基于malab的斗輪堆取料機(jī)四桿機(jī)構(gòu)平衡系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

基于malab的斗輪堆取料機(jī)四桿機(jī)構(gòu)平衡系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

斗輪樁采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是斗輪樁采集系統(tǒng)的主要問題之一?，F(xiàn)在，斗輪樁采集系統(tǒng)通常使用四桿變換系統(tǒng)。其優(yōu)化設(shè)計(jì)是基于單元一級(jí)的非均質(zhì)非線性限制的規(guī)劃問題。目標(biāo)函數(shù)的極性是獨(dú)一無二的。傳統(tǒng)的優(yōu)化方法存在解決問題復(fù)雜、搜索過程簡單、路徑優(yōu)化問題、局部最優(yōu)解決方案。遺跡算法（ga）是近年來發(fā)展起來的一種全球優(yōu)化搜索算法。其基本思想基于分發(fā)、邏輯和孟德爾的遺傳理論。在這種情況下，問題被表達(dá)為集體問題。根據(jù)適應(yīng)性原則，選擇適應(yīng)性強(qiáng)的個(gè)體，復(fù)制，通過交叉和變異生成下一代更適合環(huán)境的個(gè)體，最后收集到第一個(gè)較優(yōu)的個(gè)體，以獲得問題的最優(yōu)解。在這項(xiàng)工作中，我們使用了基于斗輪廢物提取系統(tǒng)的四個(gè)彈簧體的平衡系統(tǒng)，并使用了nb工具優(yōu)化了變幅系統(tǒng)。1臂架平衡系統(tǒng)變幅斗輪堆取料機(jī)上部結(jié)構(gòu)中的1個(gè)重要機(jī)構(gòu)是變幅四桿機(jī)構(gòu),其作用是傳遞變幅驅(qū)動(dòng)力矩,保證上部結(jié)構(gòu)在各變幅位置上保持平衡.由于斗輪臂架的自重達(dá)40~50t,變幅過程中會(huì)產(chǎn)生很大的阻力,目前普遍采用平衡配重方式降低變幅卷揚(yáng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率.臂架平衡系統(tǒng)示意圖見圖1所示.圖中的四桿機(jī)構(gòu)組成是:三角架BOD為主動(dòng)構(gòu)件,三角架AO1C為從動(dòng)構(gòu)件,桿件AB為連桿,回轉(zhuǎn)門柱OEO1為機(jī)架.變幅平衡是變幅系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題.變幅系統(tǒng)在臂架變幅時(shí),不平衡力矩變化小是1個(gè)重要的指標(biāo),因?yàn)樗粌H決定著變幅機(jī)構(gòu)的功率及變幅過程運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性,還影響著門架的受力情況及上部結(jié)構(gòu)總合力作用點(diǎn)的移動(dòng).除此之外,還應(yīng)考慮的因素有:盡量降低上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量;減小變幅結(jié)構(gòu)的電機(jī)功率;使上部結(jié)構(gòu)受力合理并具有整體的穩(wěn)定性等.2目標(biāo)評(píng)估函數(shù)和限制條件2.1建立目標(biāo)評(píng)價(jià)函數(shù)變幅系統(tǒng)的優(yōu)劣是根據(jù)很多因素來評(píng)定的.歸納起來,四桿機(jī)構(gòu)平衡系統(tǒng)優(yōu)化的目標(biāo)有以下5個(gè)評(píng)價(jià)函數(shù):(1)不平衡力矩在整個(gè)臂架變幅過程中的變化最小,或者基本不變.建立以下評(píng)價(jià)函數(shù):f1=Μmax-ΜminΜminf1=Mmax?MminMmin式中:Mmax為變幅范圍內(nèi)的最大不平衡力矩;Mmin為變幅范圍內(nèi)的最小不平衡力矩.(2)盡量降低活配重的質(zhì)量,以減輕上部結(jié)構(gòu)的自重并降低結(jié)構(gòu)的重心.建立以下評(píng)價(jià)函數(shù):f2=ΜzΜbf2=MzMb式中:Mz為活配重對(duì)于O1點(diǎn)產(chǎn)生的力矩;Mb為臂架、斗輪和皮帶機(jī)等對(duì)O點(diǎn)產(chǎn)生的力矩.(3)使變幅機(jī)械電機(jī)功率較小,即整個(gè)變幅過程中所消耗的功就是實(shí)際不平衡力矩曲線下的面積.建立以下評(píng)價(jià)函數(shù):f3=n∑j=1(ΔΜjΔαj)ΔΜmin(α2-α1)f3=∑j=1n(ΔMjΔαj)ΔMmin(α2?α1)式中:ΔMj為變幅過程中的不平衡力矩;Δαj為變幅過程中的變化角度;α1,α2分別為變幅過程中的初始角度和終止角度.(4)使門架受力情況盡量改善,即讓門架內(nèi)彎點(diǎn)E和彎點(diǎn)F處的彎矩最小.