长臂架混凝土泵车油缸连杆系统布局优化.pdf

第 8卷第 1期 2 0 1 0年 3月 中国工程机械学报 C HI IE S E J O U R N A L O F C ON S T R U C T I O N MA C HI N E R Y V0 1 8 No 1 Ma r 2 0 1 0 长臂架混凝土泵车油缸连杆 系统布局优化 张艳伟 ， 石来德 ( 1 武汉理工大学 物流工程学院 ， 湖北 武汉4 3 0 0 6 3 ；2 同济大学 机械工程学 院， 上海2 0 0 0 9 2 ) 摘要 ： 根据混凝土泵车的实际工作情况给出了各节臂架最危险工况下理论受力值的计算方法 ， 应用浮点数编码 的改进型遗传算法对混凝土泵车臂架系统的油缸连杆机构进行优化布局 经仿真模型检验， 得到满足系统运行 特性， 且各节油缸的长度及推力均有明显减小的优化布局方案， 为长臂架混凝土泵车臂架系统的智能设计提供 了理论依据 关键词： 混凝土泵车； 优化设计；系统仿真 ； 遗传算法 中图分类 号 ： T U 6 4 6 文献标 识码 ： A 文章编号 ：1 6 7 2 5 5 8 1 ( 2 0 1 0 ) 0 1 0 0 4 1 0 5 La yo ut o pt i m i z a t i o n on c yl i nde r - r o d s ys t e m f or l o ng - b o o m c o nc r e t e pum p v e hi c l e s G Y a h we i 、，s HI L a i d e 2 ( 1 S c h o o l o f Lo g i s t i c s En g i e e r i n g，Wu h a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y，W u h a n 4 3 0 0 6 3，Ch i n a ； 2 C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， To n g j i U n i v e r s i t y ，S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：Ba s e d o n t h e a c t u a l o p e r a t i o n s o f c o n c r e t e p u mp v e h i c l e s ， t h e c a l c u l a t i o n me t h o d f o r t h e o r e t i c a l l o a d i n g v a l u e s i s p r o p o s e d u n d e r t h e mo s t d a n g e r o u s wo r k i n g c o n d i t i o n s o n d i v e r s e b o o ms Th e n， t h e l a y o ut op t i m i z a t i o n o n t h e c yl i nd e r - r o d me c h a ni s m o f b o o m s y s t e m i s d e v el o p ed u s i ng t h e i mpr o v e d g e ne t i c a l g o r i t h m， v i z ， e n c o d e d b y f l o a t i n g p o i n t n u mb e r Th r o u g h s i mu l a t i o n mo d e l v a l i d a t i o n， t h e o p t i mi z e d l a y o ut op t i o ns a r e o bt a i ne d wi t h o p e r a t i o n a l p r o p er t y s a t i s f a c t i o n a n d s i g ni f i c a nt r e d u c t i o n o f v a r i o u s c yl i nd e r l e n gt hs a nd p r e s s u r e s Fi na l l y， t h i s a pp r o a c h p a ve s a v e n ue f o r i nt el l i ge nt d es i gn o n bo o m