大型裝載機(jī)工作裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

大型裝載機(jī)工作裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

目前，中國的大型車輪安裝正在進(jìn)行中，關(guān)于其工作設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)很少討論。對裝載機(jī)工作裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究進(jìn)展情況:文獻(xiàn)采用相對極坐標(biāo)法建立機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型,利用加權(quán)因子將多目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)函數(shù),并提出聯(lián)合使用窮舉法和罰函數(shù)法解決模型的全局優(yōu)化,解決了6桿工作裝置的優(yōu)化問題;文獻(xiàn)提出了高卸型裝載機(jī)的定制設(shè)計(jì),文獻(xiàn)還運(yùn)用遺傳算法對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行了全局優(yōu)化,滿足了客戶的不同需求并降低了制造成本;文獻(xiàn)利用動力學(xué)仿真軟件ADAMS對工作裝置進(jìn)行了動力學(xué)仿真和優(yōu)化,其中,文獻(xiàn)提出了非線性二次規(guī)劃的數(shù)學(xué)方法,解決了非線性函數(shù)全局優(yōu)化的問題,文獻(xiàn)利用正交試驗(yàn)法進(jìn)行了綜合優(yōu)化設(shè)計(jì),文獻(xiàn)利用ADAMS軟件的動態(tài)監(jiān)測功能,將多目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)函數(shù),實(shí)現(xiàn)了多目標(biāo)優(yōu)化。裝載機(jī)工作裝置的各項(xiàng)性能指標(biāo)間存在著矛盾,特別是放平性與裝載機(jī)平移性和卸料性之間的矛盾,限制了整機(jī)的性能,影響優(yōu)化的效果。隨著裝載機(jī)鏟斗放平自動控制水平的提高,工作裝置的放平性可以依靠電控系統(tǒng)來保障,特別是大型裝載機(jī)都配有自動放平的電控系統(tǒng)?？紤]到大型輪式裝載機(jī)的實(shí)際作業(yè)情況,本文提出以電控系統(tǒng)保證工作裝置的放平性,采用相對極坐標(biāo)建立數(shù)學(xué)模型,利用遺傳算法理論進(jìn)行全局優(yōu)化,并對優(yōu)化的最終結(jié)果利用ADAMS軟件進(jìn)行虛擬樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證的優(yōu)化設(shè)計(jì)理念。1安裝車載終端的數(shù)學(xué)模型1.1工作裝置模型的建立選擇前車架作為裝載機(jī)工作裝置的運(yùn)動參考坐標(biāo)系,建立如圖1所示的工作裝置機(jī)構(gòu)簡圖。該機(jī)構(gòu)的自由度為2,有兩部分可獨(dú)立運(yùn)動的機(jī)構(gòu)組成,即轉(zhuǎn)斗機(jī)構(gòu)ABCDEFG和舉升機(jī)構(gòu)GHI。當(dāng)鏟斗位置角U和動臂位置角UG確定之后,機(jī)構(gòu)的運(yùn)動狀態(tài)就被唯一確定。因此選取U和UG作為自變量,采用相對極坐標(biāo)對機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析與計(jì)算,建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。工作裝置優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)有多個選擇方案且都是非線性函數(shù),傳統(tǒng)的優(yōu)化算法很難找到目標(biāo)函數(shù)的全局最優(yōu)解。