一种考虑司机舒适性的铸造起重机动态优化方法与流程

本发明属于起重机动力学技术领域，涉及一种铸造起重机的优化方案，特别是涉及一种考虑司机舒适性的铸造起重机动态优化方法。

背景技术

铸造起重机是一种通过工作机构组合运动实现钢包安放并空载复位的高能量积聚、高危险性作业的冶金机械设备。随着技术进步和城市不断扩大，沿海地区港口常以填海造陆方式建立工业基地，导致厂房车间的起重机轨道出现了地基沉陷、轨道缺陷变大，进而引起铸造起重机金属结构焊缝开裂、司机振感强烈等问题。铸造起重机工作环境恶劣，高温、高湿、高尘、轨道缺陷等对其金属结构材料力学性能影响较大，加快了铸造起重机金属结构的破坏、降低了起重机的使用寿命、影响了司机身体健康，甚至会给车间的工作人员带来生命危险。

人体短期暴露在振动环境下使司机产生不舒适感，且长时间强烈振动也会给司机身体造成安全危害。铸造起重机动力学特性研究中，人体振动舒适性更是被忽略的重要方面，同时现有人体振动评价标准中还存在不能量化的缺点。

现有的起重机设计目标仅追求起重机性能，而缺乏对司机和环境的考量，基于人-机-环系统的起重机设计目标从单一到多极、从片面到全面，体现了起重机设计对环境的适应性、人体的舒适性和起重机的高效性。因此，基于人-机-环视角的起重机设计思想将提升起重机设计质量和水平，具有重大的理论意义和工程参考价值。

技术实现要素：

为了解决现有技术中起重机评价标准中存在的问题，本发明公开了一种考虑司机舒适性的铸造起重机动态优化方法，使起重机结构振动和司机烦恼率减小，提高了起重机的使用寿命，降低了司机振动产生职业病的概率。

大车运行过程中，高低缺陷和接缝缺陷是引起起重机结构振动的最主要原因，轨道和车轮自身材料缺陷的影响与这两种缺陷相比影响甚微。在大车启动或制动过程中，主梁和端梁在z方向（见图1）会产生很小的弹性变形，当大车匀速运行时，主梁所受惯性力为零且z方向的变形在结构阻尼作用下很快消失，此时起重机结构沿z方向振动可忽略不计。由于车轮与轨道接缝间隙的存在，会使主梁在x方向（见图1）产生弹性变形，但是在运行过程中接缝间隙所引起x方向的冲击也很小，此时起重机结构沿x方向的振动可忽略不计。铸造起重机质量大、缺少悬架系统，由于轨道缺陷对起重机冲击时间短，运行速度基本不受到轨道冲击的影响，且各部件的振幅很小，可将系统简化为线性系统。在研究轨道缺陷对起重机司机产生影响时，考虑产生振动的主要因素、忽略次要因素，为简化系统振动模型和求解过程而做如下假设：

(1)忽略起重机结构在沿水平方向的振动以及主梁、端梁沿x、z方向的变形；

(2)各部件简化成质量块、且各质量块在平衡位置做微幅振动；

(3)系统中的刚度与位移、阻尼与相应速度均呈线性关系；

(4)起重机大车通过轨道缺陷时水平速度保持不变恒定；

(5)对于每个车轮而言，运行中的轨道缺陷所引起的激励力均相同；

(6)主梁运行轨道除了连接处的高低缺陷和接缝缺陷外，其他它部位无缺陷。

人体各器官固有频率的取值范围为3～17hz。其中，头部固有频率为8～12hz，腹部内脏固有频率为4～6hz，而人体整体的共振频率在7.5hz左右。本章是从司机整体舒适性角度评价垂直振动对人体的影响，该评价方法与iso2631-1:2011（mechanicalvibrationandshock-evaluationofhumanexposuretowhole-bodyvibration-part1）所规定的机械设备驾驶人员舒适性评价准则相一致。因此，评价司机整体舒适性时，在模型简化是中将司机作为一个整体进行讨论，而不是依据人体的连接、器官等组织结构进行简化。

基于上述模型的简化，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明公开了一种考虑司机舒适性的铸造起重机动态优化方法，以起重机结构参数为基本变量，以司机烦恼率为优化目标，以起重机各部件的加速度幅值及位移幅值为约束条件，采用粒子群算法得到满足驾驶员舒适性指标的起重机结构参数的优化结果。

进一步地，上述考虑司机舒适性的铸造起重机动态优化方法，包括以下步骤：

步骤1：量化考虑了轨道缺陷的激励作用，根据铸造起重机结构特征及参数，确定铸造起重机的物理简化模型，根据拉格朗日方程建立人-起重机-轨道系统的九自由度运动微分方程；

步骤2：量化考虑了铸造起重机振动引起的人体主观评价，建立仅与加速度加权均方根有关的人体振动舒适性评价烦恼率模型，并将其作为目标函数（即适应度函数），并以起重机各部件的加速度幅值为约束条件；其中，烦恼率的概念属于心理物理学范畴，是指某一振动强度下产生烦恼反应的人数占受测者总数的比例，反映在一定振动强度下认为振动“不可接受”或因此使人产生烦恼的比例。烦恼率模型评价方法的理论基础是实验数据处理的心理物理学信号检测；

