EL PHI ；o p t i mi z a t i o n s o f twa r e 0 概 况 起重机液压缸变 幅机构的设计影 响了整机 的 起重性能 ，决定 了变幅液压缸 的缸径 和行程等 主 要参数 。合理选择计算 吊臂 基点、变 幅液压缸基 点及二 者 的结 合 铰点具 有十分 重要 的实 际意义。 本文中根据起重 机的转台机械结构空 间，在 已知 的实际变化 空间范围 内设 定三铰点 ，采 用多 目标 优化设计方 法在 D E L P HI 设计 平 台上构 建计算 软 件 ，只对液压缸变 幅机构 的液压 缸结构参数进行 优化计算 。 1 理论依据 如图 1所示 ，液压缸 变幅机构 的三铰点为 O 吊臂 固定 旋转 基 点 、A 液 压 缸 固定 旋转 基 点 和 B 液压 缸在 吊臂上 的铰点 ，为克服 吊 臂上载荷 F 的作用 ，液压 缸需要 推力 F来支 承 吊臂 。 起重运输机械 2 0 1 2 3 】 图 1 设计参数示意图 1 ． 1 计算理论 液压缸主要 承受来 自吊臂 的轴 向压 力 ，其反 向力 即液压缸的推力是决定液压缸性能的关键参 数 ，合理选择计算 O、A和 B三铰点的位置 ，才能 使液压缸需求 的最 大推力最 小。液压缸 的最大推 一 1 1 力计算设定 2种状态 1 基本臂工作状态 ，起 升 额定最大起重量 、臂架仰角最大时 ；2 非工作状 态 ，臂架全伸水平状 态 有 的机 型臂架 仰角可能 为负角度 ；根据这 2种状态计算出液压缸的最大 推力 ，选取此值作为计算的最终 目标 。 1 ． 1 ． 1 额载工作状态 液压缸推力 F的力臂 L s i n O L O t i y L H i _ 二 二 二 一 s n 一 y AB 则液压缸推力为 F 等 c fI】c⋯ i a s i n a i 一 2 S h ] 其中 A B √D 4 O B 一 2 O A 0 B c 0 s i O A c d ， D 曰 b一 0 b a e a r C a n 了， a r c a n s 口 0 叼o 7 7 式中F 。为 吊臂 自重 ，k g ；f 为 吊臂质心距 0点距 离 ，m；F 为额 定 载荷 ，N；R 为 吊臂 幅 度 ，IT I ；L为 吊臂长度 ，m；S为钢丝绳拉力 ，N； 为起升 冲击载 荷 系数 ； 为起升 载荷动 载系 数 ；a 。 为倍率 ； 为导向滑轮 组效 率；叼 。 为起升 滑轮组效率 ；a 、b 、C 、d 、e 、 f均为吊臂及铰点结 构参数 ，i n 。 1 ． 1 ． 2 水平起臂非工作状态 F [ F G 1 R c F G f ] L 啪 一 此时 ，臂架处于全伸 、水平 、空载状态 。 式中 ， J 啪为臂架水平时液压缸至臂尾部铰点 距离 ，1T t ；F 。 为 吊钩 自重载荷 ，N；R ⋯为臂架全 伸出时吊钩重心至 回转 中心距离 ，m；Z 。 为臂架 全伸 出时重心至臂架尾部铰点距离 ，m。 1 ． 1 ． 3 液压缸基本参数 根据液压缸的推力 F计算理论缸径 一 1 2 一 。 一 式中P为液压缸 的供油压力 ，MP a ； 为液 压缸的负载率 ，一般 为液压缸的负载率 ，一般取 0 ． 5～ 0 ． 7 ； 为液压缸的总效率 ，一般取 0 ． 7～ 0 ． 9 。 额载工作状态 O L i 最大仰角时液压长度 L AB 水平起臂状 态 O l i 0 。 时液压缸 长度 即 液压缸安装距 LB AB i √D A D 一 2 O A D 日- c o s O L 液压缸工作行程 A L ⋯ 一L A B A B i 活塞杆 圆管截面 按欧拉公式弯 曲稳定性计 算选取 。 活塞杆弯曲失稳临界负荷 F A L B F． ． 此时活塞杆最大工作载荷 F≤ n K 式中E为弹性模量 ，E 2 1 0 0 0 0 MP a ；．