（机械设计及理论专业论文）臂桥架集装箱起重机变幅机构优化设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 岸边集装箱起重机主要有两大类型：桥式起重机与门座起重机。桥式 起重机装卸效率高、工作范围大，但是造价高。门座起重机装卸效率低、工 作范围小，但是造价和维护成本低。臂桥架起重机结合了桥式起重机和门座 起重机的优点，装卸效率高、工作范围大，而且造价和基础土建费用低，其 优越性非常显著。臂桥架变幅系统又是其核心技术。系统设计的优劣直接影 响到整机的性能。正因为如此，有必要对变幅系统进行优化设计。 惩罚函数算法 s e q u e n t i a lu n c o n s t r a i n e dm i n i m i z a t i o nt e c h n i q u e ， 简称s u m t ，即序列无约束极小化方法。它的基本思想是将约束优化问题中 的不等式约束和等式约束经过加权转化后，和原目标函数结合形成新的目标 函数一惩罚函数。这样我们就把一个有约束的优化问题转化为一系列的无约 束优化问题。然后就可以用求解无约束优化问题的最优解方法进行求解。所 得到的最优解序列将逐步逼近原问题的最优解。 本文以新型的臂桥架岸边集装箱起重机变幅机构组合式货物水平位移 补偿系统的模型为研究对象，建立了吊重水平落差最小的数学模型。分析了 影响货物水平性的主要因素及这些因素对影响的显著性，探讨了影响货物水 平性的变化趋势与规律，研究了平移滑轮组的位置对补偿效果的影响。结合 臂桥架变幅系统的具体数学模型和各种优化设计方法的适用范围与易用性， 决定采用惩罚函数算法对模型进行优化设计。结合d e l p h i 语言的可视化集 成开发环境，编制了实用的优化设计和检验程序。该程序界面友好，易于修 改参数，使用者可以方便快速的进行反复优化设计与检验。 本文研究成果主要体现在以下几个方面： 1 首次结合新型的臂桥架岸边集装箱起重机变幅机构的设计，实现了 组合式吊重水平位移补偿系统模型的吊重水平落差最小的优化设计问题，为 变幅机构的设计和检验提供了正确有效的设计理论与方法。 2 根据变幅机构货物水平位移补偿系统的原理和特点，确定了数学模 型中的设计常量和设计变量，使得数学模型更加准确和完善。通过实例验证 了影响货物水平性的主要因素对其影响的显著性，以及影响货物水平性的变 化趋势与规律。推测并通过试验数据验证了平移滑轮组的位置对补偿效果没 有任何影响。 3 根据臂桥架变幅系统具体的数学模型，选用惩罚函数算法对它进行 了优化，同时运用d e l p h i 语言编制了通用的优化设计和检验程序，为变幅 机构的设计和检验提供了一个高效实用的工具。 【关键词】变f 晤机构、优化设计、惩罚函数法、臂桥架、d e l p h i 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e r ea r et w om a i nk i n d so f p o r tc o n t a i n e rc r a n e s ：t h eb r i d g ec r a n ea n dt h e b r a c h i a lc r a n e t h eb r i d g ec r a n eh a sh i g he f f i c i e n c yo nl o a d i n ga n du n l o a d i n g c o n t a i n e r s ，i th a sal a r g ew o r k i n gr a n g ea sw e l l t h eb r a c h i a lc r a n eh a sl o w e r e f f i c i e n c ya n ds m a l l e rw o r k i n gr a n g et h a n t h eb r i d g ec r a n e b u tt h eb r i d g ec r a n e i sm u c hm o r ee x p e n s i v et om a n u f a c t u r ea n dm a i n t a i nt h a nt h eb r a c h i a lc r a n e t h en e w t y p e o fc r a n e 一一t h e b r i a c h i a l b r i d g ec r a n e ，w h i c h c o m b i n e st h e a d v a n t a g e so f t h et w o t y p e so f c o n t a i n e rc r a n e s ，h a sh i g he f f i c i e n c yo nl o a d i n g a n du n l o a d i n gc o n t a i n e r sa n dl a r g ew o r k i n gr a n g e s ot h i sn e wk i n do fc o n t a i n e r c r a n eh a sg o o ds u p e r i o r i t y a n dt h eb