一种考虑司机舒适性的铸造起重机动态优化方法技术

本发明专利技术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础，利用Newmark法求解人‑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获取人体振动加速度的功率谱密度，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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑司机舒适性的铸造起重机动态优化方法
本专利技术属于起重机动力学
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
为了解决现有技术中起重机评价标准中存在的问题，本专利技术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，本专利技术的技术方案是这样实现的：本专利技术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；为因能量耗本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑司机舒适性的铸造起重机动态优化方法，其特征在于：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。

【技术特征摘要】
1.一种考虑司机舒适性的铸造起重机动态优化方法，其特征在于：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。2.如权利要求1所述考虑司机舒适性的铸造起重机动态优化方法，其特征在于：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，并以起重机各部件的加速度幅值为约束条件；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。3.如权利要求2所述考虑司机舒适性的铸造起重机动态优化方法，其特征在于：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。4.如权利要求2所述考虑司机舒适性的铸造起重机动态优化方法，其特征在于：步骤1中，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：辛运胜，董青，徐格宁，戚其松，
申请(专利权)人：太原科技大学，
类型：发明
国别省市：山西,14