礦用鏟運(yùn)機(jī)反轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)組合策略優(yōu)化與程序?qū)崿F(xiàn)

康鵬 楊杰

摘要：闡述了鏟運(yùn)機(jī)工作裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型建立、目標(biāo)函數(shù)選擇、約束條件建立、優(yōu)化方法選擇。以工作裝置的主要性能作為目標(biāo)函數(shù)，利用正交網(wǎng)格法和MDOD算法的組合策略優(yōu)化方案，對(duì)反轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)并程序?qū)崿F(xiàn)，優(yōu)化后的各項(xiàng)性能指標(biāo)較之前均有所提高。

Abstract： The loader working mechanism optimization of the establishment of mathematical model， the selection of objective function， the determination of the constraint conditions， the selection of the optimization method and so on are presented in this paper. Using the complex optimum method the optimization design is done after taking the important function as objective function and establishing constraint conditions. Performance parameter is improved after optimization.

關(guān)鍵詞：工作裝置;反轉(zhuǎn)六連桿;組合策略優(yōu)化

Key words： loader working mechanism;reverse six-bar linkage;optimum design

中圖分類號(hào)：TP311.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2018）35-0176-03

0? 引言

機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)又稱機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，是機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中發(fā)展比較早的一個(gè)研究領(lǐng)域。在各種機(jī)器和儀表的設(shè)計(jì)中，隨著機(jī)器運(yùn)動(dòng)速度的提高，迫切需要解決滿足運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)性能好的連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)問題。最優(yōu)化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在20世紀(jì)60年代末期就開始了連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究，并在實(shí)踐中得到了大范圍的應(yīng)用[1]。機(jī)械的優(yōu)化設(shè)計(jì)是在數(shù)學(xué)規(guī)劃的基礎(chǔ)上，以計(jì)算機(jī)為工具，來尋求機(jī)械設(shè)計(jì)的最優(yōu)參數(shù)，這是機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域的重要分支[2]。

本文選擇與目標(biāo)函數(shù)敏度關(guān)系密切的礦用鏟運(yùn)機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)作為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量;從其運(yùn)動(dòng)時(shí)的主要性能要求出發(fā)，確定對(duì)應(yīng)的4個(gè)子目標(biāo)函數(shù)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)不同的設(shè)計(jì)目的進(jìn)行單項(xiàng)選擇優(yōu)化目標(biāo)或加權(quán)組合確定優(yōu)化的總目標(biāo)函數(shù)。優(yōu)化方法采用MDOD算法和正交網(wǎng)格法的組合策略，并為優(yōu)化方法建立工作裝置連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型。

礦用鏟運(yùn)機(jī)通常工作在巷道中，其工作裝置受到其工作空間的嚴(yán)格限制，但其反轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)性能與地面相同機(jī)構(gòu)的性能要求有過之無不及，因此，針對(duì)鏟運(yùn)機(jī)工作裝置有其極為重要的意義。

1? 基于組合策略的優(yōu)化設(shè)計(jì)

礦用鏟運(yùn)機(jī)工作裝置采用反轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)，由于它的優(yōu)化設(shè)計(jì)屬于有約束非線性的復(fù)雜優(yōu)化問題，其目標(biāo)函數(shù)關(guān)系式是關(guān)于自變量的一次超越方程，其函數(shù)關(guān)系比較復(fù)雜，直接求解十分困難，優(yōu)化變量必須為以毫米為單位的整數(shù)，且其約束均為不等式的約束方程。為此，采用正交網(wǎng)格法和MDOD算法組合策略優(yōu)化方案，兩種優(yōu)化方法各有優(yōu)劣，將兩個(gè)中任何一種方法單獨(dú)應(yīng)用于約束非線性離散變量最優(yōu)化問題都難以達(dá)到比較理想的效果。鑒于此，本文以MDOD算法和正交網(wǎng)格法為基礎(chǔ)，根據(jù)“強(qiáng)優(yōu)弱劣”的理念，通過組合策略設(shè)計(jì)出串行結(jié)構(gòu)混合全局優(yōu)化的新優(yōu)化算法，來實(shí)現(xiàn)全局尋優(yōu)。

