基于遺傳算法的蓄電池輪胎式裝載機優化設計

摘" 要：為了解決防爆蓄電池輪胎式裝載機工作裝置在傳統設計模式下效率低下、準確性不足的缺陷，通過分析防爆裝載機工作裝置的各部件間的相互關系和運動規律，以及實際工作環境中的多種約束條件，建立工作裝置優化設計的數學模型，利用VC++和MATLAB軟件編寫基于遺傳算法的工作裝置優化程序;該程序通過模擬自然選擇和遺傳機制，經過程序在解空間的多次迭代和尋優求解，關鍵性能指標的優化比原模型提高11.3%，大大提高產品效率，可為同類型的復雜機構優化設計提供參考和借鑒。

關鍵詞：遺傳算法;優化設計;防爆裝載機;工作裝置;數學模型

中圖分類號：TD52" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）11-0120-04

Abstract： In order to solve the defects of low efficiency and insufficient accuracy of the working device of the explosion-proof battery tire loader under the traditional design mode， a mathematical model for the optimization design of the working device was established by analyzing the mutual relationship and motion laws among various components of the working device of the explosion-proof loader， as well as various constraints in the actual working environment， and a working device optimization program based on genetic algorithm was written using VC++ and MATLAB software; The program simulates natural selection and genetic mechanisms， and after multiple iterations and optimization solutions in the solution space of the program， the optimization of key performance indicators is increased by 11.3% compared with the original model， greatly improving product efficiency， and can be used for the same type of complex mechanisms. Provide reference for optimal design.

Keywords： genetic algorithm; optimization design; explosion-proof loader; working device; mathematical model

在井下工程領域，防爆蓄電池輪胎式裝載機是一種重要的特種作業設備，而工作裝置是防爆裝載機關鍵部件之一，是完成鏟、裝、運工作的一套連桿機構，其性能直接影響到防爆裝載機工作性能、效率與經濟性的優劣[1]。目前國內外工程技術人員主要采用 CAD 圖解設計法及解析法等進行設計和研究，這類研究方法都是基于靜態的圖解和計算，費時費力，難以找到設計連桿機構所需的參數最優值[2-3]。針對這一現狀，對防爆裝載機工作機構的設計方法進行改進和創新顯得尤為重要。

防爆裝載機工作機構的結構復雜，包含多個運動部件和連接件，各部件之間又存在運動學和力學相互作用的錯綜復雜關系[4-5]。因此，通過對防爆裝載機工作機構的分析，結合防爆裝載機工作機構的結構特點和遺傳算法理論，建立了工作機構數學模型，并且在此基礎上編寫了計算機優化程序，對防爆裝載機工作機構的計算機優化設計進行了研究和探討。

1" 數學模型的建立

防爆裝載機工作機構為反轉六連桿機構，如圖1所示。分別由大臂、連桿、搖臂、鏟斗、舉升油缸和翻轉油缸組成。

根據工作裝置部件圖，可以進一步得到工作裝置的結構簡圖，如圖2所示。鏟斗的裝載與卸料運動主要由翻轉油缸BE控制，翻轉油缸BE的伸縮控制著搖臂EGF與連桿FC運動，帶動鏟斗繞著大臂鉸點D旋轉以實現工作動作;在舉升油缸MN的伸縮作用下，大臂AD可以繞鉸點A旋轉控制整個裝置做升降運動。

1.1" 設計變量

根據防爆裝載機的工作情況，選取工作裝置處于最低掘取位置工況為優化設計工況，經過分析，確定工作裝置的設計方案需要10個變量

X=[x1，x2，x3，x4，x5，x6，x7，x8，x9，x10]T=[l1，l2，l3，l4，l5，α1，α2，α3，α4，β]T ，" "（1）

式中：l1，l2，l3，l4，l5分別是CD，GF，AG，EG，AB的桿長;α1，α2，α3，α4，β分別是∠EGF，∠DAG，∠AGE，∠DAN以及鉸點C、D與水平線之間的夾角。