r i a c h i a l b r i d g el u f f i n gm e c h a n i s mi n c l u d e s t h ec o r et e c h n o l o g yo ft h ec r a n e t h er e s u l to ft h em e c h a n i s md i r e c t l ye f f e c tt h e r e s u l to ft h ew h o l ec r a n ed i r e c t l ya n dr e m a r k a b l e s oi ti sn e c e s s a r yt oo p t i m i z e t h el u f f i n gn a e c h a n i s m s e r i o u s l y s e q u e n t i a l u n c o n s t r a i n e dm i n i m i z a t i o n t e c h n i q u e i sa ni n d i r e c t o p t i m i z a t i o nm e t h o d t h e m a i ni d e ao ft h i sm e t h o di st ot r a n s f e ra no p t i m i z a t i o n p r o b l e mw h i c h h a sc o n s t r a i n t si n t oa no p t i m i z a t i o np r o b l e mw i t h o u tc o n s t r a i n t s b ya d d i n gt h ec o n s t r a i n t st ot h ee n d o ft h eo p t i m i z a t i o n p r o b l e m i nac e r t a i nr u l e t h e nw ec a nu s et h eu s u a lt e c h n i q u ew h i c hc a no n l ys o l v et h eo p t i m i z a t i o n p r o b l e mw i t h o u tc o n s t r a i n t st os o l v et h eo p t i m i z a t i o np r o b l e mw i t hc o n s t r a i n t s i ft h ea d d i t i o n a li t e m sa c c o r dw i t l lt h ec o n s t r a i n t s 。t h ea d d i t i o n a ii t e r n sa r e u s e l e s s ，o rt h e yw o u l db e “p u n i s h e d ”a n da f f e c tt h er e s u l to f t h ep r o b l e m i nt h i sp a p e r ，t h eo p t i m i z a t i o no ft h el u f f i n gs y s t e mo ft h eb r a c h i a l b r i d g e p o r t a l c o n t a i n e rc r a n ew i t hc o m b i n e d c o m p e n s a t i n gp u l l e y i ss t u d i e d c o m b i n i n gt h ed e s i g no fp o r t a lc r a n el u f f i n gm e c h a n i s m ，t h i sp a p e rs e t su pt h e m a t hm o d e lo ft h el u f f i n gs y s t e mo ft h eb r a c h i a l - b r i d g ec o n t a i n e rc r a n ew i t h c o m b i n e dc o m p e n s a t i n gp u l l e y t h i sp a p e ra n a l y s e st h em a i nf a c t o r sw h i c hh a s t h ep r o m i n e n ti n f l u e n c eo nt h eh o r i z o no ft h ec o n t a i n e r ，d i s c u s s e st h ec h a n g i n g d i r e c t i o na n do r d e r l i n e s so ft h ei n f l u e n c eb yt h ef a c t o ra n dr e s e a r c h e st h e i n f l u e n c et ot h ec o m p e n s a t i n ge f f e c tb ym o v i n