1、CONSTRUCTION MACHINERY 1092023/02总第564期擦窗机伸缩臂组合方案选取与程序设计郑夕健，刘 胜（沈阳建筑大学机械工程学院，辽宁 沈阳 110168）摘要为了使擦窗机伸缩臂设计更加规范和高效，需要对伸缩臂组合方案选取提供一些有效建议。文中分析了擦窗机自身结构特点，阐述了模块化组合设计思想和核心模数的更新策略，使用C#.NET平台对组合方案选取进行实际的程序开发，通过C#语言设计模块化组合方案选取算法，并使用程序算法对模块化组合方案的核心模数进行更新和统计验证，为组合方案选取设计可视化人机交互界面，用户输入要分析的伸缩臂完全伸出长度，系统自动分析计算，并将结果反馈给
2、用户。最后使用该系统对市面上常见的4种擦窗机伸缩臂伸出长度进行案例分析验证，程序搜索的组合方案均合理有效，程序设计 有效。关键词擦窗机；伸缩臂；核心模数；可视化界面中图分类号TU746.2 文献标识码B 文章编号1001-554X（2023）02-0109-04Selection and program design on combination scheme of BMU jibZHENG Xi-jian，LIU Sheng目前国内对擦窗机伸缩臂的研究主要集中在典型工况下的静力学分析、动力学分析和整体结构优化设计1-2，而擦窗机在同一完全伸出长度下的组合方案有多种，对组合方案选取方面研究较少
3、，对方案选取也缺少一些有效建议。基于此，结合已有的擦窗机伸缩臂模块化组合的核心模数理论研究，使用计算机程序语言进行实践设计，利用可视化技术开发出伸缩臂方案选取的专用系统，只需用户在界面输入相关参数，即可搜索出合理有效的组合方案。1 擦窗机伸缩臂组合类型1.1 擦窗机伸缩臂结构典型的擦窗机类别有屋面轨道式、轮载式、悬挂轨道式、插杆式等。由于高层建筑物顶层的结构多窄长，比较适合屋面轨道式擦窗机的施工环境，并且屋面轨道式擦窗机充分发挥轨道的优点，有效降低成本，近些年来应用非常广泛。伸缩臂式擦窗机的结构主要包括若干节伸缩臂、立柱、底盘、回转和行走机构等3-4。整体结构如图1 所示。伸缩臂结构是擦窗机的
4、主要承重构件，因此伸缩臂的选取与设计对擦窗机整机的运行稳定与机械性能有重要影响，同时与施工安全有效的进行联系密切5。擦窗机伸缩臂的结构如图2所示。卷扬机构伸缩机构行走机构底盘基臂一节臂二节臂羊角臂头吊船配重箱立柱图1 伸缩臂式擦窗机结构简图123456789101.二节臂 2.一节臂 3.前托轮 4.限位块 5.伸缩机构 6.基臂 7.加劲肋 8.链条座 9.后尾轮 10.导向轮图2 伸缩臂式擦窗机臂架 DOI:10.14189/ki.cm1981.2023.02.016收稿日期2022-08-03通讯地址刘胜，辽宁省沈阳市浑南区浑南中路25号110 建筑机械设计计算DESIGN&CALCUL
5、ATION1.2 擦窗机伸缩臂组合类型屋面轨道伸缩臂式擦窗机的伸缩臂组合方式灵活多样，在一定的完全伸出长度下，可以采取不同的组合方式6，例如单臂式（基本臂）、1+1（1节伸出臂+基本臂）、2+1（2节伸出臂+基本臂）、3+1（3节伸出臂+基本臂）、4+1（4节伸出臂+基本臂）等。由于组合方式不同，吊臂的尺寸参数也不同，因此市面上擦窗机的伸缩臂的组合类型千差万别，很难标准化，给研发和设计增加了很大难度，也造成了成本浪费。为了解决此类问题，本文对伸缩臂进行模块化组合方案设计，并开发配套计算机辅助程序系统，旨在更加系统规范的选取和设计伸缩臂的组合方式，提高开发设计效率。2 模块化组合方案设计思路2.