正交網(wǎng)格算法的基本理念是基于正交試驗(yàn)法[3]而建立起來的，通過實(shí)驗(yàn)正交表，在優(yōu)化參數(shù)的可行域內(nèi)均勻選取網(wǎng)格中部分具有代表性的網(wǎng)格點(diǎn)作為優(yōu)化點(diǎn)。對(duì)可行域中n維變量每個(gè)變量分點(diǎn)數(shù)均分為T的優(yōu)化問題，正交網(wǎng)格法僅需算T2個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的結(jié)果，計(jì)算在域內(nèi)的每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的目標(biāo)函數(shù)值，對(duì)比計(jì)算值的大小，然后以目標(biāo)函數(shù)值最小的節(jié)點(diǎn)為中心節(jié)點(diǎn)，在其附近可行域內(nèi)劃分更細(xì)小的網(wǎng)格，再計(jì)算在劃分區(qū)域內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn)上的目標(biāo)函數(shù)值。循環(huán)以上步驟，直到目標(biāo)函數(shù)值小到滿足要求，終止計(jì)算并輸出結(jié)果。

MDOD算法通?？梢葬槍?duì)非線性混合離散變量規(guī)劃問題求解的有效方法，MDOD算法本質(zhì)上是約束非線性混合離散變量直接搜索方法，主要方法法包含在離散空間沿相對(duì)混合次梯度方向離散搜索和在某單位鄰域內(nèi)進(jìn)行組合優(yōu)化查點(diǎn)。MDOD算法適用于求解全部變量為離散型或既有離散變量又有連續(xù)變量的混合型優(yōu)化問題，也可用于求解經(jīng)過變量離散化處理的連續(xù)變量的優(yōu)化問題[4]，本文所采用的變量就是采用經(jīng)過變量離散化處理的連續(xù)變量，并以毫米為單位的整數(shù)。

2? 反轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型的建立

原有的礦用鏟運(yùn)機(jī)反轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)在工作時(shí)發(fā)現(xiàn)與預(yù)期設(shè)計(jì)存在不小的差距，其綜合性能有待改進(jìn)。本文是在原有的礦用鏟運(yùn)機(jī)反轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的，所以優(yōu)化設(shè)計(jì)的變量只限制在鏟運(yùn)機(jī)工作裝置連桿機(jī)構(gòu)參數(shù)以及改變比較方便的舉升缸和轉(zhuǎn)斗缸的位置參數(shù)。

如圖1所示，選取工作機(jī)構(gòu)處于地面鏟掘位置時(shí)的作業(yè)工況作為工作機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的標(biāo)定工況。工作裝置固定鉸點(diǎn)G、F、H的位置和相互關(guān)系以及鏟斗的各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)都可視為不變量，動(dòng)臂油缸與轉(zhuǎn)斗油缸的相關(guān)參數(shù)作為不變量。參考工程圖紙上參數(shù)的給定方法，以及所選的目標(biāo)函數(shù)，選擇鉸點(diǎn)F坐標(biāo)（L3，L5）、D點(diǎn)坐標(biāo)（L7，L9）、A水平坐標(biāo)L8、上搖臂長(zhǎng)度L_ED、下?lián)u臂長(zhǎng)度L_CD、EC間距L_EC和連桿長(zhǎng)度L_CB這9個(gè)參數(shù)作為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，即：

目標(biāo)函數(shù)從平移性、卸料性、自動(dòng)放平性和連桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)力性四個(gè)性能要求方面考慮，在對(duì)鏟運(yùn)機(jī)工作裝置的連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，取下列目標(biāo)函數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)：

式中：？棕1、？棕2、？棕3、？棕4——對(duì)應(yīng)分目標(biāo)函數(shù)加權(quán)因子？棕1+？棕2+？棕3+？棕4=1;

F（X1）——下限收斗位置連桿機(jī)構(gòu)的傳力比的倒數(shù);

F2（X）——45°與最小卸料角的比值;

F3（X）——舉升過程中最大與最小收斗角的差值;

F4（X）——上限卸料后不收斗回到下限位置時(shí)的鏟斗位置角。

約束條件包括邊界約束和性能約束。邊界約束一共有18個(gè)約束條件，用公式表示為：

式中ximin、ximax——分別為設(shè)計(jì)變量Xi的上、下限。

性能約束包括平移性約束、卸料性約束、自動(dòng)放平約束、傳動(dòng)角約束和連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性約束。