s y s t e ms o f c o n- c r e t e - p u mp v e hi c l e s Ke y wo r d s ：c o n c r e t e p u mp v e h i c l e ；o p t i mi z a t i o n d e s i g n；s y s t e m s i mu l a t i o n；g e n e t i c a l g o r i t h m 混凝土泵车是输送混凝土的专用机械 如图 1所示 ， 混凝土输送管沿臂架方 向固定在各节臂架上 ， 各 节臂架的输送管通过 回转接头和相邻臂架 的输送管相连 ， 借助臂架系统 的伸展和 回转可以将混凝土沿管 道连续输送到浇注现场 混凝土泵车在工作过程 中， 臂架姿态多( 如 图 2 ) ， 工况复杂 ， 结构设计要求轻量 化 ， 使得结构布局设计难度大 对混凝土泵车臂架系统特别是长臂混凝土泵车臂架系统进行全面研究 ， 具 有重要的工程意义和应用价值 目前国内的学者对混凝土泵车的研究主要有 1 q ： 臂架多体动力学模 型、 臂架 系统的动态特性 、 结构 疲劳寿命和可靠性分析 、 臂架系统浇筑过程的轨迹规划问题等 各项研究为混凝土泵车的设计 、 制造、 施工 过程的 自动化和机器人化提供了理论参考 今后对混凝土泵车的研究将集 中在结构轻巧化 、 施工 自动化、 工作范围宽广化等方面 本文以 4 2 m四节 R型混凝土泵车为研究对象 ， 建立 了臂架 系统油缸连杆机构的 优化数学模型 ， 通过仿真 ， 全面 系统地研究 了油缸连杆机构 的优化约束条件 对一种 自适应概率搜索算 法遗传算法进行 了改进 ， 引入了倒位算子， 将变异和倒位两种操作混合成“ 扰动” 操作作用于染色体 ， 基金项 目：上海海 事大学 工程重点学科 开放基金资助项 目 作者简介 ：张艳伟 ( 1 9 7 7一) ， 女 ， 副教授 ， 工学博士 E ma i l ： z y wt g s i n a c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中国工程机械学报 第 8卷 以增加群体的多样性 针对遗传算法局部搜索能力较差的缺点， 在保存最优个体的前提下， 采用转盘式选 择策略和锦标赛选择策略隔代交替使用， 形成混合选择算子 ， 适当减小选择压力 ， 有利于全局搜索 将改进 后的遗传算法应用到混凝土泵车臂架油缸连杆系统的优化布局设计中， 取得 了良好的效果 图 1 混凝土泵车臂架 系统 Fi g 1 Bo o m s y s t e m o f c o n c r e t e p u m p 图 2 混凝土泵车臂 架姿态和工作范 围 Fi g 2 Co n c r e t e p u mp S b o o m p o s t u r e 图 3 优化数学模型坐标系统 Fi g 3 M a t h e m a t i c al mo d e l S c o o r d i n a t e s y s t e m 1 1 设计变量 第 1 节臂架设计变量 ： X =( A ， Y A， B ， Y B ) 式 中： A ， X B和 A ， B分别表示局部坐标系 l 01 Y i 中 A， B两点 的横坐标和纵坐标 同理， 第 2节臂架设计变量为 X。 =( ， Y ， ， Y 。 ， ， Y ， s ， Y e ) ； 第 3节臂架的设计变量为 X3 ： ( 7 ， Y 7 ， 8 ， Y 8 ， l o ， Y 1 0 ， 1 3 ， Y 1 3 ) ； 第 4节臂架的设计变量为 X4 ( X 1 4 ， Y 1 4 ， X 1 5 ， 1 5 ， X 1 7 ， Y 1 7 ， X 1 9 ， Y 1 9 ) 1 2 约束条件 ( 1 )边界约束 ： 边界约束又称区域约束 ， 用来限制设计变量的变化范 围 由于各节臂架 的外形尺寸及 折叠状态在优化前 已基本确定， 可以在确保结构合理和臂架折叠后不干涉的前提下初步确定各变量的上 下 限 ( 2 )性态约束 ： 性态约束又称性能约束 ， 它是由系统的某种性能或设计要求推导出来的设计变量的函 数方程 从设计要求 出发 ， 仅以一般臂架 间连接系统( 如图 4 ) 为例给出性态约束 图 5为性态约束条件计算简 图， 一旦点 A， C， D 的位置在图 3所示的坐标系统 中被确定 ， 图 5中的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 张艳伟 ， 等 ： 长臂架混凝土泵车油缸连杆系统布局优化 ， ， ，d， e ， f均为定值 ， 即它们是设计变量 X的函数 ， 与臂架伸展角 卢 无关 图 5中的点 B随臂架展 开角卢 的变化而变化 ， 在 卢 为 1 8 0 。 