為減少設(shè)計(jì)變量的維數(shù),簡化求解模型,分別建立轉(zhuǎn)斗機(jī)構(gòu)和舉升機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型,先優(yōu)化轉(zhuǎn)斗機(jī)構(gòu),如果不滿足設(shè)計(jì)要求,則再對舉升機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。本文所用各符號的物理意義見表1。1.2初始設(shè)計(jì)值依據(jù)ZL80反轉(zhuǎn)六=連桿裝載機(jī),重新設(shè)計(jì)有關(guān)尺寸。該大型裝載機(jī)斗容為6.5m3,額定載重量12t,最大卸高不小于3400mm,最小卸距不小于2100mm,其它初始設(shè)計(jì)值及性能參數(shù)見表2和表3。1.3設(shè)計(jì)參數(shù)獨(dú)立的選擇除裝載機(jī)工作裝置的整體設(shè)計(jì)參數(shù)外,若想得到一個確定的工作裝置,仍需要14個獨(dú)立的設(shè)計(jì)參數(shù)。其中,轉(zhuǎn)斗機(jī)構(gòu)10個、舉升機(jī)構(gòu)4個,將轉(zhuǎn)斗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)取為工作機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的變量,即R2、R4、R5、R6、R8、UA1、UG2、UD3、rUG1,用向量表示如下1.4轉(zhuǎn)斗機(jī)構(gòu)傳力比為提高裝載機(jī)工作裝置的工作效率和經(jīng)濟(jì)性,取動力性作為優(yōu)化目標(biāo)。轉(zhuǎn)斗機(jī)構(gòu)傳力較大時,工作裝置的動力性能相對較好,因此確定轉(zhuǎn)斗機(jī)構(gòu)傳力比最大作為目標(biāo)函數(shù)。即式中UB、UC、UE分別為∠ABC、∠BCD、∠DEF。轉(zhuǎn)斗機(jī)構(gòu)傳力比及約束條件的解見文獻(xiàn)。由轉(zhuǎn)斗機(jī)構(gòu)傳力比的定義(當(dāng)鏟斗處于地面鏟掘位置時轉(zhuǎn)斗機(jī)構(gòu)的力傳動比),得公式(3)等號右端都為常量,無需再通過四連桿機(jī)構(gòu)ABCD的煩瑣推導(dǎo)求解輸出角UD,簡化了目標(biāo)函數(shù)的推導(dǎo)過程。1.5運(yùn)動學(xué)模型的建立(1)邊界約束。式中ximin、ximax分別為變量xi的上、下限。(2)平移性約束。為保證鏟斗裝滿物料及在動臂舉升或運(yùn)輸過程中物料不灑落或少灑落,根據(jù)鏟斗結(jié)構(gòu)及機(jī)構(gòu)運(yùn)動方式,下限、運(yùn)輸和上限位置時鏟斗收斗角應(yīng)滿足一定的設(shè)計(jì)要求,即在推導(dǎo)平移性約束時,為了避免角度的求解錯誤,采用以下方法求解∠GDE。由式(9)、(10)得式中UD4為∠GDF;UD5為∠EDF。上述方法不僅不會產(chǎn)生角度求解失根,而且還簡化了推導(dǎo)過程,減少了優(yōu)化的計(jì)算量。(3)卸料性約束。卸料性約束是指鏟斗卸料角為45°時轉(zhuǎn)斗油缸卸料長度的變化特性。如果工作裝置在最不易卸料位置也能正常卸載,則可以保證轉(zhuǎn)斗油缸在任意位置的卸料性。(1)最不易卸料位置的卸料性約束。根據(jù)油缸的設(shè)計(jì)要求,在轉(zhuǎn)斗油缸最不易卸料位置時的油缸長度需要滿足下式即滿足約束條件(2)油缸穩(wěn)定性約束。油缸的行程不宜太大,否則油缸可能出現(xiàn)失穩(wěn)或者產(chǎn)生塑性變形。因此,油缸最大長度與最小長度應(yīng)該滿足一定的比值,即(4)傳動角約束。指在轉(zhuǎn)斗和卸料過程中桿AB和桿BC間的夾角應(yīng)在一定的范圍內(nèi),傳動角過大或過小都將造成不利影響:一是傳動效率降低,二是容易出現(xiàn)干涉或鎖死機(jī)構(gòu)的現(xiàn)象。因此,傳動角需滿足以下的約束條件(5)協(xié)調(diào)性約束。連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動的協(xié)調(diào)性條件是連桿機(jī)構(gòu)成立的必要條件。式中UD′為G、F、E共線時∠EDG。(6)干涉性約束。