一种高空作业车变幅机构三铰点位置优化方法与流程

本发明涉及高变幅机构铰点位置设置领域，具体涉及一种高空作业车变幅机构三铰点位置优化方法。

背景技术：

高空作业车的变幅机构的作用是改变高空作业车的起升幅度。变幅机构铰点的合理布置对高空作业车的工作性能、结构的紧凑型、工作的稳定性有着直接影响，因此，需要对三铰点的位置进行优化。变幅机构的三铰点具体位置如图1中的o、a、b所示，其中，o点为基本臂与底座的连接铰点，a点为变幅液压缸基与底座的连接铰点，b点为基本臂与变幅液压缸的连接铰点。目前，变幅机构铰点位置的优化方式一般利用简化的数学模型进行解析计算，忽略一些次要因素，设计过程低效繁琐，利用优化软件则需要对操作人员有一定的编程知识，难度较大。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高空作业车变幅机构三铰点位置优化方法，无需编程，即可对变幅机构铰点的位置进行优化，大大简化了计算过程。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高空作业车变幅机构三铰点位置优化方法，依次包括以下步骤：

(1)确定设计变量：对影响铰点位置的坐标和其他物理量进行参数化，将这些参数化后的量作为设计变量输入adams软件中，在adams软件中根据这些变量设计虚拟样机模型；

(2)验证该虚拟样机模型是否正确，若正确，则进入步骤(3)，若不正确，则返回步骤(1)重新对变量进行参数化，并设计虚拟样机模型；

(3)确定目标函数：将液压缸受力的最大值最小与液压缸受力波动最小作为目标函数，液压缸受力波动表示液压缸受力最大值与最小值的差；

(4)确定约束条件：三个铰点的位置需满足布置空间的尺寸限制约束、空间几何规律约束、起升液压缸结构尺寸约束、起升液压缸安装尺寸约束、起升液压缸的刚度约束及伸缩臂截面的强度约束；

(5)将上述目标函数和约束条件输入adams软件中，对该虚拟样机模型中的三铰点位置进行优化。

优选的，所述步骤(1)中，设计完虚拟样机模型后，在底座上添加固定副，对底座进行固定约束，在液压缸与基本臂之间添加旋转副，在液压缸与底座之间添加旋转副，在液压缸筒与液压缸杆之间施加圆柱副，并对该圆柱副添加驱动。

优选的，所述步骤(4)中，各个约束条件如下：

①布置空间的尺寸限制约束：

ximin≤xi≤ximax(i＝1,2,3，…，n)(1)

上式中，n表示设计变量的个数，xi表示设计变量值，ximin和ximax分别表示设计变量的上限和下限；

②空间几何规律约束：

令b点在两个极限位置分别记为b1和b2，在伸缩臂的从最初位置到最高位置的起升过程中，o、a、b分别构成三角形，并将在初始位置和最高位置的三角形分别记为三角形oab1和三角形oab2，在这两个三角形中需符合以下几何约束：

③起升液压缸结构尺寸约束：

在变幅过程中，液压缸的最大长度ab2和最小长度ab1之比记为λ，λ需要满足：

n1≤λ≤n2(3)

上式中，n1和n2分别表示为液压缸伸缩比的上限值和下限值，该值可查询产品手册确定；

④起升液压缸安装尺寸约束：

为了有足够安装空间保证液压缸的安装，起升液压缸的最大长度ab2和最小长度ab1的差、起升液压缸完全收缩时的尺寸ab1和液压缸筒与液压缸杆重叠部分δ需要满足如下约束条件：

ab2-ab1≤ab1-δ(4)

上式中，δ与所选取的液压缸的类型有关系，可由厂家提供的结构参数上获取；

⑤起升液压缸的刚度约束：

液压缸的刚度约束可以表达为：

fmax(x)≤fr/nk(5)

上式中，nk表示安全系数，此处取nk＝3.5；fr表示失稳的临界压力(n)；下标k和r均为区分作用，并为变量；

⑥伸缩臂截面的强度约束：

根据力学分析可知，臂架的最危险截面出现在变幅液压缸与基本臂的铰点支撑处，对该截面的几何中心点取矩可得：

m1＝g(l4-l3)cosα+q(l5-l3)cosα-m(6)

其中，m1表示危险截面到臂架几何中心点的力矩，g表示臂体的重量，q表示载荷重量，m表示载荷相对于工作斗铰点的力矩，l3表示危险截面到主铰点的距离，l4表示臂体重心到主铰点的距离，l5表示工作斗铰点到主铰点的距离；

故伸缩臂截面的强度约束条件可以表达为：

上式中，w表示危险截面的抗弯截面系数(mm³)，[σ]表示材料的许用应力(mpa)。

本发明利用优化程序对变幅机构的三铰点位置进行优化，从而在高空作业车动态升起的过程中，降低液压缸受力极值及受力波动值，延长了液压缸的使用寿命，增加变幅机构的紧凑型和平稳性，既摆脱了传统解析计算的低效繁琐，又不需要编程，从而简化了计算过程，大大提高了该优化方法的可操作性。本发明适用于所有具有变幅机构，包括但不限于高空作业车、高空作业平台和起重机。