时， 点 B与图 3中的点 4 ， 1 0 ， 1 7对应 ， 即 B点在 p 为 1 8 0 。 时的位置 由 设计变量确定 ， 此时可确定两连杆的长度 b ， C的值 连杆 的长度一旦确定不 会随臂架伸展角 的变化 而 变化 按以下方法可求出油缸长 U关于变量 和臂架展 开角 的表达式 ： 油缸长可表示成 a， b ， C ， d， e ， f及臂架展开角 的函 数 而 a， b ， C ， d， e ， ，又是变量 X 的函数 ， 所 以油缸长 的通 式可表示为 Ut= T( 8 1 ， X ) ( 1 ) 式中： i =1 ， 2 ， 3 ， 4 ， 表示第 1 ， 2 ， 3 ， 4节油缸 由于油缸长随臂架展开角的增大而增大 ， 即 U为8 的 单调递增函数 ， U的最小值 为油缸完全收缩后 的原长 ， 最大 值为行程最大时的油缸总长 ， 则 U = T i ( n 一 ， X ) ， U = Ti ( p n ， Xi ) ( 2 ) 图 4 臂架 间连接 系统 F i g 4 Li n k a g e b e t we e n a d j a c e n t b o o ms 式 中： 卢 f l 为臂架最大展开角 一般第 1节臂为 9 0 。 ， 第 2 ， 3节臂为 1 8 0 。 ， 第 4节臂为 2 4 0 。 ； 卢 为臂架系 统折叠后 ， 各节臂架的相对夹角 ， 优化前已确定 下面从三方面分析混凝土泵车臂架系统的性态约束 ： a 油缸行程 S=U 一 一U ， 考虑到油缸的结构特点 ， 油缸原长 U 中， 包含一段长为 的缸体端部 和支承铰点结构 ， 所 以油缸行程 S不得大于( ) 即： 必须使( U一 一【 ， ) ( 一 ) 成立 b U只能接近并小于 a和 b的和， 而不可能等于 a和 b的和 所 以， 若设 U=a+b时 ， 对应的臂架 展开角为 一 ， 且两臂架的最大相对夹角为 卢 一 则必须使 一 一 若 19 一 ， 表明臂架不能达到 最大展开角 c 如图 5所示 ， 由于臂架 b展开时始终受连杆 推力 ， 所 以必须使 卢 s ， 才能保证连杆 B D相对 臂架铰点E有逆时针力矩产生 ， 从而平衡臂架系统 的顺时针力矩 综上所述， 混凝土泵车臂架系统的性态约束为 f 一 + 2 U m i n 1 一 一 ( 3 ) l i 5 j 有关 Si 一= U 一一 【 厂 m jn= h ( X ) ， i = 1 ， 2， 3， 4 ( 6 ) 2 改进遗传算法的具体实现 2 1 编码方法 本研究采用浮点编码 ， 变量值在其上下限范围内随机产生 编码简单直观， 大大缩短了个体长度 ； 个体 中各基 因编码相对独立 ， 便于对个体进行杂交和变异等操作 2 2 适应函数的定义 加速适应函数能明显区别个体之间的差别 ， 为此本文采用如下的加速适应函数 ： F( X)= ( 厂 n 一， ( X) ) ( _， 一 ) ( 7 ) 式中： 厂 ( X) ， F( X) 分别为被评价个体的 目标函数值和适应 函数值 ； _ ， -厂 咄分别为当前代 中 目标 函数的 最小值和最大值 ， 厂 ( X) 衄x 显然 ， F( X) E E o ， 1 2 3 遗传算子的设计 为了平衡选择压力 ， 避免过早收敛或频繁在非有效 区 ， 三 ： ： 三 ： ： 域内 无 效 搜索， 对遗传 算法的选择算子进行改进， 采用转 f 群 体 、 L _ _ J 盘式选择策略和锦标赛选择策略隔代交替使用， 具体操作 L 1 ! 三 竺 如图 7所示 另外 ， 杂交算子采用部分算术杂交 ； 在变异算L_J 子的基础上增加倒位算子进行变异操作 图7 混合选择算子 2 4 算法终止条件 F i g Mi x e d s e l e c t i o n o p e r a t o r 设遗传代数为 T， 当 T 5 0 0代时， 利用数据可视化技 术 ， 观察各代最优个体的变换情况 ， 若连续 5 0 代 目标 函数值几乎不变 ， 则停止运算 否则， 运算至 T5 0 0 代时 ， 终止运算 3 优化结果与臂架伸展检验 为检验优化后臂架系统折叠、 伸展过程中是否发生结构干涉， 以设计变量的优化结果为参数 ， 对臂架 系统从折叠状态到完全展开的整个过程进行仿真 若干涉 ， 适 当变动相应变量的上下限，重新优化 ， 到优 化结果可行为止 