， 为 活 塞 杆 横 截 面 惯 性 矩 ， 圆 环 截 面 ，J 兀一 ；d为活塞 杆外 径 ，m；6为 活 塞杆壁 厚 ，i n ；K为安 装及 导 向系数 ，为两端 铰 接 、刚性导向的欧拉负载状态 ，取 K1 ；n 为安 全系数 ，一般取 3 ． 5 。 1 ． 2 计算方法 1 ． 2 ． 1 基本思路 计算方法 的基本 思路 是 搜索 、迭代 和 逼近。 针对上述 问题 ，其设计 目标是起 重机带载变 幅过 程中，变幅液压缸 的最大推力最小 ，推力波动值 最小 ，质量最小 ，即确定三铰点 位置及变 幅液压 缸的长度 、行程 。 结构尺寸 C 、d 、e 、 f为变量 ，其他尺寸 或角 度参数可 由结构需要 和性 能要 求给出定值 。通过 分析 ，计算方法采用一维搜索计算方法 中的黄金 分割法进行优化 目标的搜索 、迭代和逼近计算。 1 ． 2 ． 2 数学模型 根据前述计算 理论 ，设 定 目标函数f ，其 中设计变量 1 C ， 2 d ， 3e ， 4 -厂 ，即 向量 [ C ，d ，e ， 。考虑实际问题中变量取值 问题 变量 C 、d 、e 、 f的取值范围 ，设定约束条件为 0≤ C1≤ c≤ C2 ， 0≤ D1 ≤ d≤ D2 ， 0≤ E1≤ e≤ E2， 0≤F 1 ≤ 厂≤F 2 L 6 o ，d R，C ≤d 。设定函数 起重运输机械 2 0 1 2 3 F ≠ 一 [ 2 F L R c J F G z b e O S O i L H i a s i n o i 一 2 S h ] 设定函数 L B A B i √ D A 0 一 2 O A O B c o s ～ 则其数学模型标准格式可表示为 mi n厂 , f 2 l 1 ≠ 一 [ 2 F L c 1 F G z b e O S O ／ i 一 ＼ Hi a s i n o i 一 2 S h ] ， [ O B 一 2 O A D c o s O t ] l ， ⋯⋯ 此处省略公式推导 S ． t ． g 1 一C ≤0 ，g 2 一Cd≤0 ， g 3 一 e ≤0 ，g 4 - f _ o ，g 5 f-L b 0 ≤0 ， g 6 d R 0 ，0 ≤C l ≤C ≤c 2 ，0≤D l ≤d ≤D 2 ， 0 ≤E 1 ≤e ≤E 2 ，0 ≤F 1 ≤厂 ≤F 2 b o ，d R，c ≤d 2优化设计 2 ． 1平台架构 采用 D E L P H I 7 ． 0软件设计平台及多 目标优化 设计方法 对液压缸变 幅机构 的三铰点及液压缸结 构参数进行参数计算，其计算方法采用一维搜索 计算方法中的黄金分割法进行优化 目标的搜索、 迭代和逼近计算 。软件依据的 D E L P H I 7 ． 0平台的 主要技 术有基本 程序设计 、文件 I ／ 0处 理、Wi n ． d o w s 控件包装嵌套等 。 2 ． 2 优化流程 优化流程分 3部分组成 预处理 、优化程序 和后处理。预处理是将优化 问题 的数学模 型转换 成计算机求解 时所要求 的格式 ，如将 已知量作 为 输人文本框 信息 ；后处 理是 输 出各 种 计算 结果 ， 并对结果分 析 ，如直接显 示结果 、以文本文件输 出各迭代运算 中间结果等 ；计算程序依 据 面向对 象设计方法 ，采用程序语言 、Wi n d o w s 控件、文件 I ／ O等技术将公式计算与求解按变量、参数分别表 达 出来进行运算求解。具体流程见图 2 。 2 ． 3 程 序 设计 2 ． 3 ． 1 界 面 软件 的界面分 5个 区域 显示液压 缸参数计 起重运输机械 2 0 1 2 3 图 2 优化流程 图 算结果 ；参数示意 图，显示三铰点位置 的计算结 果 ；参数输入 区 ；显示 中间结果及液压缸最大推 力计算结果 ；功能按钮 ，可实现计算优化 、导 出 结果 、存储结果及清除数据重新计算等功能 。 