基于malab的斗轮堆取料机四杆机构平衡系统的优化设计

基于malab的斗轮堆取料机四杆机构平衡系统的优化设计

斗轮桩采集系统的设计是斗轮桩采集系统的主要问题之一。现在，斗轮桩采集系统通常使用四杆变换系统。其优化设计是基于单元一级的非均质非线性限制的规划问题。目标函数的极性是独一无二的。传统的优化方法存在解决问题复杂、搜索过程简单、路径优化问题、局部最优解决方案。遗迹算法（ga）是近年来发展起来的一种全球优化搜索算法。其基本思想基于分发、逻辑和孟德尔的遗传理论。在这种情况下，问题被表达为集体问题。根据适应性原则，选择适应性强的个体，复制，通过交叉和变异生成下一代更适合环境的个体，最后收集到第一个较优的个体，以获得问题的最优解。在这项工作中，我们使用了基于斗轮废物提取系统的四个弹簧体的平衡系统，并使用了nb工具优化了变幅系统。1臂架平衡系统变幅斗轮堆取料机上部结构中的1个重要机构是变幅四杆机构,其作用是传递变幅驱动力矩,保证上部结构在各变幅位置上保持平衡.由于斗轮臂架的自重达40~50t,变幅过程中会产生很大的阻力,目前普遍采用平衡配重方式降低变幅卷扬机的驱动功率.臂架平衡系统示意图见图1所示.图中的四杆机构组成是:三角架BOD为主动构件,三角架AO1C为从动构件,杆件AB为连杆,回转门柱OEO1为机架.变幅平衡是变幅系统设计的关键问题.变幅系统在臂架变幅时,不平衡力矩变化小是1个重要的指标,因为它不仅决定着变幅机构的功率及变幅过程运动的平稳性,还影响着门架的受力情况及上部结构总合力作用点的移动.除此之外,还应考虑的因素有:尽量降低上部结构的质量;减小变幅结构的电机功率;使上部结构受力合理并具有整体的稳定性等.2目标评估函数和限制条件2.1建立目标评价函数变幅系统的优劣是根据很多因素来评定的.归纳起来,四杆机构平衡系统优化的目标有以下5个评价函数:(1)不平衡力矩在整个臂架变幅过程中的变化最小,或者基本不变.建立以下评价函数:f1=Μmax-ΜminΜminf1=Mmax−MminMmin式中:Mmax为变幅范围内的最大不平衡力矩;Mmin为变幅范围内的最小不平衡力矩.(2)尽量降低活配重的质量,以减轻上部结构的自重并降低结构的重心.建立以下评价函数:f2=ΜzΜbf2=MzMb式中:Mz为活配重对于O1点产生的力矩;Mb为臂架、斗轮和皮带机等对O点产生的力矩.(3)使变幅机械电机功率较小,即整个变幅过程中所消耗的功就是实际不平衡力矩曲线下的面积.建立以下评价函数:f3=n∑j=1(ΔΜjΔαj)ΔΜmin(α2-α1)f3=∑j=1n(ΔMjΔαj)ΔMmin(α2−α1)式中:ΔMj为变幅过程中的不平衡力矩;Δαj为变幅过程中的变化角度;α1,α2分别为变幅过程中的初始角度和终止角度.(4)使门架受力情况尽量改善,即让门架内弯点E和弯点F处的弯矩最小.建立以下评价函数:f4=|1-ΜEmaxΜFmax|f4=∣∣1−MEmaxMFmax∣∣式中:MEmax为臂架变幅过程中在E点产生的最大弯矩;MFmax为臂架变幅过程中在F点产生的最大弯矩.(5)使上部结构的合力重心尽量靠近回转中心线,以满足结构倾覆稳定性的要求.建立以下评价函数:f5=emax/Rf5=emax/R式中:emax为斗轮工作状态上部结构合力的偏心值;R为倾覆边至回转中心的距离.综上所述,可以建立如下目标评价函数:minU=5∑i=1aifiminU=∑i=15aifi式中:ai为目标评价系数,它有两方面作用:一方面平衡各分目标量级上的差别;另一方面又体现各分目标的重要程度.不予考虑的项目可以令其相应的评价系数ai=0.2.2参数化后的几何位置变幅平衡系统中的每一个尺寸都影响变幅系统的性能.根据四杆机构设计的几何位置,在臂架处于水平位置时,选取A,B,C三点的平面坐标作为优化变量,分别用x1,x2,x3,x4,x5,x6表示.根据坐标值就可以计算出各杆的长度及角度,从而决定了四杆机构的工艺布置.2.3合同规定(1)可移动限制AO1+AB≥O1B,AB-AO1≤O1B.(2)空间边界要求x5≤L,x6≥H.(3)预测值a和b点的选择范围xAmin≤x1≤xAmax,yAmin≤x2≤yAmax,xBmin≤x3≤xBmax,yBmin≤x4≤yBmax.3目标函数和惩罚函数从建立的数学模型看,这是一多变量非线性有约束的规划问题,采用经典的遗传算法求解时,需将约束优化问题转化为无约束优化问题来求解,在这里,采用惩罚策略.采用加法形式构造带有惩罚项的适应度函数: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为染色体;U(X)为目标函数;右边第二项为惩罚项;g(X)为约束条件.遗传算法框图如图2所示.在MATLAB7.0中提供了GeneticAlgorithm和DirectSearch工具箱,它是针对MATLAB优化处理算法的扩展,在MATLAB优化工具箱的基础上,提供了遗传算法和直接搜索的基本功能.用MATLAB编写相对应的优化程序对上述数学模型进行求解,最大遗传代数为200,初始种群数目为20,采用双矢量编码(默认),交叉概率为0.90,变异概率为0.01,采用向前迁移策略.运用上述优化方法对国内某厂家生产的斗轮堆取料机(2000t·h-1)进行优化设计,得到的优化目标结果见表1.4目标评价系数(1)从表1可以看出,经过优化设计后,斗轮堆取料机在变幅过程中力矩变化平稳,而变幅钢丝绳拉力较小,节省了变幅电机的功率,上部结构门柱弯点应力减小,整体稳定性增强,配重配置更趋于合理.(2)对于多目标的优化问题,根据设计者对各分目标的不同评价,将会得到不同的效益.因此目标评价系数的确定直接关系到优化的效果与成败.如果过分追求某一目标,可能会造成其他目标的劣化,甚至是不合理.本文推荐的评价系数如下:考虑变幅机构工作性能的评价系数a1和a3取值范围在0.1~0.6;考虑