gt h ep u l l e yb l o c k a c c o r d i n gt o t h e i d i o g r a p h i c m a t hm o d e lo ft h e b r a c h i a l b r i d g el u f f i n gs y s t e m a n dt h e a p p l y i n gr a n g ea n ds p e c i a l t yo fm a n y k i n d so f o p t i m i z a t i o nm e t h o d s ，d e c i d e s t o i i 武汉理工大学硕士学位论文 u s es e q u e n t i a lu n c o n s t r a i n e dm i n i m i z a t i o nt e c h n i q u et o o p t i m i z et h em o d e l c o m b i n i n gw i t ht h ev i s u a li n t e g r a t i o ne x p l o d ee n v i r o n m e n to fd e l p h il a n g u a g e ， c o m p i l e st h ef e a s i b l eo p t i m i z a t i o nd e s i g na n di n s p e c t i o np r o g r a m t h ep r o g r a m h a s f r i e n d l y i n t e r f a c ea n d e a s y t o m o d i f y t h eu s e r o ft h e p r o g r a m c a l l r e p e a t e d l yo p t i m i z ea n di n s p e c tt h ep r o b l e mc o n v e n i e n t l ya n dr a p i d l y t h e r ea r et h r e em a i nf r u i to ft h ep a p e ra sf o l l o w s ： 1 f o rt h ef i r s tt i m e ，c o m b i n i n gw i t ht h el u f f i n gm e c h a n i s mo ft h en e w t y p eo fb r a c h i a l b r i d g ec o n t a i n e rp o r t a lc r a n e ，a c h i e v e st h eo p t i m i z a t i o no f t h e c o m b i n e dc o m p e n s a t i n gp u l l e y s y s t e m a n dt h ep a p e rs u p p l i e s a r i g h t a n d e f f i c i e n td e s i g nt h e o r ya n dm e t h o df o rt h ed e s i g na n di n s p e c t i o no ft h el u f f i n g m e c h a n i s mo ft h ec r a n e 2 a c c o r d i n gt ot h et h e o r ya n dc h a r a c t e ro ft h ec o m b i n e dc o m p e n s a t i n g p u l l e ys y s t e m ，c o n f i r m st h ec o n s t a n t sa n d t h ev a r i a b l e so ft h em a t hm o d e l t h i s m a k e st h em a t hm o d e lm o r ep r e c i s ea n d p e r f e c t t h ee x p e r i m e n td a t ap r o v e t h a t t h em a i nf a e t o r sd oh a v et h ei n f l u e n c eo nt h eh o r i z o no ft h ec o n t a i n e ra n ds h o w t h ec h a n g i n gd i r e c t i o na n do r d e r l i n e s so ft h ei n f l u e n c eb yt h ef a c t o r s t h i sp a p e r c o n f e r sa n dv a l i d a t e s t h r o u g h t h ee x p e r i m e n td a t at h a ti th a sn oi n f l u e n c et ot h e c o m p e n s a t i n g e f f e c tb y m