经仿真检验后无干涉、 满足臂架系统各工况作业要求的优化结果为油缸连杆系统的最优 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 张艳伟 ， 等 ： 长臂架混凝 土泵车油缸连杆系统 布局优化 布局方案 表 1所示为优化方案对应的臂架伸展极限状态 ， 表 2为优化布局方案与优化前各油缸推力及行 程的比较情况 由表 2可知 ， 优化后油缸的推力和最大行程 时的油缸全长均有减小 ， 说 明该数学模型和优 化方法是有效 的 表 1 优化 布局方案臂架伸展状况 Tj l b 1 Bo o n l 8u l t i ma t e s t a t e s u n d e r t h e o p t i ma l s c h e me 参考文献： 戴丽 ， 刘杰 ， 刘 宇， 等 基 于多体动力学 的混凝土泵车臂架的运动分析 J 东北大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 0 7 ， 2 8 ( 1 0 ) ： 1 4 6 9 1 4 7 2 D A I L i ， L I U J i e ， L I U Y u ， e t a 1 Ki n e ma t i c a n a l y s i s b a s e d o n mu l t i b o d y d y n a mi c s f o r p l a c e r j i b o f c o n c r e t e p u mp t r u c k J J o u r n a l o f No r t he a s t e r n Un i v e r s i t y： Na t u r a l S c i e n c e ， 2 0 0 7， 2 8( 1 0) ： 1 4 6 91 4 7 2 刘 杰， 戴丽 ， 赵丽娟 ， 等 混凝土泵车臂架柔性多体动力学建模与仿真I- J 机械工程学报 ，2 0 0 7 ， 4 3 ( 1 1 ) ： 1 3 1 1 3 5 L I U J ie ， D A I L i ， Z H A0 L i j u a n ， e t a 1 Mo d e l i n g a n d s i mu l a t i o n o f f l e x i b le mu l t i b o d y d y n a mi c s o f c o n c r e t e p u mp t r u c k a r m J C h i n e s e J o u r n a l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 7 ， 4 3 ( 1 1 ) ： 1 3 11 3 5 张大庆， 吕彭民， 何清华， 等 混凝土泵车结构动强度试验研究 J 振动与冲击， 2 0 0 5 ， 2 4 ( 3 ) ： 1 1 1 1 1 3 Z H A N G D a q i n g ， L V P e n g m i n ， H E Q i n g h u a ， e t a 1 E x p e r i m e n t a l r e s e a r c h o n s t r u c t ura l d y n a m i c s t r e ngth o f a c o n c r e t e p u m p a u t o J J o ur n a l o f Vi b r a t i o n a n d S h o c k， 2 0 0 5， 2 4( 3) ： 1 1 11 1 3 张艳伟 ， 孙 国正 混凝土泵车臂架系统优化及仿真I- J 武汉理工大学学报 ： 交通科学与工程版 ， 2 0 0 2 ， 2 6 ( 2 ) ： 2 4 62 4 8 Z HA N G Y a n we i ， S U N G u o z h e n g O p t i mi z a ti o n a n d s imu l a ti o n o f c o n c r e t e p u mp S b o o m s y s t e m J J o u r n a l o f Wu han U n iv e r s i t y o f T e c h - n o l o g y： Tr a n s p o r t a t i o n S c i e n c e En g i n e e r i n g， 2 0 0 2， 2 6( 2 )： 2 4 62 4 8 张艳伟 ， 佟力 ， 孙 国正 基 于 A N S Y