液壓挖掘機(jī)反鏟工作裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)

液壓挖掘機(jī)反鏟工作裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)

0液壓起重機(jī)工作裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)反沖洗液壓機(jī)是一種典型的四門(mén)式壓力圖，由動(dòng)臂、斗桿、鉗臂、動(dòng)臂、液壓室、斗桿液壓機(jī)、轉(zhuǎn)斗液壓機(jī)等工作部件組成。由于空間開(kāi)鏈工作機(jī)構(gòu)的主要用途是實(shí)現(xiàn)末桿在空間位置和方向的力和運(yùn)動(dòng)的傳遞,因此開(kāi)鏈工作機(jī)構(gòu)的主要問(wèn)題是研究各桿相互位置關(guān)系對(duì)實(shí)現(xiàn)末桿在空間位置和方向傳遞力和運(yùn)動(dòng)性能的影響。機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)是以數(shù)學(xué)規(guī)劃為理論基礎(chǔ),以計(jì)算機(jī)為工具,尋求最佳機(jī)械設(shè)計(jì)方案的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法之一,它包括建立數(shù)學(xué)模型和選擇恰當(dāng)?shù)膬?yōu)化方法。對(duì)于液壓挖掘機(jī)的優(yōu)化,主要可以從兩方面來(lái)進(jìn)行:一方面,由于其工作裝置為開(kāi)鏈多桿機(jī)構(gòu),對(duì)應(yīng)于斗齒尖的每一個(gè)作業(yè)位置,可以有完全不同的動(dòng)臂、斗桿和鏟斗轉(zhuǎn)角參數(shù)組合,因而,可以通過(guò)優(yōu)化控制參數(shù)組合,從控制的角度對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。另一方面,可以通過(guò)優(yōu)化工作裝置的鉸點(diǎn)布局來(lái)改善工作裝置的傳力性能,從而從結(jié)構(gòu)優(yōu)化的角度來(lái)改善挖掘機(jī)的作業(yè)性能。液壓挖掘機(jī)工作裝置的優(yōu)化是液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)中極為重要的一部分,它對(duì)于提高整機(jī)的工作效率和作業(yè)性能具有重要的意義。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者對(duì)其運(yùn)動(dòng)分析、動(dòng)態(tài)模擬、參數(shù)優(yōu)化以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等方面都作了較深入的研究,相關(guān)文獻(xiàn)也很多,但由于液壓挖掘機(jī)工作裝置的優(yōu)化屬于多變量、多極點(diǎn)、多約束的非線(xiàn)性規(guī)劃問(wèn)題,最優(yōu)化求解困難。因而采用常規(guī)優(yōu)化方法很難得到最優(yōu)解。遺傳算法是一種基于自然選擇和群體進(jìn)化機(jī)制的、在尋求全局最優(yōu)解方面具有高效能的參數(shù)優(yōu)化方法。它對(duì)于問(wèn)題的依賴(lài)性比較小、對(duì)問(wèn)題的種類(lèi)有很強(qiáng)的魯棒性、計(jì)算簡(jiǎn)單且功能較強(qiáng)。因此,我們?cè)趯?duì)相關(guān)文獻(xiàn)充分研究的基礎(chǔ)上,建立了挖掘機(jī)反鏟工作裝置的綜合優(yōu)化模型,提出了基于遺傳優(yōu)化算法的綜合優(yōu)化方法,編寫(xiě)了作業(yè)性能分析與優(yōu)化軟件對(duì)其進(jìn)行了綜合優(yōu)化,并對(duì)優(yōu)化前后的工作裝置進(jìn)行了仿真及實(shí)驗(yàn)研究。