o v i n g t h ep u l l e yb l o c k 3 a c c o r d i n gt ot h ei d i o g r a p h i cm a t hm o d e lo ft h eb r a c h i a l b r i d g el u f f i n g s y s t e m ，u s es e q u e n t i a lu n c o n s t r a i n e dm i n i m i z a t i o nt e c h n i q u et oo p t i m i z et h e m o d e l u s ed e l p h il a n g u a g et o c o m p i l et h ef e a s i b l eo p t i m i z a t i o nd e s i g na n d i n s p e c t i o np r o g r a m ，t h i sp r o g r a ms u p p l i e sa l le f f i c i e n ta n df e a s i b l et o o lf o rt h e o p t i m i z a t i o nd e s i g no f t h el u f f i n gm e c h a n i s mo ft h eb r a c h i a l b r i d g ec r a n e 【k e yw o r d l u f f i n gm e c h a n i s m ，o p t i m i z a t i o nd e s i g n ，s e q u e n t i a lu n c o n s t r a i n e d m i n i m i z a t i o n t e c h n i q u e ，b r a c h i a l b r i d g e ，d e l p h i i i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的目的和意义 集装箱运输的迅猛发展和强大的生命力已经促成一场运输革命，改变了港 口装卸设备和装卸工艺的传统格局。岸边集装箱起重机作为码头前沿进行岸边 集装箱作业的装卸设备，其性能的优劣在很大程度上决定了集装箱码头的装卸 效率。目前，岸边集装箱起重机主要有两大类型：桥式起重机与门座起重机。 岸边集装箱桥式起重机由于装卸效率高、工作范围大已成为岸边集装箱起重机 的主要机型；而门座起重机装卸效率低、工作范围小，但是造价低，仍然被用 于集装箱装卸。基于门座起重机和桥式起重机装卸集装箱的特点，结合门座起 重机和桥式起重机的优点，研究一种新型的岸边臂桥架式集装箱起重机。该起 重机的臂桥架变幅系统是它的核心技术。 1 1 1 门座起重机装卸集装箱的局限性”2 心1 门座起重机用于集装箱装卸时，主要具有以下的局限性： l i 工作速度：门座起重机的起升、变幅和回转机构的速度相对于岸边集装 箱起重机而言较慢。门座起重机在空载时起升( 下降) 速度约为满载起升( 下降) 速度的2 倍。空载时速度大概为5 0 m m i n ，变幅速度大概为6 0 m m i n ，回转速度 大概为i r p r n 。而岸边集装箱起重机的起升速度满载时大概为5 0 m m i n ，空载时 大概为1 2 0 m m i n 。岸边集装箱起重机夫人小车行走速度一般为1 5 0 m m i n 。 2 工作范围：门座起重机的最大幅度通常在4 0 m 左右，岸边集装箱起重机 的外伸距最大可达7 0 m 以上。门座起重机的最大幅度r m a x 受到限制不能太大， 而最小幅度r m i n 却不小，所阱工作范围较小。而桥式起重机工作范围较大。 3 工作方式：门座起重机由挂箱、起升、变幅、回转、下降、脱箱以及空 载返回构成一个工作循环，完成集装箱在船舶至起重机轨道前方的装卸箱处的 运行。起丹、变幅、回转为工作性机构，运行机构为非工作性机构，运行机构 主要用于起重机于集装箱在船长方向的对位。有的门座起重机装有吊具旋转机 构。在臂架回转的同时，吊具旋转机构使得集装箱及吊具反向等速旋转，始终 保持集装箱的长度方位于起重机轨道平行。但是与桥架类超重机相比，多了一 武汉理工大学硕士学位论文 个回转的工作环节，故要求司机具有较高的操作技能。 4 吊具：通用型门座起重机通常采用集装箱简易吊具进行吊箱作业。吊具 悬挂在吊钩上，作业时，将吊具的选锁对准集装箱顶部的四个角配件孔，有工 人牵动拉索驱动选锁机构，使选锁与角配件接合锁紧。这种吊具结构简单，自 重轻，但需辅助工人配合，生产效率低，但由于单点起吊，集装箱在吊装中容 易产生倾斜、打转的现象。而多用途门座起重机虽然配备集装箱专用吊具，但 是其起升机构设计复杂。而岸边集装箱起重机的起升机构设计相对简单得多。 1 1 2 臂桥架式起重机变幅系统的组成和特性 基于门座起重机和桥式起重机的特点，结合门座起重机和桥式起重机的优 点，设计一种新型的岸边臂桥架集装箱起重机。该起重机的臂桥架变幅系统是 它的核心技术。该系统由组合式四连杆臂桥架结构、组合式货物水平位移补偿 系统、滑道式臂桥架自重平衡系统、垂直行走式变幅驱动装置组成。 