2 ． 3 ． 2 手动后处理 程序 自动 计算 的结果 与 实际需求 存 在差异 ， 如某些尺寸是按 照连续 变量 来计算的 ，其结果需 要 圆整 ，在设计 图纸 中以便 加入公差 ；液压 缸的 活塞直径即缸筒 直径需要 圆整到实际生产中的直 径序列等。参数 圆整后 应进行 2次计算验证 ，以 再次评估软件优化计算的可靠性和准确性。 3应用 3 ． 1 应用实例 现以某型起 重机 的液压缸变 幅机构为例 ，已 知 C ／, 8 0 m m，68 7 5 ． 5 mm，h5 6 0 m m，L 1 3 8 0 0 mm ， R 2 5 0 0 mm ， FG 1 0 2 5 0 k g， Z b 6 5 1 0 mm， i 8 2 。 ，F L 8 5 0 0 0 k g ，倍率 6 ／, o 1 6 ， 叩00 ． 9 7， 0 ． 9 5， 11 ． 0 5，P m-- - 3 2 MPa 。 优 化 计 算 变 幅 液 压 缸 最 大 推 力 得 F m 3 1 3 7 7 3 2 N。此 时 ，c1 8 6 mm，d 一5 8 ． 5 m m 位于回转中心左侧 ，e 5 9 9 ． 9 i n t n ， ／ 4 5 1 0 ． 8 m m； 建议 圆整后应用到实际设计中。 中间量 S 5 6 4 9 8 N， 1 0 ． 0 3 。 ，O t 1 8 ． 4 4 。 ， O A 1 8 9 7 rai n，OB 4 5 6 9 ． 8 mm ，A B 4 9 6 0 ． 5 I n i n。 根 据 液 压 缸 的 推 力 计 算 缸 筒 直 径 D 3 6 4 ． 9 m m，根据 G B ／ T 2 3 4 8 --1 9 9 3液压缸缸 筒 内 径尺寸系列可 圆整为 D3 6 0 m m。额载工作状态 i8 0 。最 大 仰 角 时 液 压 缸 长 度 L 一 1 3 4 9 6 0 m m；水平起臂 状态 0 。 时液压缸长 度 即液压缸安装距 L 2 7 0 7 m m；液压缸工 作行程 A 2 2 5 3 I n n。 3 ． 2 改 进完善 由于软件的专用性 ，在增加液压缸详细参数计 算功能的基础上 ，增加优化 目标 ，在其计算程序代 码编写上采用 了黄金分割一维搜索优化计算方法， 该方法虽然效率高 、数值稳定性好 ，考虑计算精度 及可比较性 ，需要增加其他 的计算方法 ，比如二次 插值法 等 ；程 序 当前采 用 了连续 变量优 化方 法 ， 建议再增加离散变量优化方法 ，以作 优化结果 的 动态 比较 ，满足使用者的多方面设计计算要求 。 4 结论 针对起重机液压缸变 幅机构的设计需求 ，运 用多 目标优 化设 计方法对设计 问题进行分 析 ，建 立数学模 型 ，采用黄金分割一维搜索优 化计算方 法 ，在 D E L P H I 平 台上构架优化计算软件 ，计算程 序根据输入 已知参数进行计算 ，以图形示意 的方 式显示计算结果 ，并 可对 结果进行保存及数据输 出。采用 D L E P H I 平台构建 的起重机液压缸变 幅机 构计算软件具有专用性强 、运算效率高 、准确性 好 的特点 ，是理论 计算机化 的一种新 思路 ，可大 幅减少设计人员 的工作量 ，对起重机变 幅机构及 其部件设计具有很高的现实指导意义。 参考文献 [ 1 ]张质文 ．起重机设计手册 [ M]．北京中国铁道出 版社 ，1 9 9 7 ． [ 2 ]G B ／ T 3 8 1 1 2 【 0 8 起重机设计规范[ S ]． [ 3 ]机械工程手册电机工程手册编辑委员会 ．机械工程手 册 机械设计 基础卷 [ M]．北京 机械工业 出版 社 ，1 9 9 6 ． [ 4 ]机械工程手册电机工程手册编辑委员会 ．机械工程手 册 物料搬运 设 备 卷[ M]．