矿用铲运机反转六连杆机构组合策略优化与程序实现
2018-01-25康鹏杨杰
康鹏 杨杰
摘要：阐述了铲运机工作装置优化设计数学模型建立、目标函数选择、约束条件建立、优化方法选择。以工作装置的主要性能作为目标函数，利用正交网格法和MDOD算法的组合策略优化方案，对反转六连杆机构进行了优化设计并程序实现，优化后的各项性能指标较之前均有所提高。
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.
关键词：工作装置;反转六连杆;组合策略优化
Key words： loader working mechanism;reverse six-bar linkage;optimum design
中图分类号：TP311.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）35-0176-03
0 引言
机构优化设计又称机构参数优化设计，是机械优化设计中发展比较早的一个研究领域。在各种机器和仪表的设计中，随着机器运动速度的提高，迫切需要解决满足运动学、动力学性能好的连杆机构的设计问题。最优化技术和计算机技术的发展，在20世纪60年代末期就开始了连杆机构优化设计的研究，并在实践中得到了大范围的应用[1]。机械的优化设计是在数学规划的基础上，以计算机为工具，来寻求机械设计的最优参数，这是机械设计领域的重要分支[2]。
本文选择与目标函数敏度关系密切的矿用铲运机工作装置结构参数作为优化设计变量;从其运动时的主要性能要求出发，确定对应的4个子目标函数。在结构设计过程中，设计人员可根据不同的设计目的进行单项选择优化目标或加权组合确定优化的总目标函数。优化方法采用MDOD算法和正交网格法的组合策略，并为优化方法建立工作装置连杆机构优化设计的数学模型。
矿用铲运机通常工作在巷道中，其工作装置受到其工作空间的严格限制，但其反转六连杆机构性能与地面相同机构的性能要求有过之无不及，因此，针对铲运机工作装置有其极为重要的意义。
1 基于组合策略的优化设计
矿用铲运机工作装置采用反转六连杆机构，由于它的优化设计属于有约束非线性的复杂优化问题，其目标函数关系式是关于自变量的一次超越方程，其函数关系比较复杂，直接求解十分困难，优化变量必须为以毫米为单位的整数，且其约束均为不等式的约束方程。为此，采用正交网格法和MDOD算法组合策略优化方案，两种优化方法各有优劣，将两个中任何一种方法单独应用于约束非线性离散变量最优化问题都难以达到比较理想的效果。鉴于此，本文以MDOD算法和正交网格法为基础，根据“强优弱劣”的理念，通过组合策略设计出串行结构混合全局优化的新优化算法，来实现全局寻优。
正交网格算法的基本理念是基于正交试验法[3]而建立起来的，通过实验正交表，在优化参数的可行域内均匀选取网格中部分具有代表性的网格点作为优化点。对可行域中n维变量每个变量分点数均分为T的优化问题，正交网格法仅需算T2个网格点的结果，计算在域内的每个网格节点上的目标函数值，对比计算值的大小，然后以目标函数值最小的节点为中心节点，在其附近可行域内划分更细小的网格，再计算在划分区域内各个节点上的目标函数值。循环以上步骤，直到目标函数值小到满足要求，终止计算并输出结果。
MDOD算法通常可以针对非线性混合离散变量规划问题求解的有效方法，MDOD算法本质上是约束非线性混合离散变量直接搜索方法，主要方法法包含在离散空间沿相对混合次梯度方向离散搜索和在某单位邻域内进行组合优化查点。MDOD算法适用于求解全部变量为离散型或既有离散变量又有连续变量的混合型优化问题，也可用于求解经过变量离散化处理的连续变量的优化问题[4]，本文所采用的变量就是采用经过变量离散化处理的连续变量，并以毫米为单位的整数。
2 反转六连杆机构优化设计数学模型的建立
原有的矿用铲运机反转六连杆机构在工作时发现与预期设计存在不小的差距，其综合性能有待改进。本文是在原有的矿用铲运机反转六连杆机构基础上进行优化设计的，所以优化设计的变量只限制在铲运机工作装置连杆机构参数以及改变比较方便的举升缸和转斗缸的位置参数。