图卜1 滑道式臂桥架集装箱门座起重机 1 组合式四连杆臂桥架结构 结构型式：采用铰接式臂架和平移式桥架的组合形式。臂架、头部桥架、 与臂架轴线平行布置的大拉卡t 、平移小车构成组合式四连杆臂桥架系统。由臂 2 武汉理工大学硕士学位论文 架绕下铰点的摆动、头部桥架的平移、及小车在桥架上的移动实现货物工作幅 度的改变。 特点： 1 ) 保证集装箱及吊具在变幅过程中处于水平位置，适用于集装箱吊具的起 升卷筒。 2 ) 有效地增大最大幅度和减小最小幅度，扩大起重机的工作范围。 3 ) 货物在变幅过程中的复合运动可有效地提高变幅速度。 4 ) 臂桥架系统的重量高于单臂架系统，与象鼻梁四连杆臂架系统相当低 于桥式集装箱起重机的前桥系统。 5 ) 臂桥架系统在变幅过程中的势能变化较大。 2 组合式货物水平位移补偿系统 补偿形式；采用起升绳补偿和补偿绳补偿的组合补偿形式。起升卷绕系 统采用导向滑轮补偿方式，根据集装箱吊具的卷绕特征取起升滑轮组倍率为2 ， 起升绳绕过起升滑轮组再通过导向滑轮绕入起升卷筒。补偿卷绕系统采用滑轮 组补偿方式，补偿绳连接小车通过导向滑轮后在桥架和固定支架之间形成补偿 绳滑轮组，滑轮组倍率根据臂桥架系统的尺寸和补偿要求取2 或3 。在变幅过 程中，组合式货物水平位移补偿系统通过小车的横移来补偿货物高度的变化。 特点： 1 ) 补偿的同时完成小车的横移，不需要小车驱动装置。 2 ) 将起升绳与补偿绳分开，使起升卷绕系统较为简单，避免了起升绳在变 幅过程中的多次卷绕和反复弯曲。 3 ) 在臂架的摆动过程中同时进行小车的移动，可有效地提高变幅速度。 4 ) 可通过增大补偿绳直径的方式来减少补偿绳的卷绕，简化绳索系统的布 置。 5 ) 补偿系统的设计裕度较大，易于通过优化设计获得较好的补偿效果。 3 滑道式臂桥架自重平衡系统 平衡方式：采用钢丝绳和可沿垂直滑道运动的活对重的平衡方式。平衡 一端连接在桥架端部，通过梯形支架上部的导向滑轮系于活对重上。取平衡滑 轮组倍率为1 。在变幅过程中，利用梯形支架上部的导向滑轮与平衡钢丝绳在 桥架上拉点之问距离的变化实现活对重的上下移动，从而平衡臂桥架系统重心 的升降。 3 武汉理工大学硕士学位论文 特点： 1 ) 活对重的移动距离较大，可减少活对重的重量。 2 ) 不需平衡梁、小拉杆等构件，减轻平衡系统的重量。 3 ) 避免了杠杆活对重平衡系统对臂架较大的横向弯曲作用。 4 ) 活对重的重心较靠后。可部分起到死对重的作用。 5 ) 梯形支架受力较恶劣，重量较大。 6 ) 尾部回转半径较大。 4 垂直行走式变幅驱动装置 驱动型式：采用齿轮齿条驱动方式，齿条固接在梯形支架的后立柱上， 小齿轮及传动装置安装在活对重支架上。小齿轮轴上的压轮及装于对重支架上 的反向偏心压轮保证齿轮齿条的齿侧间隙与正常啮合。驱动装置通过齿条啮合 力增大或减小平衡钢丝绳的拉力来克服臂桥架系统的e 、负不平衡力矩，从而 驱动臂架摆动进而改变集装箱及吊具的工作幅度。 特点： 1 ) 不需要齿条箱、摇架等部件，减轻变幅机构的重量。 2 ) 平衡绳对臂架下绞点的力臂较大，使得变幅齿条力较小。 3 ) 小齿轮行程较大，可减小变幅传动装置的传动比。 4 ) 改善臂梁受力，减轻臂架结构的重量。 5 ) 避免在变幅过程中可能出现的齿条箱与钢丝绳之问的干涉现象。 6 ) 变幅机构自身作为活对重可减轻整个系统的重量。 5 臂桥架变幅系统的特性： 先进性：体现在变幅系统的工作性能和技术参数上；能够达到较高的变 幅速度，从而提高起重机的装卸效率；能够达到较大的最大幅度和较小的最小 幅度，从而扩大起重机的工作范围；可通过优化设计得到较好的补偿和平衡效 果，降低变幅机构的驱动功率；重量分布合理，整个系统的重量不大。 适应性：适应于码头前沿的集装箱装卸作业：集装箱及吊具在变幅过程 中处于水平位置，不受机构的动作及集装箱重心的偏心的影响，易于对位：起 升卷绕系统适用于集装箱自动吊具，易于自动挂钩和脱钩；可取代回转机构而 作为主要工作机构，适应集装箱装卸线路的捷径要求；除海侧装卸船作业外， 还可在一定范围内完成陆侧堆场的辅助作业。 新颖性：臂桥架变幅系统具有新型的组合式四连杆臂桥架结构、组合式 4 武汉理工大学硕士学位论文 货物水平位移补偿系统、滑道式臂桥架自重平衡系统、垂直行走式变幅驱动装 置，其新颖性较为显著。系统的外观较为美观。 1 ，1 3 臂桥架式起重机在港口集装箱装卸系统中的应用前景 岸边集装箱门座起重机 1 构成 岸边集装箱门座起重机由起升机构、变幅机构、回转机构、运行机构、集 装箱自动吊具等工作机构，臂桥架结构、梯形支架、转台、圆筒门架等金属结 构以及安全保护装置与控制系统组成。其中臂桥架变幅系统是岸边集装箱起重 机的主要特征和主要工作机构。 2 工作方式 图卜2 活对重式臂桥架集装箱门座起重机 岸边集装箱门座起重机是以集装箱为作业对象的港口专用起重机。它由挂 箱、起升、变幅、下降、脱箱以及空载返回构成一个工作循环，完成集装箱在 船舶与码头前沿之间的运移。起升与变幅为工作性机构，回转与运行为非工作 性机构，回转机构主要用于靠离码头时避让船舶，运行机构主要用于超重机与 武汉理 = 大学硕士学位论文 集装箱在船长方向的对位。 3 特点 结构简单重量轻，起重机成本较低。 装卸效率较高。 轮压较小，剥码头承载能力要求不高。 