附图说明

图1为本发明所述高空作业车变幅机构的三铰点位置示意图；

图2为本发明的流程图；

图3为本发明所述虚拟样机模型的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他所有实施例，都属于本发明的保护范围。

如图2及图3所示，本发明公开了一种高空作业车变幅机构三铰点位置优化方法，依次包括以下步骤：

(1)确定设计变量：设计变量包括所有影响铰点位置的坐标和其他物理量。

(2)对影响铰点位置的坐标和其他物理量进行参数化，将这些参数化后的量作为设计变量输入adams软件中，并在adams软件中根据这些变量设计虚拟样机模型。

如图3所示，设计完虚拟样机模型后，在底座上添加固定副4，对底座进行固定约束，在液压缸与基本臂之间添加旋转副1，在液压缸与底座之间添加旋转副3，在液压缸筒与液压缸杆之间施加圆柱副2，并对该圆柱副2添加驱动。

(3)验证该虚拟样机模型是否正确，若正确，则进入步骤(4)，若不正确，则返回步骤(2)重新对变量进行参数化，并设计虚拟样机模型。

(4)确定目标函数：将液压缸受力的最大值最小与液压缸受力波动最小作为目标函数，液压缸受力波动表示液压缸受力最大值与最小值的差；

(5)确定约束条件：三个铰点的位置需满足布置空间的尺寸限制约束、空间几何规律约束、起升液压缸结构尺寸约束、起升液压缸安装尺寸约束、起升液压缸的刚度约束及伸缩臂截面的强度约束，具体为：

①布置空间的尺寸限制约束：

ximin≤xi≤ximax(i＝1,2,3，…，n)(1)

上式中，n表示设计变量的个数，xi表示设计变量值，ximin和ximax分别表示设计变量的上限和下限；

②空间几何规律约束：

如图1所示，o、a两个点的位置不随作业臂变幅运动而变化，b点位置随着作业臂的起升位置变化而变化，这样的结果就会导致三个铰点的相对位置发生改变，此处令b点的两个极限位置分别为b1和b2，在伸缩臂的从最初位置到最高位置的起升过程中，o、a、b分别构成三角形，并将在初始位置和最高位置的三角形分别记为三角形oab1和三角形oab2，在这两个三角形中需符合以下几何约束：

③起升液压缸结构尺寸约束：

由于变幅液压缸自身结构的限制，在变幅过程中，液压缸的最大长度ab2和最小长度ab1之比应满足一定的条件，这个比值称为液压缸伸缩比，记为λ，λ需要满足：

n1≤λ≤n2(3)

上式中，n1和n2分别表示为液压缸伸缩比的上限值和下限值，该值可查询产品手册确定；

④起升液压缸安装尺寸约束：

为了有足够安装空间保证液压缸的安装，起升液压缸的最大长度ab2和最小长度ab1的差、起升液压缸完全收缩时的尺寸ab1和液压缸筒与液压缸杆重叠部分δ需要满足如下约束条件：

ab2-ab1≤ab1-δ(4)

上式中，δ与所选取的液压缸的类型有关系，可由厂家提供的结构参数上获取；

⑤起升液压缸的刚度约束：

液压缸的受力模型可以视为一个受压细长杆，细长杆最常见的失效形式为失稳，所以需要加上约束条件来防止这类情况的发生，液压缸的刚度约束可以表达为：

fmax(x)≤fr/nk(5)

上式中，nk表示安全系数，此处取nk＝3.5；fr表示失稳的临界压力(n)，下标k和r均为区分作用，并为变量。

⑥伸缩臂截面的强度约束：

根据力学分析可知，臂架的最危险截面出现在变幅液压缸与基本臂的铰点支撑处，对该截面的几何中心点取矩可得：

m1＝g(l4-l3)cosα+q(l5-l3)cosα-m(5)

其中，m1表示危险截面到臂架几何中心点的力矩，g表示臂体的重量，q表示载荷重量，m表示载荷相对于工作斗铰点的力矩，l3表示危险截面到主铰点的距离，l4表示臂体重心到主铰点的距离，l5表示工作斗铰点到主铰点的距离。

故伸缩臂截面的强度约束条件可以表达为：

上式中，w表示危险截面的抗弯截面系数(mm³)，[σ]表示材料的许用应力(mpa)。

(6)将上述目标函数和约束条件输入adams软件中，对该虚拟样机模型中的三铰点位置进行优化。

在adams软件中对该虚拟样机模型中的三铰点位置进行优化的过程为现有技术，不再赘述。

本发明利用优化程序对变幅机构的三铰点位置进行优化，从而在高空作业车动态升起的过程中，降低液压缸受力极值及受力波动值，延长液压缸的使用寿命，无需编程，即可对变幅机构铰点的位置进行优化，大大简化了计算过程。