3? 面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

地下礦用鏟運(yùn)機(jī)工作裝置反轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)程序可實(shí)現(xiàn)的動(dòng)臂、鏟斗、搖臂、拉桿、鏟運(yùn)機(jī)前輪、動(dòng)臂油缸及轉(zhuǎn)斗油缸等構(gòu)件的相關(guān)尺寸數(shù)據(jù)的輸入、修改;可根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)計(jì)算、顯示機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中任意時(shí)刻的各鉸點(diǎn)的位置和速度;可顯示運(yùn)動(dòng)過程中任意時(shí)刻的主要性能參數(shù)并進(jìn)行組合策略優(yōu)化，由此可以看出工作裝置的平移性、卸料性、動(dòng)力性等性能的好壞情況;對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了靜力學(xué)分析;可對(duì)工作裝置反轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而得到性能更好的機(jī)構(gòu)尺寸數(shù)值，軟件的整體數(shù)據(jù)流程圖見圖2。

程序采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法，相關(guān)模塊間的聯(lián)系簡(jiǎn)單，程序模塊的獨(dú)立性、數(shù)據(jù)的安全性具有較好的保障。同時(shí)，通過繼承與多態(tài)性，使程序具有很高的可重用性，使得軟件的開發(fā)和維護(hù)都更為方便。

程序主界面分為動(dòng)畫區(qū)和數(shù)據(jù)輸入?yún)^(qū)。動(dòng)畫區(qū)可實(shí)時(shí)顯示個(gè)部件運(yùn)動(dòng)位置，數(shù)據(jù)輸入?yún)^(qū)為原始數(shù)據(jù)輸入和優(yōu)化操作。（圖3）

4? 優(yōu)化結(jié)果分析與應(yīng)用

應(yīng)用本文提出的礦用鏟運(yùn)機(jī)工作裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，對(duì)工作裝置進(jìn)行優(yōu)化實(shí)例運(yùn)算，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

在裝料舉升過程中收斗角的變化量由原來的18.78°減小到15.11°。此外，最大卸載高度有所增加，達(dá)到了預(yù)期效果。

經(jīng)過優(yōu)化的六連桿工作機(jī)構(gòu)已成功應(yīng)用到山西天地煤機(jī)公司的多種礦用鏟運(yùn)機(jī)上，經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用效果良好，已經(jīng)向市場(chǎng)推廣數(shù)十臺(tái)。六連桿工作機(jī)構(gòu)在經(jīng)過大量的實(shí)際應(yīng)用過程中體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)緊湊，性能可靠，裝載量大等優(yōu)點(diǎn)。（圖5）

5? 結(jié)語

本文選擇表征礦用鏟運(yùn)機(jī)工作裝置連桿機(jī)構(gòu)狀態(tài)的9個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的變量;從連桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)力性、平移性、卸料性和自動(dòng)放平性四個(gè)方面建立連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)多目標(biāo)函數(shù)，采用MDOD算法和正交網(wǎng)格法進(jìn)行了組合策略優(yōu)化，經(jīng)過過實(shí)例計(jì)算和結(jié)論分析的結(jié)果在實(shí)際應(yīng)用中情況良好，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

本文開發(fā)了鏟運(yùn)機(jī)反轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真軟件，該軟件可用于反轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)演示、優(yōu)化設(shè)計(jì)及性能的檢驗(yàn)，為反轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)有力的工具。該軟件具有以下主要特點(diǎn)：①信息可視化。 即輸入的信息和輸出的信息都以顯式的形式在圖形區(qū)顯示出來，便于用戶觀察。②數(shù)據(jù)調(diào)整可視化 即工作裝置的任一參數(shù)進(jìn)行調(diào)整時(shí)，圖形觀察區(qū)將顯示參數(shù)調(diào)整后的機(jī)構(gòu)狀況

本文提供的機(jī)構(gòu)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件的實(shí)現(xiàn)過程都是從工程技術(shù)人員使用的實(shí)際情況來出發(fā)考慮的，計(jì)算結(jié)果非常適合工程技術(shù)人員設(shè)計(jì)使用，有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)所建立的運(yùn)動(dòng)分析理論及數(shù)學(xué)模型和組合策略優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型對(duì)連桿機(jī)構(gòu)的分析和設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。

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