海侧轨道至码头前沿的距离要求较大，对旧码头需要进行一定的改造。 集装箱车辆开至码头边缘，需要相应的安全保护措施。 与轨道式自动引导小车组成港口集装箱装卸机械化系统 1 系统的组成 系统由岸边集装箱门座起重机、轨道式自动引导小车、堆场龙门起重机以及 小车岔道装置组成。岸边集装箱门座起重机完成集装箱在船舶和码头边缘之间 的运移，轨道式自动引导小车通过环行轨道完成集装箱在码头前沿与堆场之间 的水平搬运，龙门起重机完成集装箱在堆场和进出港装卸作业。小车环行轨道 在靠近堆场旁设有小车积存线路，通过岔道装置可使轨道式自动引导小车在积 存线路和环行线路之间的切换。自动引导小车的数目根据岸边集装箱门座起重 机的台数、码头集装箱的通过能力和码头的装卸节拍确定。 2 对轨道式自动引导小车的主要研制要求 自行式要求：能够自动捕捉动力或者通过滑线装置取电自动运行。 自动寻址要求：能够根据寻址指令在门座起重机前、龙门起重机前或岔道 装置前自动停车，以待装卸或变道。 自动避让要求：能够检测前方小车或障碍物，自行减速及停车。 转弯半径要求小，便于线路的灵活布置。 3 特点 系统的自动化程度较高，工作效率较高。 系统的机械设备投资较小。 码头面积利用率较高，码头承载能力要求较低，码头基建投资较小。 小车输送线路与码头平面可灵活布置。 操作人员较少，可降低装卸成本。 易于实现码头装卸和设备调度的自动化管理。 接力式岸边集装箱起重机 1 构成 6 武汉理工大学硕士学位论文 接力式岸边集装箱起重机由上部起升机构、变幅机构、回转机构、下部起升 机构、小车运行机构、大车运行机构、集装箱自动吊具等工作机构，臂桥架结 构、梯形支架、转台、支承横梁、门架等金属结构以及安全保护装置与控制系 统组成。其中臂桥架变幅系统是接力式岸边集装箱起重机的主要特征和主要工 作机构。 2 工作方式 接力式岸边集装箱起重机是以集装箱为作业对象的港口专用起重机。它完成 集装箱在船舶与码头前沿之间的运移。集装箱装卸作业的方式由两个工作循环 构成：其一为上部系统的挂箱、起升、变幅、下降、脱箱以及空载返回；其二 为下部系统的挂箱、起升、小车运行、下降、脱箱以及空载返回。第一工作循 环的时间含盖第二工作循环，起重机的装卸效率由第一工作循环的时间所确定。 上部起升、变幅、下部起升、小车运行为工作性机构，回转与大车运行为非工 作性机构，回转机构主要用于靠离码头时避让船舶，大车运行机构主要用于起 重机与集装箱在船长方向的对位。 3 特点 装卸效率较高。 重量较轻，超重机成本较低。 轮压较小，对码头承载能力要求不高。 工作机构较多，装机容量较大。 需增加操作人员。 吊具可旋转的岸边集装箱门座起重机 1 构成 吊具旋转装置由安装于小车上的滚动轴承式旋转支承装置、旋转驱动装置、 钢丝绳改向卷绕系统构成。各钢丝绳绕过支承圆筒上的水平滑轮，经改向后绕 接于集装箱吊具上的滑轮，再绕上支承圆筒上的水平绳槽后固定。旋转驱动装 置驱动下部平台绕旋转中心转动时各钢丝绳的绕绳总长度均不发生改变，使得 吊具在旋转过程中保持水平。由于钢丝绳干涉的原因，吊具只能转动有限的角 度。 2 工作方式 吊具可旋转的岸边集装箱门座起重机是以集装箱为作业对象的港口专用起 重机。它由挂箱、起升、变幅及回转、下降、脱箱以及空载返回构成一个工作 7 武汉理工大学硕士学位论文 循环，完成集装箱在船舶至起重机轨道前方的装卸箱处的运移。起升、变幅、 回转为工作性机构，运行为非工作性机构，运行机构主要用于起重机与集装箱 在船长方向的对位。在臂桥架回转的同时，吊具旋转机构使得集装箱及吊具反 向等速旋转，始终保持集装箱的长度方位与起重机轨道平行。 3 吊具的旋转 吊具旋转装置由安装于小车上的滚动轴承式旋转支承装置、旋转驱动装置、 钢丝绳改向卷绕系统构成。各钢丝绳绕过支承圆筒上的水平滑轮，经改向后绕 接于集装箱吊具上的滑轮，再绕上支承圆筒上的水平绳槽后固定。旋转驱动装 置驱动下部平台绕旋转中心转动时各钢丝绳的绕绳总长度均不发生改变，使得 吊具在旋转过程中保持水平。由于钢丝绳干涉的原因，吊具只能转动有限的角 度。 4 特点 由于钢丝绳干涉的原因，吊具只能转动有限的角度。 结构简单重量较轻，起重机成本较低。 装载效率较高。 轮压较小，对码头承载能力要求不高。 可直接利用旧有码头和轨道。 只能在起重机轨道某一端装箱或卸箱。 通过旋转和变幅来调整箱位或对位，司机操作技巧要求较高。 1 1 4 优化设计和惩罚函数算法嘲 优化设计是2 0 世纪6 0 年代随着电子计算机的广泛应用而迅速发展起来的 一门新的学科。它是最优化技术和计算机技术在计算领域中应用的结果。优化 设计能为工程及产品设计提供一种重要的科学设计方法，使得在解决复杂设计 问题时，能从众多的设计方案中寻得尽可能完善的或最适宜的设计方案。因而 采用这种设计方法能大大提高设计质量和设计效率。 在工业产品设计过程中，常常需要根据产品设计要求，合理确定各种参数， 例如：重量、体积、成本、性能、承载能力等等，以期达到最佳的设计目标。 同时，随着设计过程的日益计算机化，迫切要求为自动选取最优设计方案建立 一种迅速和有效的方法。优化设计就是适应这一需求而发展起来的一种现代设 计方法。目前优化设计方法在机械、电子、电器、化工、国防、航天、交通、 武汉理工大学硕士学位论文 建筑及管理等设计领域都得到了广泛的应用，而且取得了显著的技术、经济效 果。 