步骤3：在分析轨道缺陷的基础上，基于人-起重机-轨道系统的九自由度运动微分方程和烦恼率模型建立起重机结构振动系统的动态优化模型；

步骤4：利用粒子群算法对每个粒子（即设计变量）的速度和位置进行随机初始化（此时迭代次数），通过若干次迭代得到铸造起重机的最优适应度。

作为一种优选实施方式，步骤1中，人-起重机-轨道系统的九自由度分别为：大车y向振动和绕x、z轴方向转动；小车y向移动和绕z轴转动；以及吊物、司机室、座椅和人体y方向的振动。

进一步地，所述铸造起重机结构参数分别为：起重机大车轮等效刚度和等效阻尼；小车轮等效刚度和等效阻尼司机室连接刚度和等效阻尼；座椅刚度和等效阻尼；钢丝绳刚度和等效阻尼；人体等效刚度和等效阻尼。

较佳地，步骤1中，轨道缺陷激励作用包括由于高低缺陷和间隙缺陷对起重机的冲击作用。

作为一种优选实施方式，步骤2中，所述加速度幅值为模型中相互作用的两部件之间的相对位移。

进一步地，步骤3中，以起重机结构参数为基本变量，以驾驶员烦恼率模型为目标函数，以起重机各构建的加速度幅值及位移幅值为约束条件，建立起重机结构振动系统的动态优化模型。

作为一种优选实施方式，步骤3中的起重机结构振动系统的数学模型是将振动系统能量代入拉格朗日方程得到的，所述振动系统能量包括：系统动能、系统势能、和系统耗散能；所述系统动能包括由大车y向振动和绕x、z轴方向转动动能，小车y向移动和绕z轴转动动能，以及吊物、司机室、座椅和人体y方向动能；系统势能包括各等效弹簧弹性势能以及大车、小车转动势能；系统耗散能包括各连接弹簧阻尼和大车、小车转动阻尼产生能量损耗。

具体地，在假设的基础上建立起重机振动系统的物理模型如图1所示。该系统可认为是常系数线性动力学系统。在该振动系统中主要考虑到大车y向振动和绕x、z轴方向转动；小车y向移动和绕z轴转动；以及吊物、司机室、座椅和人体y方向的振动。以各自平衡位置建立广义坐标系和，系统的动能可表示为：

系统势能

主要包括各等效弹簧弹性势能以及大车、小车转动势能，势能

可表示为：

系统耗散能主要包括各连接弹簧阻尼和大车、小车转动阻尼产生能量损耗，耗散能

可表示为：

广义坐标表示的二阶微分方程即为第二类拉格朗日方程，拉格朗日方程是解决具有完整约束的质点系动力学问题的普遍方法，对离散质点系统和多自由度刚体系统尤为适用，而且也可以很好的建立动力学非线性问题的运动方程。在非保守系统体系中，拉格朗日方程可表示为：

式中：为系统动能；为系统势能；为系统能量耗散函数；为因能量耗散函数而引起的阻尼力；为外力作用下的广义激振力；为广义坐标；为广义速度。

式(1)-(3)给出了起重机振动系统的能量计算方法，在此基础上，根据非保守力下的拉格朗日方程即式(4)和司机-起重机-轨道振动系统广义坐标，可得到与广义坐标相同数目的振动方程，即：各个集中质量（大车、小车、司机室、座椅、吊重和司机）y方向的振动微分方程、大车绕x、z方向的转动微分方程以及小车绕z方向转动微分方程。

大车y方向振动微分方程可表示为：

小车y方向的振动微分方程可表示为：

司机室y方向的振动微分方程可表示为：

座椅y方向的振动微分方程可表示为：

吊重y方向的振动微分方程可表示为：

司机y方向的振动微分方程可表示为：

大车绕x轴转动微分方程可表示为：

大车绕z轴转动微分方程可表示为：

小车绕z轴转动微分方程可表示为：

式(5)-(13)为九个相互独立的微分方程，整理微分方程组并写成矩阵形式，如式(14)所示。

使起重机结构振动和司机烦恼率减小，提高了起重机的使用寿命，降低了司机振动产生职业病的概率进一步地，步骤4中，所述粒子群算法包括：

1)产生一个初始种群；

2)根据烦恼率模型的目标函数构造适应度函数；

3)根据适应度的优劣不断更新适应度的最优值和平均值；

4)直至迭代得到的最优适应度的值即为最优解。

本发明以起重机结构参数为基础，利用newmark法求解模型人-起重机-轨道系统的九自由度数学模型，得到人体振动加速度时域响应，结合快速傅里叶变换（fft）获取人体振动加速度的功率谱密度（psd），计算人体振动加速度均方根。以iso2361-1:2011为理论指导，构建驾驶员的烦恼率模型，给出烦恼率的量化结果。以起重机结构参数为基本变量，以驾驶员烦恼率模型为目标函数，以起重机各构建的加速度幅值及位移幅值为约束条件，采用粒子群（pso）算法得到满足司机舒适性指标的起重机结构参数的优化结果。本发明综合运用了集中参数建模方法和粒子群优化算法，在起重机设计中考虑司机振动的舒适性而提出的一种不依赖于破坏试验和试验周期的一种快速优化方法，为起重机参数设计提供了重要的数据参考。

