礦用鏟運機反轉(zhuǎn)六連桿機構組合策略優(yōu)化與程序?qū)崿F(xiàn)

康鵬 楊杰

摘要：闡述了鏟運機工作裝置優(yōu)化設計數(shù)學模型建立、目標函數(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，對反轉(zhuǎn)六連桿機構進行了優(yōu)化設計并程序?qū)崿F(xiàn)，優(yōu)化后的各項性能指標較之前均有所提高。

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：TP311.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2018）35-0176-03

0? 引言

機構優(yōu)化設計又稱機構參數(shù)優(yōu)化設計，是機械優(yōu)化設計中發(fā)展比較早的一個研究領域。在各種機器和儀表的設計中，隨著機器運動速度的提高，迫切需要解決滿足運動學、動力學性能好的連桿機構的設計問題。最優(yōu)化技術和計算機技術的發(fā)展，在20世紀60年代末期就開始了連桿機構優(yōu)化設計的研究，并在實踐中得到了大范圍的應用[1]。機械的優(yōu)化設計是在數(shù)學規(guī)劃的基礎上，以計算機為工具，來尋求機械設計的最優(yōu)參數(shù)，這是機械設計領域的重要分支[2]。

本文選擇與目標函數(shù)敏度關系密切的礦用鏟運機工作裝置結構參數(shù)作為優(yōu)化設計變量;從其運動時的主要性能要求出發(fā)，確定對應的4個子目標函數(shù)。在結構設計過程中，設計人員可根據(jù)不同的設計目的進行單項選擇優(yōu)化目標或加權組合確定優(yōu)化的總目標函數(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構優(yōu)化設計的數(shù)學模型。

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

1? 基于組合策略的優(yōu)化設計

礦用鏟運機工作裝置采用反轉(zhuǎn)六連桿機構，由于它的優(yōu)化設計屬于有約束非線性的復雜優(yōu)化問題，其目標函數(shù)關系式是關于自變量的一次超越方程，其函數(shù)關系比較復雜，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，將兩個中任何一種方法單獨應用于約束非線性離散變量最優(yōu)化問題都難以達到比較理想的效果。鑒于此，本文以MDOD算法和正交網(wǎng)格法為基礎，根據(jù)“強優(yōu)弱劣”的理念，通過組合策略設計出串行結構混合全局優(yōu)化的新優(yōu)化算法，來實現(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法[3]而建立起來的，通過實驗正交表，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)格點作為優(yōu)化點。對可行域中n維變量每個變量分點數(shù)均分為T的優(yōu)化問題，正交網(wǎng)格法僅需算T2個網(wǎng)格點的結果，計算在域內(nèi)的每個網(wǎng)格節(jié)點上的目標函數(shù)值，對比計算值的大小，然后以目標函數(shù)值最小的節(jié)點為中心節(jié)點，在其附近可行域內(nèi)劃分更細小的網(wǎng)格，再計算在劃分區(qū)域內(nèi)各個節(jié)點上的目標函數(shù)值。循環(huán)以上步驟，直到目標函數(shù)值小到滿足要求，終止計算并輸出結果。

MDOD算法通常可以針對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混合次梯度方向離散搜索和在某單位鄰域內(nèi)進行組合優(yōu)化查點。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)六連桿機構優(yōu)化設計數(shù)學模型的建立

原有的礦用鏟運機反轉(zhuǎn)六連桿機構在工作時發(fā)現(xiàn)與預期設計存在不小的差距，其綜合性能有待改進。本文是在原有的礦用鏟運機反轉(zhuǎn)六連桿機構基礎上進行優(yōu)化設計的，所以優(yōu)化設計的變量只限制在鏟運機工作裝置連桿機構參數(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，選取工作機構處于地面鏟掘位置時的作業(yè)工況作為工作機構優(yōu)化設計的標定工況。工作裝置固定鉸點G、F、H的位置和相互關系以及鏟斗的各個結構參數(shù)都可視為不變量，動臂油缸與轉(zhuǎn)斗油缸的相關參數(shù)作為不變量。參考工程圖紙上參數(shù)的給定方法，以及所選的目標函數(shù)，選擇鉸點F坐標（L3，L5）、D點坐標（L7，L9）、A水平坐標L8、上搖臂長度L_ED、下?lián)u臂長度L_CD、EC間距L_EC和連桿長度L_CB這9個參數(shù)作為優(yōu)化設計變量，即：