所谓优化设计就是在规定的各种设计限制条件下，将实际设计问题首先转 化为最优化问题，然后运用最优化原理和方法，在计算机上进行自动调优计算， 以满足各种设计要求及限制条件的全部可行方案中，选定出最优设计参数，使 某项或几项设计指标获得最优值。 传统的优化方法主要有三种：枚举法、启发式算法和搜索算法： 枚举法：枚举出可行解集合内的所有可行解，以求出精确最优解。对于 连续函数，该方法要求先对其进行离散化处理，这样就可能因离散处理而永远 达不到最优解。此外，当枚举空问比较大时，该方法的求解效率比较低，有时 甚至在目前先进计算工具上无法求解。 启发式算法：寻求一种能产生可行解的启发式规则，以找到一个最优解 或近似最优解。该方法的求解效率比较商，但对每一个需求解的问题必须找出 其特有的启发式规则，这个启发式规则一般无通用性，不适合于其他问题。 搜索算法：寻求种搜索算法，该算法在可行解集合的一个子集内进行 搜索操作，以找到问题的最优解或者近似最优解。该方法虽然保证不了一定能 够得到问题的最优解，但若适当的利用一些启发知识，就可在近似解的质量和 效率上达到一种较好的平衡。 其它较新的优化方法有：模拟退火法 s i m u l a t e da n n e a l i n g ，简称s a ，人 工神经网络 a r t i f i c i a ln e u t r a ln e t w o r k ，简称a n n 等。 随着问题种类的不同以及问题规模的扩大，要寻求一种能以有限的代价来 解决搜索和优化的通用方法，惩罚函数算法正是为我们提供了一个有效的途径。 惩罚函数法，也称为s u m t 方法( s e q u e n t i a lu n c o n s t r a i n e dm i n i m i z a t i o n t e c h n i q u e ) ，即序列无约束极小化方法。它是种使用很广泛、很有效的间接 解法。它的基本思想是将原来的目标函数和约束函数按一定的方式构成一个崭 新的函数。在这个函数中，既包括目标函数，又包含全部约束条件及其一个可 以变化的乘子。当这个乘子按一定的方式改变时，就得到了一个新函数序列。 r a i n f ( x ) m t g ，( x ) 0 h 。0 ) = 0 ( ，= 1 , 2 ，珊) = 1 2 。，) 它是将约束优化问题r a i n f ( x ) 中的不等式约束和等式约束经过加权转化 9 武汉理_ = ：r = 大学硕士学位论文 后，和原目标函数结合形成新的目标函数惩罚函数。 妒g ，_ ) = 厂g ) 十_ g k ，g ) j + r ：e - f h 。g ) 】 3 = 1 e l 显然，求每一个新函数的最优解都是一个无约束优化问题。这样我们就把 一个有约束的优化问题转化为一系列的无约束优化问题。然后就可以用求解无 约束优化问题的最优解方法进行求解。所得到的最优解序列将逐步逼近原问题 的最优解。式中的1 荟g i g ，b ) 】和，2 荟胃魄o ) 】称为加权转化项。根据它们在惩 罚函数中的作用，又分别称为障碍项和惩罚项。障碍项的作用是当迭代点在可 行域内时，在迭代过程中将阻止迭代点越出可行域；惩罚项的作用时当迭代点 在非可行域或不满足等式约束条件时，在迭代过程中将迫使迭代点逼近约束边 界或等式约束曲面。 根据迭代过程是否在可行域内进行，惩罚函数法又可分为内点惩罚函数法， 外点惩罚函数法和混合惩罚函数法三种。 1 1 5 臂桥架变幅机构组合式货物水平位移补偿系统优化 门座起重机的工作机构主要有：起升机构、变幅机构、回转机构、运行机 构。其中变幅机构是用来改变起重机的起吊幅度。它的作用有：通过改变幅度 来改变取物装置的工作位置，以实现起重机起重能力的调整：通过改变幅度来 扩大起重机的作业范围，与起升、回转机构协调工作，使取物装置的：i ：作范围 形成一环形工作空间，以提高起重机的生产率，改善工作性能。变幅机构由两 大部分组成：臂架系统，它为吊重幅度的改变提供确定的运动轨迹，将变幅过 程中产生的外载荷传递给变幅驱动装置；变幅驱动系统，其作用是实现臂架系 统的运动，使变幅机构安全可靠地工作。 工作性变幅机构设计的主要内容： 吊重水平位移补偿系统的设计。确定吊重水平位移补偿系统的型式、臂架 系统的型式、主要几何尺寸等。 臂架自重平衡系统的设计。确定臂架皂重平衔系统的型式、主要尺寸及平 衡对重等。 变幅驱动机构的设计。确定变幅机构布置及结构型式，驱动装置、传动装 置、制动装置的选型和计算等。 1 0 武汉理工人学硕士学位论文 辅助装置的设计。包括变幅安全装置，指示装置、缓冲装置的选型和计算。 臂架式起重机在变幅过程中，臂架的俯仰，直接导致重物重心的升降移动， 因而提升机构原动机将必须克服由于重物的升降所消耗的附加能量；同时重物 的上下运动，对安装定位带来诸多不便。一般而言，对于工作次数频繁，变幅 速度较高的工作性变幅机构，要求在变幅过程中，吊重尽可能作平移运动。 同时，为了克服摆动臂架变幅时臂架自重产生较大势能变化的缺点，在工 作性变幅机构中设计了臂架自重平衡系统。通过它的作用，使臂架系统的重心 在变幅过程中实现沿水平线或接近水平线轨迹运动，以减小自重引起的变幅阻 力，从而使变幅机构能耗大为降低，改善起重机的工作性能。 