本发明的有益效果为：

（1）本发明考虑司机舒适性的铸造起重机动态优化设计方法与现有的起重机设计方法相比，其优点在于根据起重机的结构特点并考虑了司机室和司机因素而建立了起重机振动模型，将司机振动舒适性作为设计考虑的标准之一，而现有的设计中并没有考虑司机振动舒适性；

（2）本发明通过烦恼率量化司机振动舒适性，并以司机振动烦恼率为优化目标，通过粒子群算法对起重机结构进行动态优化，得到了优化的系统参数，有效的改善了司机振动舒适性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明司机-起重机-轨道系统的九自由度振动模型。

图2为本发明司机-起重机-轨道系统动态优化流程图。

图3为本发明迭代次数与舒适度的关系图。

图1中：和分别为大车、小车、司机室、座椅、吊重和司机的质量；和分别为大车绕x轴、z轴转动惯量和小车绕z轴转动惯量；

为大车质心到端梁1的x向距离；为大车质心到端梁2的x向距离；为司机室吊点到大车质心的x向距离；为小车到小车前端部x向距离；钢丝绳吊点到的x向距离；为小车质心到小车后端部x向距离；为大车质心距主梁1距离；为大车质心距主梁2距离；为大车质心到司机室吊点距离；为小车质心到小车右端z向距离；为钢丝绳吊点到小车质心距离；为小车质心到小车前端z向距离；为大车绕x坐标方向的转动位移；为大车绕z坐标方向的转动位移；

为小车绕z坐标方向的转动位移；为大车和小车所受到的轨道激励。

（1）根据铸造起重机结构特征及参数，确定铸造起重机的物理简化模型，根据拉格朗日方程建立人-起重机-轨道系统的九自由度运动微分方程；

（2）量化考虑了铸造起重机振动引起的人体主观评价，根据iso2631-1:2011评价准则，确定人体主观评价的隶属度函数，结合心理物理学上的fechner定律，建立仅与加速度加权均方根有关的人体振动舒适性评价烦恼率模型，并将其作为目标函数（即适应度函数），并以起重机各部件的加速度幅值为约束条件；

（3）在分析轨道缺陷的基础上，基于人-起重机-轨道系统的九自由度运动微分方程和烦恼率模型建立起重机结构振动系统的动态优化模型，确定设计变量及设计变量的取值范围，利用粒子群算法对每个粒子（即设计变量）的速度和位置进行随机初始化（此时迭代次数）；

（4）采用newmark直接积分法，确定结构振动系统数学模型的数值解，得到人体加速度时域响应，结合fft变换获取功率谱密度函数，以人体加速度时域响应为基础，采用iso2631-1:2011推荐的连续计权函数法得到人体振动加速度加权均方根。判断是否达到最大迭代次数n，若不满足要求，执行步骤(4)，直至满足条件，执行步骤(5)；

（5）结合起重机加速度幅值及位移幅值响应的约束条件，计算每个粒子的适应度值，确定最优个体和最优群体，在此基础上，修改惯性权重并更新粒子位置和速度，迭代次数。判断是否达到最大迭代次数n，若满足要求，输出迭代过程图和设计变量最优值后，代入步骤(3)得到最优设计变量下的人体振动响应，否则将更新后的粒子位置和速度代入步骤(3)；

（6）输出时域响应图和功率谱密度图，并验证优化的有效性。

上述为动态优化过程的流程，下面结合附图和发明人依据发明的技术方案所完成的具体实施方案，从而对本发明作进一步的详细阐述。

(1)设计变量

设计变量向量形式如式（1）所示，其中设计变量的取值范围如表1所示。

(2)建立目标函数

起重机在通过轨道缺陷时，人体会产生比较强烈的振动，这些振动会使司机产生职业病。为了提高运行过程中司机的振动舒适性，优化目标函数选取为式（2），即以人体振动烦恼率的值作为优化目标。

式中：为经频率计权的振动强度；为振动强度模糊隶属度函数。

(3)约束条件

系统状态方程是确定最优设计变量的必备约束条件；起重机在通过轨道缺陷时，为了提高人体振动的舒适性，各部件的振动位移需要限制在一定范围内；加速度峰值需要限制在一定范围之内。

参照图2所示动态优化流程对铸造起重机结构参数进行优化，以起重机结构参数为基本变量，以司机烦恼率模型为目标函数，以各组件的加速度幅值及相对位移幅值为约束条件，采用粒子群算法对系统进行优化，得到满足司机舒适性指标的起重机结构参数的优化结果。优化过程中，初始状态选取20个粒子作为初始种群，经过300次迭代过程，并运行50次，迭代过程如图3所示。优化前后参数对比如表2所示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

附录a起重机动态优化系统方程中矩阵形式