1.2" 目標函數

防爆裝載機設計要求是在滿足性能指標的條件下，經濟性也就是工作效率要達到最優，則目標函數定為連桿機構的力量傳遞比[6-7]。

式中：α5，α6，α7分別是∠DCF，∠GEB，∠CFG。

1.3" 約束條件

1.3.1" 邊界約束

各設計變量根據設計經驗以及連桿機構的組成結構都有一個合理的取值范圍，在充分分析該機型的工作特點基礎上，確定各設計變量的極限約束為

ximin≤xi≤ximax （i=1，2，3，…，10） ，" "（3）

式中：ximin，ximax分別是第i個設計變量的極限值。

1.3.2" 平移性約束

平移性是指在鏟斗收斗之后到被舉升到最高位置鏟斗角度變化的差值。平移性是衡量工作裝置運動性能優劣的重要技術指標，直接關系到物料在舉升過程中的穩定性和工作裝置裝卸的效率。為了評估這一指標，可以通過考察工作裝置在舉升過程中鏟斗的傾角變化來判斷，一般要求平移性要小于10°，差值越小，平移性越好，在舉升過程中鏟斗灑落的物料也就越少[8-9]。

α9≤α8≤α10 ，" " " " " " （4）

α10-α8≤α11 ，" " " " " " （5）

式中：α8為運輸位置收斗角;α9為大臂最低位置收斗角;α10為大臂最高位置收斗角;α11為大臂在舉升中允許的轉角差值。

1.3.3" 傳動角約束

作為一套在工作中不斷運動的連桿機構，需要在整個工作過程中關注連桿運動的夾角變化，為了保證連桿機構在運動的過程中不會發生鎖死，同時運動中具有穩定性和靈活性，就要求連桿傳動角變化范圍在0°到170°之間。

1.3.4" 連桿運動約束

連桿機構的合理與協調性是連桿運動的必要條件。

l1-l2+l6-l7≥0 ， " " " " " （6）

l3+l4-l5-l8≥0 ，" " " " " （7）

式中：l6，l7，l8分別是DG，CF和BE的桿長。

此外，需考慮干涉性約束。在工作裝置運動過程中，各連桿、大臂、搖臂等零部件在運動范圍內不會發生內部干涉，且也不會與防爆裝載機的前機架等外部部件發生干涉的。需考慮油缸穩定性約束。分析油缸長度、行程、工作壓力等參數，要對油缸的主要工作位置的推力進行力學分析和計算，保證油缸能提供工作裝置在插入作業、翻斗作業、舉升作業時所需要的推力達到設計要求。可根據設計要求分別對這些約束列出解析表達式。

2" 遺傳算法及其程序實現

遺傳算法是一種基于生物進化原理的隨機優化算法，具有高效和并行處理的優點[10-11]。其原理是設定一個可能解集作為求解目標的初始種群，通過程序模擬自然界中物種優勝劣汰的演變進化過程，采用選擇、交叉和變異的方式進行種群的進化，使得后代種群優于前代種群，逐代產生求解初始種群的更優解，最終產生的末代種群即為問題最優解[12]。

初始種群的確定是很關鍵的，工作裝置連桿機構的優化屬于非線性約束優化，考慮到設計變量較多，如果簡單地通過隨機數法產生初始種群，向量組及運算量都是極其巨大的，可根據分析編寫特定隨機數程序。

交叉運算采用基于方向的目標函數值來確定，后代X'由雙親X1和X2按照如下公式產生

X'=r1（X2-X1）+X2 ，" " " "（8）

式中：r1為隨機數，0lt;r1lt;1。

變異運算為基于方向的運算，其后代為

X'=X+r2d ，" " " " " "（9）

式中：r2為隨機非負實數;d為近似梯度。

在選擇運算這一關鍵環節上，可以采用多種策略和方法來保證需求解的種群具有有效的進化方向，而混合采樣法在全局搜索和收斂速度上都具有一定優勢，是一種結合了多種選擇策略的高級求解方法。

在混合采樣法中，通過轉輪選擇法對樣本進行挑選，算法的核心思想是根據每個個體的適應度值分配一個相應的選擇概率，每個個體被映射到轉輪上的一個區間，區間的長度與該個體的選擇概率成正比，這些概率的總和為1，通過模擬轉動并隨機選擇一個落點，來確定被選中的個體[13]。最終這些經過選擇、交叉和變異操作后產生的新個體將加入到下一次迭代的樣本種群中，通過反復迭代，最終可獲取所求最優解。