1遺傳算法優(yōu)化流程遺傳算法(GeneticAlgorithm,簡(jiǎn)稱(chēng)GA)是一種模擬自然界遺傳機(jī)制和生物進(jìn)化論而成的一種并行隨機(jī)搜索最優(yōu)化方法。它是美國(guó)Michigan大學(xué)J.Holland教授于1962年首先提出來(lái)的,但直到1975年J.Holland教授出版了頗有影響的專(zhuān)著《AdaptationinNaturalandArtificialSystems》,GA這個(gè)名稱(chēng)才逐漸為人們所知。它將“優(yōu)勝劣汰,適者生存”的生物進(jìn)化原理引入優(yōu)化參數(shù)形成的編碼串聯(lián)群體中,按所選擇的適應(yīng)度函數(shù)通過(guò)復(fù)制、交叉、變異對(duì)個(gè)體進(jìn)行篩選,保留適應(yīng)度高的個(gè)體,淘汰適應(yīng)度低的個(gè)體,形成新的種群,實(shí)現(xiàn)代間進(jìn)化。這樣周而復(fù)始,直到滿(mǎn)足一定的條件為止。相對(duì)于傳統(tǒng)的枚舉法、搜索算法、復(fù)合形法等,遺傳算法具有很強(qiáng)的解決問(wèn)題的能力和廣泛的適應(yīng)性。我們?cè)趯?duì)挖掘機(jī)工作裝置優(yōu)化中所采用的遺傳算法優(yōu)化流程如圖1所示,可描述為:1)隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)初始化種群,并按照目標(biāo)函數(shù)計(jì)算個(gè)體的適應(yīng)度;2)判斷算法否收斂,如果滿(mǎn)足則結(jié)束計(jì)算,輸出搜索結(jié)果,否則,進(jìn)入下一步;3)根據(jù)個(gè)體適應(yīng)度的大小,選擇個(gè)體直接進(jìn)行復(fù)制;4)按照交叉概率Pc選擇個(gè)體,并兩兩執(zhí)行單點(diǎn)交叉,兩點(diǎn)交叉或者多點(diǎn)交叉操作,形成新的個(gè)體;5)按照變異概率Pm對(duì)個(gè)體執(zhí)行變異操作,形成新的個(gè)體;6)返回步驟2。在遺傳算法中,一般采用二進(jìn)制編碼,但是由于相鄰整數(shù)的二進(jìn)制編碼可能具有較大的Hamming距離,這種缺陷將降低遺傳算子的搜索效率。為此,我們選擇了格雷碼編碼方式有效地解決了這個(gè)問(wèn)題。格雷碼遺傳算法(簡(jiǎn)稱(chēng)GGA)的主要優(yōu)點(diǎn)是:便于提高遺傳算子的搜索效率,雜交、變異等遺傳操作便于實(shí)現(xiàn),符合最小字符集原則;便于用模式定理對(duì)算法進(jìn)行理論分析,能克服二進(jìn)制編碼Hamming懸崖的缺點(diǎn)。2工作裝置結(jié)構(gòu)反鏟液壓挖掘機(jī)主要是靠液壓缸的作用力來(lái)作業(yè)的,其工作裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示。工作時(shí)主要采用斗桿或轉(zhuǎn)斗挖掘,動(dòng)臂液壓缸則用于定位和提升。因此,需要分別建立各個(gè)液壓缸的目標(biāo)函數(shù)。2.1斗桿理論挖掘力計(jì)算根據(jù)文獻(xiàn)所述的優(yōu)化理論,選取斗桿理論挖掘力的負(fù)數(shù)為斗桿液壓缸的第1個(gè)目標(biāo)函數(shù),即式中,F2為斗桿液壓缸推力;e3為斗桿液壓缸作用力臂;LFV為鉸點(diǎn)F到鉸點(diǎn)V的距離。