北 京 机 械 工业 出 版 社 ，1 9 9 6 ． [ 5 ]求是科技编著 ． D e l p h i 7程序设计与开发技术大全 [ M]．北京人民邮电出版社，2 0 0 4 ． [ 6 ]雷天觉 ．新编液压工程手册 下[ M]．北京北京 理 工大 学出版社 ，1 9 9 8 ． 作 者 赵殿华 地 址 山东省泰安市 省庄镇 文化路 泰安泰 山工程机 械 股份有 限公 司研发部 邮 编 2 7 1 0 3 9 收稿日期2 0 1 1 0 5 0 5 轨行式起重机动态防风安全装置设计和试验 冯月贵 倪大进 靳慧 1南京市特种设备安全监督检验研究院 南京2 1 0 0 0 2 2东南 大学 南京2 0 0 0 4 1 摘要分析了起重机大车行走机构制动器选择满足设计规范中起重机工作状态抗风防滑安全性要求与起重 机实际作业过程中对制动器制动力要求偏小之间的矛盾，提出了起重机工作状态下抗风防滑性要求的计算新方法， 基于此法设计 出一种新型轨行式起重机动态 防风安全装置 ，进行 了该新型 防风安全装置 的防风制 动能力试 验。 关键词 起重机 ；防风安全装置 ；设计 ；试验 中图分类 号 T H 2 1 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 0 7 8 5 2 0 1 2 0 3 0 0 1 4 04 Ab s t r a c t T h i s p a p e r a n a l y z e s t h e c o n t r a d i c t i o n b e t w e e n t h e a n t i w i n d a n t i s k i d d i n g s e c u r i t y r e q u i r e me n t u n d e r c r a n e wo r k i n g s t a t e s p e c i fie d i n t h e d e s i g n s p e c i fi c a t i o n a n d s ma l l e r b r a k i n g f o r c e r e q u i r e me n t s d u r i n g t h e a c t u a l c r a n e o p e r a t i n g p r o c e s s ．T h e n e w c alc u l a t i o n me t h o d f o r a n t i w i n d a n t i s k i d d i n g r e q u i r e me n t s u n d e r c r a n e w o r k i n g s t a t e i s p u t f o r wa r d ． B a s e d o n t h i s me t h o d，a n e w d y n a mi c a n t i wi n d s a f e t y d e v i c e for t h e r a ft mo u n t e d c r a n e i s d e s i g n e d， a n d t h e a n t i wi n d b r a k i n g a b i l i t y t e s t f o r t h i s n e w an t i wi n d s afe t y d e v i c e i s c a r r i e d o u t ． Ke y wo r d s c r a n e ；a n t i w i n d s a f e t y d e v i c e ；d e s i g n；t e s t 0 1-- 嚣 墨 鉴 鸾 姜 篓 藿 起重机设计 规范规定 了用制 动器制动力来进 于满载 、顺风及下坡状态下运行 的起重机或小 车 一 1 4 一 起重运输机械 2 0 1 2 3