干涉性約束是指避免下?lián)u臂與前橋在工作裝置作業(yè)過程中產(chǎn)生干涉,即當(dāng)DJcos(UD6-UD)≤R4時,則當(dāng)DJcos(UD6-UD)>R4時,則式中UD為∠ADC。以上邊界約束值見表4。2優(yōu)化和結(jié)果分析2.1遺傳算法控制參數(shù)遺傳算法是自然遺傳機(jī)制的隨機(jī)搜索的全局最優(yōu)化方法。遺傳算法在尋優(yōu)過程中,對搜索區(qū)域、目標(biāo)函數(shù)以及約束條件沒有特殊的要求,并且很容易得到全局最優(yōu)解。利用Matlab自帶的遺傳算法工具箱GeneticAlgorithmTool,設(shè)置遺傳算法控制參數(shù)為:交叉概率Pc=0.85,變異概率Pc=0.20,初始總?cè)簲?shù)量M=40,迭代次數(shù)N=100。經(jīng)過5次迭代后,結(jié)束尋優(yōu)過程。2.2新型盤斗轉(zhuǎn)角的優(yōu)化優(yōu)化前后各變量變化以及性能對比見表5和表6。由圖2a可知:從下限位置舉升至上限位置的過程中,鏟斗轉(zhuǎn)動角優(yōu)化前明顯大于優(yōu)化后,運(yùn)輸工況優(yōu)化后的鏟斗轉(zhuǎn)角偏小,為48°,上限鏟斗轉(zhuǎn)角明顯得到優(yōu)化,由優(yōu)化前的63.8°降至59.3°;圖2b、2c中傳動角的上、下限優(yōu)化后范圍增大,性能較優(yōu)化前有所降低。雖然優(yōu)化后工作裝置的傳動性有所降低,但是其它性能都得到了提高,可見工作裝置的各個性能相互間存在著一定的關(guān)系,優(yōu)化的結(jié)果使其整機(jī)性能得到改善。3工作裝置優(yōu)化前后性能曲線經(jīng)過簡化,在ADAMS-View中建立裝載機(jī)工作裝置參數(shù)化的仿真模型,如圖3所示。結(jié)合工作裝置的典型工況—插入工況、鏟裝工況、舉升工況、卸載工況,在構(gòu)件上加傳感器限位,通過ADAMS_SOLVER命令流實(shí)現(xiàn)作業(yè)過程的動力學(xué)仿真,并建立測量函數(shù),測量工作裝置的性能。工作裝置動力學(xué)仿真的結(jié)果顯示,連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化前、后傳力比分別為0.3036和0.3435,性能曲線如圖4所示。動力學(xué)仿真結(jié)果符合圖2中工作裝置的數(shù)學(xué)模型在Matlab軟件中的計(jì)算結(jié)果,說明所建立的大型裝載機(jī)工作裝置的數(shù)學(xué)模型表征了其結(jié)構(gòu)和作業(yè)性能屬性。分析圖4可知,當(dāng)仿真作業(yè)時間在2.25s左右時,工作裝置完成下限位置的轉(zhuǎn)斗,鏟斗轉(zhuǎn)角為45°,此時傳動角UB和轉(zhuǎn)斗油缸的伸出長度同時達(dá)到最大值。為了滿足轉(zhuǎn)斗油缸的安裝等其它性能要求,優(yōu)化后轉(zhuǎn)斗油缸在初始位置時的長度較優(yōu)化前增大了約150mm,使得傳動角的初始位置角度增大了近10°,從而使最大傳動角大幅增加。由于轉(zhuǎn)斗油缸的初始長度不同,優(yōu)化前后模型所需的轉(zhuǎn)斗作業(yè)時間也不同,并且優(yōu)化后工作裝置舉升過程中鏟斗轉(zhuǎn)角曲線的斜率明顯減小,才會出現(xiàn)優(yōu)化前后鏟斗下限轉(zhuǎn)角同為45°的情況下,在3.0s鏟斗轉(zhuǎn)角時轉(zhuǎn)角曲線交叉的現(xiàn)象。曲線交叉點(diǎn)即為鏟斗在運(yùn)輸位置作業(yè)要求的最小轉(zhuǎn)角48°。由于這一系列的優(yōu)化,工作裝置的平移性得到明顯的改善。4基于matlab的工作裝置的設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)(1)進(jìn)行裝載機(jī)工作裝置的遺傳算法優(yōu)化設(shè)計(jì),關(guān)鍵是建立合適的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)大型裝載機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能要求,在相關(guān)文獻(xiàn)中數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)。新建