其次,當(dāng)斗桿液壓缸由最短伸至最長(zhǎng)時(shí),斗桿挖掘力始終能夠充分發(fā)揮作用,則斗桿理論挖掘功為A2=FSΔL2max=∫θ3maxθ3minθ3maxθ3minFSLFVdθ3=F2∫θ3maxθ3minθ3maxθ3mine3dθ3式中,θ3為斗桿轉(zhuǎn)角,θ3max和θ3min分別為斗桿最大和最小轉(zhuǎn)角;e3為斗桿液壓缸作用力臂。取ΔL2max為斗桿挖掘的第2個(gè)目標(biāo)函數(shù)得ΔL2max=∫θ3maxθ3minθ3maxθ3mine3dθ3(2)設(shè)計(jì)時(shí)希望斗桿理論挖掘力曲線(xiàn)逼近挖掘阻力曲線(xiàn),因此得到第3個(gè)目標(biāo)函數(shù)為f23=Ν1∑i=1(FS-W1g)2/Ν1(3)f23=∑N1i=1(FS?W1g)2/N1(3)式中,W1g為斗桿挖掘阻力;N1為計(jì)算點(diǎn)數(shù)。2.2轉(zhuǎn)斗挖掘力計(jì)算同理,選取轉(zhuǎn)斗理論挖掘力的負(fù)數(shù)為轉(zhuǎn)斗液壓缸的第1個(gè)目標(biāo)函數(shù),即f31=-FB=-F3i(4)式中,F3為轉(zhuǎn)斗液壓缸推力,i為鏟斗機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比。其次,當(dāng)斗桿液壓缸由最短伸至最長(zhǎng)時(shí),斗桿挖掘力始終能夠充分發(fā)揮作用,則斗桿理論挖掘功為A3=FBΔL3max=∫θ4maxθ4minθ4maxθ4minFBLQVdθ4=F3∫θ4maxθ4minθ4maxθ4miniLQVdθ4式中,LQV為鉸點(diǎn)Q到鉸點(diǎn)V的距離;θ4為鏟斗轉(zhuǎn)角;θ4max和θ4min分別為鏟斗最大和最小轉(zhuǎn)角。取ΔL3max為轉(zhuǎn)斗挖掘的第2個(gè)目標(biāo)函數(shù)得f32=ΔL3max=∫θ4maxθ4minLQΚsin∠GΜΝsin∠ΜΚQsin∠ΝΜΚdθ4(5)f32=ΔL3max=∫θ4maxθ4minLQKsin∠GMNsin∠MKQsin∠NMKdθ4(5)式中,LQK為鉸點(diǎn)Q到鉸點(diǎn)K的距離;∠GMN,∠MKQ和∠NMK為鉸點(diǎn)連線(xiàn)之間的夾角。設(shè)計(jì)時(shí)希望轉(zhuǎn)斗理論挖掘力曲線(xiàn)逼近挖掘阻力曲線(xiàn),因此得到第3個(gè)目標(biāo)函數(shù)為f33=Ν2∑i=1(FB-W1d)2/Ν2(6)f33=∑N2i=1(FB?W1d)2/N2(6)式中,W1d為轉(zhuǎn)斗挖掘阻力;N2為計(jì)算點(diǎn)數(shù)。2.3動(dòng)臂液壓缸提升力動(dòng)臂液壓缸的主要作用是提升鏟斗至一定高度進(jìn)行卸載,這要求動(dòng)臂液壓缸具有充足的提升力。選取動(dòng)臂提升力的負(fù)數(shù)為動(dòng)臂液壓缸的第1個(gè)目標(biāo)函數(shù),即式中,P1為動(dòng)臂液壓缸推力,e2′為液壓缸推力至鉸點(diǎn)F的力臂,XG3為帶土鏟斗的重心橫坐標(biāo),XF為鉸點(diǎn)F的橫坐標(biāo)。當(dāng)動(dòng)臂液壓缸由最短伸至最長(zhǎng)時(shí),提升力始終能夠充分發(fā)揮作用,提升過(guò)程中做功為A1=P1ΔL1max=∫θ2maxθ2minP1e2′dθ2=P1∫θ2maxθ2mine2′dθ2取ΔL1max為動(dòng)臂提升的第2個(gè)目標(biāo)函數(shù)得f12=ΔL1max=∫θ2maxθ2mine2′dθ2(8)式中,θ2為動(dòng)臂轉(zhuǎn)角;θ2max和θ2min分別為動(dòng)臂最大和最小轉(zhuǎn)角。3運(yùn)動(dòng)方程的約束以及必要約束的限制在反鏟工作裝置中,約束條件主要可分為以下幾類(lèi):1)基本作業(yè)參數(shù)的約束即最大挖掘深度,最大卸料高度,最大挖掘半徑以及停機(jī)面最大挖掘半徑等約束;2)液壓缸推力、結(jié)構(gòu)尺寸以及閉鎖力的約束a.