目標函數(shù)從平移性、卸料性、自動放平性和連桿機構的動力性四個性能要求方面考慮，在對鏟運機工作裝置的連桿機構進行優(yōu)化時，取下列目標函數(shù)作為優(yōu)化目標：

式中：？棕1、？棕2、？棕3、？棕4——對應分目標函數(shù)加權因子？棕1+？棕2+？棕3+？棕4=1;

F（X1）——下限收斗位置連桿機構的傳力比的倒數(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個約束條件，用公式表示為：

式中ximin、ximax——分別為設計變量Xi的上、下限。

性能約束包括平移性約束、卸料性約束、自動放平約束、傳動角約束和連桿機構運動的協(xié)調(diào)性約束。

3? 面向?qū)ο蟮某绦蛟O計實現(xiàn)

地下礦用鏟運機工作裝置反轉(zhuǎn)六連桿機構優(yōu)化設計程序可實現(xiàn)的動臂、鏟斗、搖臂、拉桿、鏟運機前輪、動臂油缸及轉(zhuǎn)斗油缸等構件的相關尺寸數(shù)據(jù)的輸入、修改;可根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)計算、顯示機構運動過程中任意時刻的各鉸點的位置和速度;可顯示運動過程中任意時刻的主要性能參數(shù)并進行組合策略優(yōu)化，由此可以看出工作裝置的平移性、卸料性、動力性等性能的好壞情況;對機構進行了靜力學分析;可對工作裝置反轉(zhuǎn)六連桿機構進行優(yōu)化設計，從而得到性能更好的機構尺寸數(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計方法，相關模塊間的聯(lián)系簡單，程序模塊的獨立性、數(shù)據(jù)的安全性具有較好的保障。同時，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)和維護都更為方便。

程序主界面分為動畫區(qū)和數(shù)據(jù)輸入?yún)^(qū)。動畫區(qū)可實時顯示個部件運動位置，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)化結果分析與應用

應用本文提出的礦用鏟運機工作裝置優(yōu)化設計模型，對工作裝置進行優(yōu)化實例運算，計算結果如圖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，達到了預期效果。

經(jīng)過優(yōu)化的六連桿工作機構已成功應用到山西天地煤機公司的多種礦用鏟運機上，經(jīng)過實際應用效果良好，已經(jīng)向市場推廣數(shù)十臺。六連桿工作機構在經(jīng)過大量的實際應用過程中體現(xiàn)了結構緊湊，性能可靠，裝載量大等優(yōu)點。（圖5）

5? 結語

本文選擇表征礦用鏟運機工作裝置連桿機構狀態(tài)的9個結構參數(shù)作為優(yōu)化設計的變量;從連桿機構的動力性、平移性、卸料性和自動放平性四個方面建立連桿機構優(yōu)化設計多目標函數(shù)，采用MDOD算法和正交網(wǎng)格法進行了組合策略優(yōu)化，經(jīng)過過實例計算和結論分析的結果在實際應用中情況良好，達到了預期的目標。

本文開發(fā)了鏟運機反轉(zhuǎn)六連桿機構分析、優(yōu)化設計及運動仿真軟件，該軟件可用于反轉(zhuǎn)六連桿機構的運動演示、優(yōu)化設計及性能的檢驗，為反轉(zhuǎn)六連桿機構的設計提供了一個有力的工具。該軟件具有以下主要特點：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)進行調(diào)整時，圖形觀察區(qū)將顯示參數(shù)調(diào)整后的機構狀況

本文提供的機構分析和優(yōu)化設計軟件的實現(xiàn)過程都是從工程技術人員使用的實際情況來出發(fā)考慮的，計算結果非常適合工程技術人員設計使用，有一定的工程應用價值。同時所建立的運動分析理論及數(shù)學模型和組合策略優(yōu)化設計數(shù)學模型對連桿機構的分析和設計有一定的指導意義。

參考文獻：

[1]王文博.機構和機械零部件優(yōu)化設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1990.

[2]陳育儀.工程機械優(yōu)化設計[M].北京：中國鐵道出版社，1987，7.

[3]J.J.Pignatiello，J.S.Ramberg.Top ten triumphs and tragedies of GenichiTagu- chi[M].Quality Eeng，1991.

[4]陳立周，路鵬，孫成憲，等.工程離散變量優(yōu)化設計方法——原理與應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，1989.