6、1 模块化组合方案设计 模块化组合方案设计思想来源于起重机的标准节设计，以每节吊臂的长度为单元，不同的单元构成不同的单元组合模块，不同的单元组合模块构造整体擦窗机结构7-8。结合市面上的擦窗机伸缩臂尺寸规格，并综合考虑装配包装条件，设定单元模数分别为4m、5m、6m、7m、8m、9m、10m、11m、12m、14m、16m、18m、20m。为了进一步筛选出使用更加频繁的单元模数，类比于齿轮第一系列和第二系列模数的设计，将筛选出的能够覆盖绝大部分工作范围的模数设定为核心模数。核心模数的界定原则是：对于擦窗机伸缩臂完全伸出长度，由核心模数构成的长度组合覆盖率要达到90%，以此界定原则作为验证核心模
7、数的依据。对于给定的伸缩臂完全伸出长度，使用单元模数或核心模数进行组合时方案有多种，可以先根据装配条件和各节吊臂同步伸缩原则进行筛选处 理9。为满足装配条件，要求在考虑搭接量的情况下，各节吊臂长度满足一定大小关系，为满足同步伸缩原则，要求各节吊臂间的位移差越小越好，体现在各节吊臂之间的长度差越小越好。因此，设定组合方案筛选的约束条件为：（1）基臂最长，外伸臂级别越高，长度越小；（2）除基臂外，各相邻吊臂间的位移差2m；（3）除基臂外，各节吊臂的最大位移差3m10。2.2 核心模数更新策略原有的关于核心模数的设定，由于统计工具、市场变化等因素有一定的局限性，主要体现在以下三个方面：（1）统计工具
8、有限，原有研究主要通过人工统计，有一定人为误差；（2）核心模数设定的太少，且为满足覆盖率，降低了伸缩臂同步伸缩的要求，增加了搜索出的组合方案不合理的概率，同时搜索的组合方案过少，多为1种结果，可选择性少；（3）原有核心模数确定的组合中，只包含3+1组合及以下，没有近些年市面上逐渐使用的4+1组合方案。因此，可以从以下几个方面改进：统计工作改为程序算法自动统计，增加准确率和可修改性；更新核心模数数组，可增加核心模数数量；提高伸缩臂同步伸缩要求，筛选出更合理的组合方案。3 程序系统功能及关键技术3.1 程序系统功能介绍本文使用C#.NET平台的集成开发环境Visu-al Studio（VS）进行程
9、序开发11，结合伸缩臂模块化组合理论，开发出伸缩臂组合方案搜索的可视化交互系统，主要实现以下功能：（1）提供人机交互的输入输出界面；（2）当用户输入并确定伸缩臂完全伸出长度后，系统会在后台运行封装好的算法，根据约束条件进一步对组合方案筛选，在结果界面显示最终搜索结果，并提供其他扩展功能模块的入口。系统设计流程如图3所示。开始长度输入读取数据、选择模数数组参数使用递归算法求解组合方案搜索结果输出及界面设计其他功能扩展基本单元模数数组核心模数数组图3 程序设计流程图CONSTRUCTION MACHINERY 1112023/02总第564期3.2 程序系统的关键技术为了实现人机交互功能，需用到V
10、isual Studio（VS）可视化控件设计技术12。在VS创建一个C#窗体项目，在项目中添加Label、TextBox、But-ton等控件，通过设定控件属性设计界面样式，对于用户参数的传入、分析处理和结果显示则通过对控件事件的设计来完成。程序系统的另一关键技术是对搜索算法的调用13，组合方案搜索算法进行独立封装设计的目的是为了方便调试、修改和功能扩展。首先将搜索算法类Composition导入C#窗体平台，然后在创建好的C#窗体项目中添加对搜索算法类的引用，最后在C#窗体界面设计中，使用using Composition引入命名空间，在窗体控件事件方法中创建和使用搜索算法类。4 组合方案
11、选取系统程序实现4.1 组合方案搜索算法设计为提高零件的通用性、规范化，使用模块化组合方案设计，组合方案中的吊臂长度都是从模数数组中选取，以下是对单元模数和核心模数的 设定：int data=4，5，6，7，8，9，10，11，12，14，16，18，20；/基本单元模数intcoreData1=6，8，9，10，12，18；/核心模数1解析用户传入的数据后，调用搜索算法进行计算。本文中设计的搜索算法为递归深度遍历算法，自动搜索遍历所有组合。对搜索出的结果使用约束条件进一步筛选，排除不合理的长度组合，并将满足的结果用二维数组性质的列表保存。4.2 核心模数更新与程序验证对原有核心模数研究的统计