當(dāng)工作裝置各液壓缸的壓力確定之后,液壓缸所能夠提供的主動(dòng)力是定值[P0]i,根據(jù)外載荷求得各液壓缸所需推力Pi′應(yīng)接近定值[P0]i([P0]i由各液壓缸壓力和大、小腔面積決定),即gi(X)=Ρi′-[Ρ0]i[Ρ0]i＜0(i=1?2?3)(9)b.液壓缸兩端應(yīng)該留有缸頭最小尺寸(T1+T2)iming3+i(X)=λimin-[(λmax-λmin)+(T1+T2)imin]<0(i=1,2,3)(10)c.反鏟工作裝置的液壓缸位于挖掘機(jī)的前端,液壓缸的重量對(duì)整機(jī)性能的影響較大,應(yīng)該加以約束d.各工作液壓缸的閉鎖限制、整機(jī)穩(wěn)定性以及地面附著條件約束。3)特殊挖掘尺寸閉鎖力的約束包括最大挖掘深度時(shí)的動(dòng)臂液壓缸閉鎖力和滿(mǎn)斗最大挖掘半徑時(shí)的動(dòng)臂液壓缸提升力矩。4)機(jī)構(gòu)參數(shù)的約束主要包括幾何條件的約束以及運(yùn)動(dòng)特性的約束兩個(gè)方面。幾何特性主要是各個(gè)三角形約束;運(yùn)動(dòng)特性約束則比較復(fù)雜,比如,鏟斗機(jī)構(gòu)中的鉸接四連桿機(jī)構(gòu)必須是雙搖桿機(jī)構(gòu),工作中鏟斗必須保持與搖桿同向擺動(dòng),工作裝置各部件需有較大的轉(zhuǎn)角以及各液壓缸不得與工作裝置其他部件相碰撞等約束。5)傳動(dòng)角以及桿長(zhǎng)的約束機(jī)構(gòu)優(yōu)化的目的就是為了追求最佳傳力性能。當(dāng)桿件上的最大外載荷與行程終止位置相差一個(gè)數(shù)量級(jí)并且傳動(dòng)角又小時(shí),桿件的傳力效率會(huì)很差。為防止此類(lèi)狀況出現(xiàn),必須對(duì)傳動(dòng)角加以限制。g28(X)=[μmin]-∠ABC<0(12)g29(X)=[μmin]-∠BEF<0(13)g30(X)=[μmin]-∠MKQ<0(14)式中,[μmin]為最小允許傳動(dòng)角。6)除已規(guī)定的液壓缸長(zhǎng)度外,其余桿長(zhǎng)都必須大于允許的最短桿長(zhǎng)。4工作裝置的優(yōu)化結(jié)果在VB6.0環(huán)境下編寫(xiě)了基于遺傳算法的工作裝置優(yōu)化模塊(優(yōu)化界面如圖3所示),并對(duì)SWE90型反鏟液壓挖掘機(jī)的工作裝置進(jìn)行優(yōu)化,得到優(yōu)化前后的參數(shù)對(duì)比,如表1所示。優(yōu)化后的工作裝置的作業(yè)性能有了一定的提高,挖掘機(jī)作業(yè)范圍有所擴(kuò)大,基本作業(yè)參數(shù)液有了較大的改變,如表2所示。由圖4和圖5可知,遺傳優(yōu)化之后,由于工作裝置動(dòng)臂和斗桿部分的各個(gè)鉸點(diǎn)的空間布局發(fā)生了改變,斗桿液壓缸的傳力性能得到了提高,因而,斗桿的理論挖掘力得到了改善。由圖6和圖7可知,經(jīng)過(guò)遺傳優(yōu)化之后,工作裝置鏟斗機(jī)構(gòu)的傳力性能有了改善,對(duì)比優(yōu)化以前,鏟斗機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比有了很大的提高,因而,挖掘機(jī)的轉(zhuǎn)斗理論挖掘力得到了一定程度的改善。5基于遺傳算法的作業(yè)性能優(yōu)化系統(tǒng)的應(yīng)用在深入分析液壓挖掘機(jī)反鏟工作裝置結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,建立了工作裝置的參數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,并在VB6.0環(huán)境下編寫(xiě)了基于遺傳算法的工作裝置綜