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核心提示： 设计计算铁路救援起重机箱形伸缩臂的优化设计西南交通大学机械工程研究所黄文培于兰峰黄洪钟化模型，并采用理想点法求解。用此模型和方法，能有效地降低吊臂重量，改善吊臂受力状况。 叙词：铁路起重机伸缩臂
设计计算铁路救援起重机箱形伸缩臂的优化设计西南交通大学机械工程研究所黄文培于兰峰黄洪钟化模型，并采用理想点法求解。用此模型和方法，能有效地降低吊臂重量，改善吊臂受力状况。
叙词：铁路起重机伸缩臂优化设计作为排除线路故障，起复脱轨或颠覆的机车和车辆的主要救援设备，铁路救援起重机在铁路行车中发挥着无可替代的作用，其性能的优劣直接关系到救援工作的速度和效率。近年来，研制大吨位全液压伸缩臂式起重机已成为铁路救援起重机发展的主要趋势。研究表明，作为起重机的重要构件之一，吊臂重量一般约占整机重量的13 ～20 ，大型起重机所占比例更大。因此，在满足各项设计指标的前提下，采用优化设计，尽可能降低吊臂重量，对大吨位起重机具有十分重要的意义。以往，吊臂优化普遍采用单目标、连续变量优化设计模型〔1、2〕。优化目标为吊臂重量最轻，优化过程中将钢板厚度视为连续变量，求得优化解后再将其圆整为离散值。由于板厚是离散值，采用该方法往往得不到真正的最优解。针对SQTJ160铁路救援起重机箱形伸缩式吊臂，建立了混合离散多目标优化模型，并采用理想点法求解。计算结果表明，用此模型和方法进行优化设计，吊臂重量较常规设计降低了9.4，效果十分显著。
1吊臂优化的数学模型1.1选取设计变量SQTJ160铁路救援起重机箱形伸缩臂的截面形式如图1所示。对第j节伸缩臂，可选取如下7个截面参数作为设计变量：设x（j=2 ， 3）为二、三节臂下盖板的加强板厚度，取一节臂长L为设计变量，同时假定二、三节臂长L分别为L mm.则对于一个具有3节臂的伸缩式吊臂，共有7×3 3 =24个设计变量。其中，钢板厚度x和x为离散设计变量。吊臂参数和载荷计算参见有关文献，本文不再赘述。
1.2建立目标函数为确保优化模型简洁、逼真，我们选取如下2个基本目标。
1.2.1吊臂重量最轻如图1 ，该优化目标可表达为：《起重运输机械》2000 （1）式中ρ―――材料密度1.2.2滑块处局部应力最小研究表明，大吨位伸缩臂起重机工作时，滑块作用点附近上、下盖板极易发生塑性变形。为此，建立如下目标函数：局j式中η―――权重系数―――局部弯曲应力系数（j=2 ， 3）―――二、三节臂滑块处的支反力（j = 1.3建立约束条件1.3.1非重叠部分危险截面强度约束如图2 ，截面ⅠⅠ、ⅡⅡ、ⅢⅢ为吊臂非重叠部分的危险截面，其角点正应力为：分别为变幅平面和回转平面危险截面处的弯矩。
其中， Hδ（三节臂不工作式中L―――吊臂工作臂长―――基本臂两铰点沿吊臂轴线方向的距离δ―――一、二节臂最小搭接长度P―――由起升绳拉力和垂直载荷引起的吊臂轴向力―――吊臂在变辐平面、回转平面的临界力―――第j节臂的截面积―――第j节臂对Y、Z轴的抗弯模量―――由起升绳拉力和垂直载荷引起的吊臂偏心力矩和横向力据此可得吊臂非重叠部分危险截面强度约束为：1.3.2吊臂重叠部分强度约束重叠部分强度约束是指伸缩臂重叠处滑块作用点附近的应力应小于许用应力。通常，滑块作用点附近的应力可分为局部弯曲应力和整体弯曲应力两部分加以考虑。
1.3.2.1局部弯曲应力如图2 ，伸缩臂滑块作用点处的支反力可按下式计算：其中， d（当三节臂不工作时， d于是，滑块处的局部应力为：局j《起重运输机械》2000 （1）其中， C 1.3.2.2整体弯曲应力由此可得重叠处的强度约束为：局j式中T―――由货物偏摆载荷、风载荷和惯性力引起的吊臂总侧向力―――货物偏摆载荷引起的吊臂扭矩1.3.3刚度约束吊臂在变幅平面和回转平面内应满足如下刚度约束条件：式中P―――不计自重和动力系数，由起升绳拉力和垂直载荷引起的吊臂轴向力―――在变幅平面和回转平面内臂端的总挠度1.3.4几何、工艺与尺寸约束由于各节伸缩臂之间要用滑块来导向和承受载荷，因此相邻两节臂之间的相应边必须保持平行，以保证伸缩臂伸缩时能够自动导向。另外，在相邻两节臂高度与宽度方向必须留有一定的滑块间隙。
为此，建立如下约束条件：1.3.5整体稳定性约束由于侧板压成折弯型，具有较高的抗屈曲能力，因此只考虑下盖板的整体稳定性。
临j临式中ψ―――下盖板两端应力之比―――第j节臂下盖板边缘上弯曲压应力的最大值临j单独作用时相应板的临界应力τ―――下盖板的剪应力临―――τ单独作用时相应板的临界应力―――安全系数1.3.6局部稳定性约束同理，只考虑下盖板的局部稳定性。
临j局j挤临临j局j挤临临式中σ局j―――滑块作用处的局部挤压应力挤临局j单独作用时相应板的临界应力1.3.7变量上、下限约束根据设计要求，设计变量应有上、下限约束，即：基于上述分析， SQTJ160铁路救援起重机箱形伸缩臂优化问题可描述为：《起重运输机械》2000 （1）2吊臂的多目标优化针对SQTJ160铁路救援起重机箱形伸缩臂的多目标优化问题，我们采用了理想点法，其优化步骤如下：（1）用单目标优化方法求F（X）单独存在时的最优值F（2）构造理想点评价函数U（X）（3）利用单目标优化方法，解决如下优化问题：将常规设计方案作为优化问题的初始迭代点0，单目标优化问题的求解采用MDOD算法。由于SQTJ160铁路救援起重机考虑了5种典型工况（），因此吊臂尺寸应按5种工况分别优化，综合考虑。表2给出了优化前后吊臂尺寸及目标函数值。
起重量/ t幅度/m臂长/m一节臂二节臂三节臂一节臂长/ m目标函数值优化结果表明：采用该优化模型后，能有效改善吊臂受力状况，在滑块作用点处的局部应力变化不大的情况下，吊臂重量较常规设计降低了9.4 .另外，采用离散变量直接搜索法不仅能够克服按连续变量优化后再圆整而导致伪最优解的弱点，而且求解速度快，准确可靠。
1周培德，刘军。离散变量法用于箱形伸缩式吊臂优化设2王彩华，王成良。汽车起重机箱形伸缩臂的模糊优化设3陈立周。机械工程中混合离散变量的优化设计方法。机4于兰峰，黄洪钟。160t铁路救援起重机箱形伸缩臂模糊作者：黄文培地址：成都市二环路北一段《起重运输机械》2000 （1）