建立以下評(píng)價(jià)函數(shù):f4=|1-ΜEmaxΜF(xiàn)max|f4=∣∣1?MEmaxMFmax∣∣式中:MEmax為臂架變幅過程中在E點(diǎn)產(chǎn)生的最大彎矩;MFmax為臂架變幅過程中在F點(diǎn)產(chǎn)生的最大彎矩.(5)使上部結(jié)構(gòu)的合力重心盡量靠近回轉(zhuǎn)中心線,以滿足結(jié)構(gòu)傾覆穩(wěn)定性的要求.建立以下評(píng)價(jià)函數(shù):f5=emax/Rf5=emax/R式中:emax為斗輪工作狀態(tài)上部結(jié)構(gòu)合力的偏心值;R為傾覆邊至回轉(zhuǎn)中心的距離.綜上所述,可以建立如下目標(biāo)評(píng)價(jià)函數(shù):minU=5∑i=1aifiminU=∑i=15aifi式中:ai為目標(biāo)評(píng)價(jià)系數(shù),它有兩方面作用:一方面平衡各分目標(biāo)量級(jí)上的差別;另一方面又體現(xiàn)各分目標(biāo)的重要程度.不予考慮的項(xiàng)目可以令其相應(yīng)的評(píng)價(jià)系數(shù)ai=0.2.2參數(shù)化后的幾何位置變幅平衡系統(tǒng)中的每一個(gè)尺寸都影響變幅系統(tǒng)的性能.根據(jù)四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的幾何位置,在臂架處于水平位置時(shí),選取A,B,C三點(diǎn)的平面坐標(biāo)作為優(yōu)化變量,分別用x1,x2,x3,x4,x5,x6表示.根據(jù)坐標(biāo)值就可以計(jì)算出各桿的長度及角度,從而決定了四桿機(jī)構(gòu)的工藝布置.2.3合同規(guī)定(1)可移動(dòng)限制AO1+AB≥O1B,AB-AO1≤O1B.(2)空間邊界要求x5≤L,x6≥H.(3)預(yù)測(cè)值a和b點(diǎn)的選擇范圍xAmin≤x1≤xAmax,yAmin≤x2≤yAmax,xBmin≤x3≤xBmax,yBmin≤x4≤yBmax.3目標(biāo)函數(shù)和懲罰函數(shù)從建立的數(shù)學(xué)模型看,這是一多變量非線性有約束的規(guī)劃問題,采用經(jīng)典的遺傳算法求解時(shí),需將約束優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為無約束優(yōu)化問題來求解,在這里,采用懲罰策略.采用加法形式構(gòu)造帶有懲罰項(xiàng)的適應(yīng)度函數(shù):Ψ(X)=U(X)+m∑i=1{max[gi(X),0]}2Ψ(X)=U(X)+∑i=1m{max[gi(X),0]}2式中:X為染色體;U(X)為目標(biāo)函數(shù);右邊第二項(xiàng)為懲罰項(xiàng);g(X)為約束條件.遺傳算法框圖如圖2所示.在MATLAB7.0中提供了GeneticAlgorithm和DirectSearch工具箱,它是針對(duì)MATLAB優(yōu)化處理算法的擴(kuò)展,在MATLAB優(yōu)化工具箱的基礎(chǔ)上,提供了遺傳算法和直接搜索的基本功能.用MATLAB編寫相對(duì)應(yīng)的優(yōu)化程序?qū)ι鲜鰯?shù)學(xué)模型進(jìn)行求解,最大遺傳代數(shù)為200,初始種群數(shù)目為20,采用雙矢量編碼(默認(rèn)),交叉概率為0.90,變異概率為0.01,采用向前遷移策略.運(yùn)用上述優(yōu)化方法對(duì)國內(nèi)某廠家生產(chǎn)的斗輪堆取料機(jī)(2000t·h-1)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),得到的優(yōu)化目標(biāo)結(jié)果見表1.4目標(biāo)評(píng)價(jià)系數(shù)(1)從表1可以看出,經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后,斗輪堆取料機(jī)在變幅過程中力矩變化平穩(wěn),而變幅鋼絲繩拉力較小,節(jié)省了變幅電機(jī)的功率,上部結(jié)構(gòu)門柱彎點(diǎn)應(yīng)力減小,整體穩(wěn)定性增強(qiáng),配重配置更趨于合理.(2)對(duì)于多目標(biāo)的優(yōu)化問題,根據(jù)設(shè)計(jì)者對(duì)各分目標(biāo)的不同評(píng)價(jià),將會(huì)得到不同的效益.因此目標(biāo)評(píng)價(jià)系數(shù)的確定直接關(guān)系到優(yōu)化的效果與成敗.如果過分追求某一目標(biāo),可能會(huì)造成其他目標(biāo)的劣化,甚至是不合理.本文推薦的評(píng)價(jià)系數(shù)如下:考慮變幅機(jī)構(gòu)工作性能的評(píng)價(jià)系數(shù)a1和a3取值范圍在0.1~0.6;考慮