S的混 凝土 泵 车臂 架结 构分 析研 究 J 武汉 理 工 大学 学 报 ： 交 通 科学 与 工程 版 ， 2 0 0 4， 2 8( 4 ) ： 5 3 65 3 9 Z H A N G Y a n w e i ， T O N G L i ， S U N G u o z h e n g A s t r u c t ure a n a l y s i s o f c o n c r e t e p u m p S b o o m b a sed o n a n a l y s i s J J o urn a l o f Wu h a n U n i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y： Tr a n s po r tat i o n Sc i e n c e& En g i n e e r i ng ， 2 0 0 4， 2 8( 4 )： 5 3 65 3 9 张艳伟 ， 孙国正 ， 石来 德 混凝土泵 车支腿 反力计算及基 于 A N S Y S的支腿结 构分析 I- J 中国工程机械学报 ， 2 0 0 4， 2 ( 3 ) ： 2 5 32 5 8 Z H A NG Y a n we i ， S UN G u o z h e n g ， S HI L a i d e A c o u n t e r cal c u l a t i o n a n d s tr u c t u r e a n a l y s i s me t h o d o n c o n c r e t e p u mp s s tab i l i z e r s J C h i - n a s a J o u r n a l o f C o n s tr u c t i o n Ma c h i n e r y ， 2 0 0 4 ， 2 ( 3 ) ： 2 5 32 5 8 王绍华 ， 于洪思 ， 佟杰新 ， 等 混凝土泵车臂架连杆机构参数 的优化 J 沈 阳建筑工程学 院学报 ， 1 9 9 9 ， 1 5 ( 1 ) ： 7 37 6 WA NG S h a o h u a ， Y U Ho n g s i ， T O N G J i e x i n ， e t a 1 P a r a me t e r o p ti mi z a t i o n u pon a r ms o f t r u c k mo u n t e d c o n c r e t e mix e r J J o u r n a l o f S h e n y a n Ar c h i t e c t u r e a n d Ci v i l En g i n e e r i n g I n s t i t u t e， 1 9 9 9， 1 5( 1 )： 7 37 6 郭泳梅 ， 郭立新 ， 张 国忠 混凝土泵车布料机构系统有限元建模及其动态分析I- J 建筑机械 ， 1 9 9 9 ( 1 2 ) ： 4 64 8 G U 0 Y o n g m e i ， G U O L i x i n ， Z H A N G G u o z h o ng A f i n i t e e l e m e n t m o d e l a n d a d y n a m i c a nal y s is m e th o d o f c o n c r e t e p u m p s a rms J C o n s t r u c t i o n Ma c h i n e r y， 1 9 9 9( 1 2 )： 4 64 8 郭立新， 张国忠， 李景坤 混凝土泵车布料机构运动学分析及轨迹规划控制建模与仿真 J 建筑机械， 2 0 0 0 ( 4 ) ： 2 9 3 2 GU 0 L i x i n ， Z H A NG Gu o z h o n g ， L I J i n g k u n A mo d e l i n g a n d s i mu l a t i o n me thod f o r p la n n i ng a n d c o n t r o l i ng c o n c r e t e p u mp a r ms mo t i o n I- J Con s t r u c t i o n Ma c h i n e r y ， 2 0 0 0 ( 4 ) ： 2 93 2 口 l!J 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m