如图1所示，选取工作机构处于地面铲掘位置时的作业工况作为工作机构优化设计的标定工况。工作装置固定铰点G、F、H的位置和相互关系以及铲斗的各个结构参数都可视为不变量，动臂油缸与转斗油缸的相关参数作为不变量。参考工程图纸上参数的给定方法，以及所选的目标函数，选择铰点F坐标（L3，L5）、D点坐标（L7，L9）、A水平坐标L8、上摇臂长度L_ED、下摇臂长度L_CD、EC间距L_EC和连杆长度L_CB这9個参数作为优化设计变量，即：
目标函数从平移性、卸料性、自动放平性和连杆机构的动力性四个性能要求方面考虑，在对铲运机工作装置的连杆机构进行优化时，取下列目标函数作为优化目标：
式中：？棕1、？棕2、？棕3、？棕4——对应分目标函数加权因子？棕1+？棕2+？棕3+？棕4=1;
F（X1）——下限收斗位置连杆机构的传力比的倒数;
F2（X）——45°与最小卸料角的比值;
F3（X）——举升过程中最大与最小收斗角的差值;
F4（X）——上限卸料后不收斗回到下限位置时的铲斗位置角。
约束条件包括边界约束和性能约束。边界约束一共有18个约束条件，用公式表示为：
式中ximin、ximax——分别为设计变量Xi的上、下限。
性能约束包括平移性约束、卸料性约束、自动放平约束、传动角约束和连杆机构运动的协调性约束。
3 面向对象的程序设计实现
地下矿用铲运机工作装置反转六连杆机构优化设计程序可实现的动臂、铲斗、摇臂、拉杆、铲运机前轮、动臂油缸及转斗油缸等构件的相关尺寸数据的输入、修改;可根据输入的数据计算、显示机构运动过程中任意时刻的各铰点的位置和速度;可显示运动过程中任意时刻的主要性能参数并进行组合策略优化，由此可以看出工作装置的平移性、卸料性、动力性等性能的好坏情况;对机构进行了静力学分析;可对工作装置反转六连杆机构进行优化设计，从而得到性能更好的机构尺寸数值，软件的整体数据流程图见图2。
程序采用面向对象的程序设计方法，相关模块间的联系简单，程序模块的独立性、数据的安全性具有较好的保障。同时，通过继承与多态性，使程序具有很高的可重用性，使得软件的开发和维护都更为方便。
程序主界面分为动画区和数据输入区。动画区可实时显示个部件运动位置，数据输入区为原始数据输入和优化操作。（图3）
4 优化结果分析与应用
应用本文提出的矿用铲运机工作装置优化设计模型，对工作装置进行优化实例运算，计算结果如图4所示。
在装料举升过程中收斗角的变化量由原来的18.78°减小到15.11°。此外，最大卸载高度有所增加，达到了预期效果。
经过优化的六连杆工作机构已成功应用到山西天地煤机公司的多种矿用铲运机上，经过实际应用效果良好，已经向市场推广数十台。六连杆工作机构在经过大量的实际应用过程中体现了结构紧凑，性能可靠，装载量大等优点。（图5）
5 结语
本文选择表征矿用铲运机工作装置连杆机构状态的9个结构参数作为优化设计的变量;从连杆机构的动力性、平移性、卸料性和自动放平性四个方面建立連杆机构优化设计多目标函数，采用MDOD算法和正交网格法进行了组合策略优化，经过过实例计算和结论分析的结果在实际应用中情况良好，达到了预期的目标。
本文开发了铲运机反转六连杆机构分析、优化设计及运动仿真软件，该软件可用于反转六连杆机构的运动演示、优化设计及性能的检验，为反转六连杆机构的设计提供了一个有力的工具。该软件具有以下主要特点：①信息可视化。 即输入的信息和输出的信息都以显式的形式在图形区显示出来，便于用户观察。②数据调整可视化 即工作装置的任一参数进行调整时，图形观察区将显示参数调整后的机构状况
本文提供的机构分析和优化设计软件的实现过程都是从工程技术人员使用的实际情况来出发考虑的，计算结果非常适合工程技术人员设计使用，有一定的工程应用价值。同时所建立的运动分析理论及数学模型和组合策略优化设计数学模型对连杆机构的分析和设计有一定的指导意义。
参考文献：
[1]王文博.机构和机械零部件优化设计[M].北京：机械工业出版社，1990.
[2]陈育仪.工程机械优化设计[M].北京：中国铁道出版社，1987，7.
[3]J.J.Pignatiello，J.S.Ramberg.Top ten triumphs and tragedies of GenichiTagu- chi[M].Quality Eeng，1991.
[4]陈立周，路鹏，孙成宪，等.工程离散变量优化设计方法——原理与应用[M].北京：机械工业出版社，1989.