通過MATLAB自帶的Genetic Algorithm遺傳算法模塊進行主程序的編制，交叉概率設定為Pc=0.85，變異運算的概率Pm=0.15，初始種群的數量為40，迭代次數為90，迭代運算之后求得了目標最優值，目標函數迭代圖如圖3所示。

3" 優化結果分析

優化前后各變量變化對比見表1。CD，GF，AG，EG，AB的桿長經過優化之后，都發生了一定的變化;此外，∠EGF，∠DAG，∠AGE，∠DAN以及鉸點C、D與水平線之間的夾角也大都有所變動，這些優化結果值體現在相應工作裝置上的變化就是主要的連桿鉸接點位置發生了變化，那么它們在幾個工作動作下的位置也與初始值完全不同了。根據遺傳算法的原理，這些變化并非無序和任意的，都是經過算法的優化和迭代，最終得到的最優解。

根據上述設計變量的變化，主要的性能參數變化見表2。優化數據對比分析可知，通過計算機優化，10個設計變量對照初始設計值基本都發生了一定幅度的變化;新的設計變量值組成的這一套新的連桿系統，連桿機構主要的性能參數都達到了機構設計的要求，并且主要鉸點位置比以前略低，這有利于提高車輛穩定性，同時操作視線也更好，從而進一步提高了整車作業的安全性和效率。

從表2得知，在大臂最低時收斗作業的關鍵連桿運動位置，優化后的連桿力量傳遞比有了明顯提高，翻斗油缸的力量傳遞比較原設計提高了11.3%，主要是因為連桿位置和長度優化后，作用在連桿機構上的力臂增大了，有效提高了工作裝置鏟斗端的鏟取力。除了對油缸力量傳遞比進行對比和分析，還需要關注其他一些關鍵性參數通過優化后，能滿足和符合工作裝置的運動和位置要求。最低位置收斗角、平移性、傳動角最大值、傳動角最小值、自動放平時斗傾角、卸料角這些關鍵參數，優化后的數值都在設計要求的范圍內，且對比初始值，都有一定的優化。

大臂舉升過程中的平移性可以通過對工作裝置鏟斗傾角的變化來分析，如圖4所示。在原始設計數據中，鏟斗傾角變化設計為6.9°，這一設計雖然符合該參數的基本要求，但是根據經驗，在實際作業中這一角度還是容易導致鏟斗在舉升過程中灑落物料，因此并不十分理想。通過優化設計，鏟斗傾角變化降低到了4.7°，對比原設計有了較大提高，可減少鏟斗中的物料在舉升過程中的灑落，具有較好的平移性。

4" 結束語

研究針對井下防爆蓄電池輪胎式裝載機工作裝置連桿機構進行了深入的優化設計工作。

首先，根據防爆裝載機在實際工作中的各種工況，建立了工作裝置連桿機構數學模型。選取了10個關鍵性設計變量作為優化對象，主要目標函數設定為關鍵工況時的翻斗油缸力量傳遞比。根據優化目標定義了模型的優化約束條件。

其次，采用了遺傳算法理論來進行優化求解。通過編寫VC++和MATLAB程序來實現對已建立的數學模型的優化求解，通過不斷對比和分析優化迭代的結果，對算法程序進行了多次調試和改進，獲得了最終的優化數據結果。

最終通過優化迭代，得到所求的連桿結構數據。與優化前對比和分析，優化結果中的平移性等情況都有了顯著改進，并且在關鍵的插入翻斗工況下，翻斗油缸力量傳遞比提高了11.3%。優化后的各參數也均符合設計要求，確認了研究采用的技術方案和優化方法的合理與可靠性。

綜上所述，通過遺傳算法對防爆裝載機進行優化的數學模型和優化方法都是可行并有效的。研究不僅對提高防爆裝載機工作裝置的工作效率和作業性能具有重要意義，也為防爆裝載機的優化設計提供了新的思路和解決方案，同時還可以為同類型的復雜工作連桿機構的優化設計提供參考和借鑒。

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