12、结果综合考 虑10，统计并查看各单元模数出现的频率如图4所示，发现模数7出现频率较高。进一步查看单元模数7出现的平均数、标准差和差异系数，各项指标均较好，如表1所示，因此考虑将单元模数7设定为核心模数，并用程序统计验证。4420出现频次566788910单元模数1011 12 14 16 18 2028354048图4 单元模数频率折线图表1 平均值、标准差和发散系数统计表单元模数平均数标准差差异系数Cv41.51.120.75521.220.61641.870.4774.52.060.48851.870.37951.220.24102.50.50.2111.750.870.5122.50.5
13、0.2141.752.181.25161.751.660.9518300201.750.870.5 核心模数更新为6/7/8/9/10/12/18，边界约束条件不变，统计市面上常用的伸出长度1048m的39种情况。结果显示，只有11m和47m两种长度没有覆盖，能够覆盖37种不同的工作范围，覆盖率达94.9%，满足核心模数界定原则，并且组合方案中包含4+1组合，因此核心模数更新有效。在程序系统实现中，为保证每种长度都有搜索结果，程序设计需进一步改进：对于普通长度优先调用核心模数数组coreData2作为原数据进行选取，对于给定长度11和47这两种特殊情况，选择调用基本模数data进行选取。112
14、 建筑机械设计计算DESIGN&CALCULATION4.3 可视化界面设计与案例分析计算可视化界面设计主要通过对VS控件属性和事件的定义，重点是对搜索算法调用的事件处理。通过对市面上常用擦窗机调研，较为常用的擦窗机完全伸出长度为18m、27m、36m和40m，使用本程序系统进行搜索，搜索结果如表2所示。通过分析验证，每种长度组合均由核心模数构成，且满足伸缩臂装配条件和伸缩臂同步伸缩原则，组合方案选取有效，程序系统设计有效。表2 常用擦窗机伸缩臂组合方案完全伸出长度长度组合18186+128+10279+186+9+127+8+128+9+10368+10+187+8+9+124010+12+
15、186+7+9+186+7+8+9+105 结论（1）使用C#.NET平台开发模块化组合方案选取的专用系统，将擦窗机伸缩臂模块化组合方案设计封装在后台，设计可视化交互界面，用户只需输入目标长度，程序后台自动分析并将结果反馈给 用户。（2）更新模块化组合方案的核心模数，设定为6/7/8/9/10/12/18，并使用后台封装的程序算法进行统计验证，覆盖率达94.9%，满足核心模数界定原则，最后将更新的核心模数应用于程序设计算法中，作为伸缩臂长度组合选取的基础。（3）使用本程序系统对市面上常用的4种擦窗机伸缩臂完全伸出长度进行搜索，选取结果均由核心模数构成且满足边界约束条件，因此选取方案合理有效，为
16、擦窗机进一步的优化设计提供基础。参考文献1戴奇明.擦窗机桁架式伸缩臂优化设计J.建筑机械化，2019，40（02）：24-25.2A A Tarmaev，G I Petrov，V N Filippov.Analysis of freight cars wheels wear based on mathematical model-ing of the dynamics of their movementJ.Journal of Physics：Conference Series，2019，1172（01）.3戴奇明，兰阳春.擦窗机机型概述与选型分析J.建筑机械化，2020，41（05）：58-60.4郑夕健，李东旺，常晓华.屋面轨道式擦窗机伸缩臂与拖轮的接触分析J.建筑机械化，2017，38（11）：29-33.5蒋维，史康，宫朋飞.基于VB.NET的俯仰油缸驱动式擦窗机伸缩臂长度设计计算J.现代制造技术与装备，2017（12）：5-7.6郭海军，贾莉.基于VB的伸缩臂式擦窗机工作臂有限元分析J.建筑机械，2016（06）：57-60+74+9.7王勇玲，陈黎峰.塔式起重机标准节连接套