本文的吊重水平位移补偿系统采用组合式货物水平位移补偿系统，臂架自 重平衡系统采用滑道式臂桥架自重平衡系统。 对变幅系统进行设计包括了三种方法：作图法，解析法，优化设计法。采 用作图法设计变幅系统，不仅速度慢，劳动强度大，而且精度低。采用计算解 析法，其计算工作量也很大，而且设计最优的系统还需做许多工作。因此现代 设计中，往往是借助计算机，采用优化设计方法来设计变幅系统。”“ 对变幅系统进行优化设计，计算模型中将系统的几何尺寸参数和位置参数 定义为若干个设计变量，将估算的臂架、小拉杆、平衡梁的自重、重心位置、 起重量、最大最小幅度和臂架头部滑轮直径等均作为已知量。利用罚函数法对 数学模型进行优化计算，使满足吊重水平位移落差小，吊重与自重综合未平衡 力矩最大绝对值小，臂架系统自重轻( 往往以长度衡量) 、对重重量轻、臂架受 力小、整体稳定性好等目标。”“ 由于臂桥架变幅系统是整个臂桥架集装箱起重机的核心部分，所以该系统 的尺寸直接关系着整机的设计，因此对于该系统需要进行优化设计，以达到最 佳的设计效果。 1 2 本课题的国内外研究动态 1 2 1 优化设计的发展及研究动态 最优化是一个古老的问题，追求最优目标一直是人类的理想，长期以来， 人们对最优化问题进行不断的探讨和研究。最优化方法就是从众多可能的解决 方案中选择最佳者，以达到最优目标的科学。早在1 7 世纪，英国伟大的科学家 武汉理工大学硕士学位论文 n e w t o n 开创了微积分时代，已经提出极值问题；后来出现l a g r a n g i a n 乘数法， 1 8 4 7 年法国数学家c a n e k y 研究了函数沿什么方向下降最快问题；1 9 4 9 年前苏 联数学家k a l i t o p o b n q 提出可解决下料问题和运输问题这两种线性规划问题的 求解方法。但是由于受到计算手段等历史条件的限制，在2 0 世纪4 0 年代以前， 最优化理论还不能形成一门学科。 自2 0 世纪4 0 年代以来，由于生产和科学研究突飞猛进地发展，最优化理 论和方法目益受到人们的重视，特别是计算机目益广泛应用，使最优化问题的 研究不仅成为一种迫切的需要，而且有了求解的有力工具，因此有优化理论和 算法迅速发展起来，形成了一门新的应用数学分支学科，已经渗透到生产、管 理、商业、军事、决策等各领域。至今已出现线性规划、整数规划、非线性规 划、几何规划、动态规划、随机规划、网络流等许多分支，最优化理论和算法 在实际应用中f 在发挥着越来越重要的作用。 近几十年来，随着计算机的普遍应用和发展，各种辅助计算或设计软件层 出不穷，大大丰富了工程技术人员的开发研究手段，提高了解决问题的计算速 度，在工程应用中发挥了重要的辅助作用。 优化设计理论与方法用于工程设计是在6 0 年代后期开始的，我国从7 0 年 代中期才开始有关研究。2 0 余年的工程优化设计理论与方法的研究，使传统的 工程设计方法发生了根本性的变革。从而把经验的、感性的、类比的传统设计+ 发放转变为科学的、理性的、立足于计算分析的设计方法。至今为止，已有上 百种优化方法提出。根据其适用模型性态的不同，这些算法可以分为：连续变 量优化方法和离散优化方法等。工程优化问题大都为约束非线性优化问题，因 此约束非线性优化方法在优化方法中占相当重要的地位。 约束非线性优化方法大体可分为可行方向法( f d m ) 、线性逼近法( s l p ) 、 序列二次规划法( s q p ) 、罚函数法和直接法等。这些数值优化方法各有优缺点。 近年来，演化算法、模拟退火等非数值进化类优化方法及其适用性得到了人们 的重视。从起源上来说，这些算法主要是为了解决离散变量的组合问题而提出 的，但目前已经逐渐向连续变量的问题方面扩展，当人们不满足常规数值算法 求解复杂问题时，进化类非数值算法开始被人青睐。“” 1 2 2 变幅机构优化的研究动态7 6 1 随着科学技术的进步和计算机技术的发展，现代设计方法已广泛应用于机 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 械产品的设计中，成为广大技术人员提高产品的工程设计水平，降低消耗，缩 短研究和产品开发周期，大幅度提高劳动生产率，实现设计自动化的重要手段。 门座起重机是广泛用于港口装卸作业、船厂安装作业及其它生产实际中的 一种起重机械。其产品因使用地点不同，用户对产品的性能要求不一样，而导 致其具有结构型式多样。随着市场竞争的日趋激烈，对其设计的质量和效率提 出了越来越高的要求。 门座起重机变幅系统的设计对整机的性能有重大的影响。因此对其设计方 法的研究长期受到一些研究部门和众多学者的关注和重视。 上海交通大学6 4 0 教研组对水平变幅装置的三种型式：刚性拉杆组合臂架 方案、滑轮组补偿方案及导向滑轮补偿方案进行了分析，从机构解析的角度着 手，利用计算机进行计算，但实际的吊重轨迹往往是高阶曲线，有的还是隐函 数，如用解方程的方法较困难，故采用了数值解，在具体计算时将待定参数在 各自的预定范围内渐次变动，得优选数值。 大连理工大学机械工程系的苗明、屈福政等对8 0 t 门座起重杌导向滑轮补 偿法变幅系统进行优化设计，优化方法采用的是惩罚函数法，结果表明优化的 水平位移曲线的高度差比图解法的降低约3 8 。同时对设计变量进行了分析，