基于統(tǒng)一目標(biāo)函數(shù)的伸縮臂叉裝變幅機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

基于統(tǒng)一目標(biāo)函數(shù)的伸縮臂叉裝變幅機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

使用重量臂結(jié)構(gòu)的三個變量和傾斜機構(gòu)，我們可以改變臂架的長度和角度，獲得大的工作范圍。這一結(jié)構(gòu)高度和分散的擴展特點結(jié)合了傳統(tǒng)的車輛功能，打破了傳統(tǒng)的機械操作的限制，具有越障貨物運輸?shù)奶攸c。這是一種多功能的搬運和提升設(shè)備。對支路裝置的研究，推廣現(xiàn)代生藝方法和理論，提高我國航道的設(shè)計水平和質(zhì)量具有重要意義。叉裝車的工作裝置是完成裝卸作業(yè)的平面連桿機構(gòu),其設(shè)計水平的高低直接影響工作裝置性能的好壞.變幅機構(gòu)是組成工作裝置的關(guān)鍵部件之一,其鉸點位置的確定與變幅液壓缸的負載值和壓力沖擊直接相關(guān),并且決定著叉裝車整體的工作效率和經(jīng)濟性指標(biāo).叉裝車變幅機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方法的研究日益受到生產(chǎn)廠家及設(shè)計人員的重視.傳統(tǒng)上,變幅機構(gòu)的設(shè)計以圖解法為主.近年來隨著遺傳算法、正交設(shè)計、蟻群算法等智能算法的出現(xiàn),為叉裝車變幅機構(gòu)設(shè)計水平的提高提供了新的手段.本文采用遺傳算法并結(jié)合Matlab軟件對變幅機構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計,以提高叉裝車實際作業(yè)的性能,且為變幅機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供了新的思路.1鉸點油缸變幅機構(gòu)伸縮臂叉裝車的工作裝置由伸縮臂、調(diào)平裝置、工作附具及變幅油缸、主動調(diào)平油缸、從動調(diào)平油缸(鏟斗油缸)等組成.3鉸點油缸變幅機構(gòu)是由伸縮臂、變幅油缸和車架組成,它具有結(jié)構(gòu)緊湊、自重輕、工作平穩(wěn)等優(yōu)點,伸縮臂叉裝車工作裝置示意圖如圖1所示.1.1變幅油缸伸長比法計算伸縮臂叉裝車工作裝置受力分析如圖2所示.利用幾何關(guān)系,結(jié)合正余弦定理依次可得:lΟA=√x2A+y2A；lΟB=√x2B+y2B；β1=arctan(yB/xB);β2=arctan(yA/xA);λ=lmax/lmin；αi=∠AΟB=arccos((l2ΟA+l2ΟB-l2i)/(2lΟAlΟB))；γi=β1+β2+αi-90°?式中:xA和yA為A點在XOY坐標(biāo)系中的坐標(biāo);xB和yB為伸縮臂水平位置時,B點在XOY坐標(biāo)系中的坐標(biāo);lmin和lmax為變幅油缸最小和最大長度;l0為臂架處于水平位置時,變幅油缸的長度;λ為變幅液壓油缸伸縮比;γi為變幅油缸長度為li所對應(yīng)的臂架的仰角.變幅油缸長度為lmin,l0和lmax所對應(yīng)的臂架仰角分別為γmin,γ0和γmax,且存在的關(guān)系γmin<0°=γ0<γmax.1.2變幅油缸缸筒由于帶載工作時變幅運動緩慢,慣性力可忽略不計.參照圖2關(guān)系,可得油缸的壓力p=4f/(πD2)=4li/(πD2){Q[LQ+LΖcos(γi-β3)]+GbLGcos(γi-β4)}/(lΟAlΟBsinαi),式中:D為變幅油缸缸筒內(nèi)徑;Q為額定負載.2優(yōu)化模型2.1變幅機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)函數(shù)根據(jù)工作要求,選取對整機性能影響較大的關(guān)鍵指標(biāo)作為變幅機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)函數(shù):a.為提高其動力學(xué)與經(jīng)濟性,舉升貨物過程中傳力比最大;b.舉升貨物過程中,變幅油缸內(nèi)的工作油壓波動值最小.2.1.1bsini/lq/lgos傳力比計算變幅油缸工作壓力不得大于最大油壓pmax,額定負載Q的大小隨著臂架長度的變化而變化,其值根據(jù)叉裝車作業(yè)性能要求而定,則傳力比可以表示為Κ=lΟAlΟBsinαi/{li[LQ+LΖcos(γi-β3)+GbLGcos(γi-β4)/Q]}=eQ/Μ.為統(tǒng)一形式,可取其倒數(shù)作為目標(biāo)函數(shù),從而取其最小值minf1(X)=(M/e)max.2.1.2統(tǒng)一目標(biāo)函數(shù)的構(gòu)造變幅運動過程中,根據(jù)最大壓力差可以推算出油壓的波動值為(Δppmax)max=((Μe)max-(Μe)min)/(Μe)max.綜上所述,為統(tǒng)一形式,伸縮臂叉裝車鉸點位置優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)為minf2(X)=(Μe)max/(Μe)min.此處采用統(tǒng)一目標(biāo)函數(shù)法中的線性加權(quán)和法求解該雙目標(biāo)優(yōu)化,其思想即根據(jù)各子目標(biāo)的重要程度給予相應(yīng)的權(quán)數(shù),然后用各子目標(biāo)函數(shù)分別與各自對應(yīng)權(quán)數(shù)相乘,再相加后構(gòu)造為一個綜合目標(biāo)函數(shù).本文最后得到的目標(biāo)函數(shù)為:minF(X)=0.915[(Μ/e)max/(Μ/e)min]+0.085(Μ/e)max.2.2臂架初始位置的確定為了使臂架頭部使用、維修、保養(yǎng)方便起見,一般γmin=0～-3°;而為了保證叉裝車最大舉升高度等性能參數(shù),γmax必須滿足70°≤γmax≤78°.根據(jù)叉裝車的工作范圍確定之后,臂架的最大仰角γmax和最小仰角γmin也隨之確定,因此選取鉸點A和B的初始位置(伸縮臂臂架處于水平)的坐標(biāo)值xA,yA,xB為設(shè)計變量.則其向量表達式為x=[xA,yA,xB]Τ=[x1,x2,x3]Τ.2.3優(yōu)化合同條件的確定2.3.1建立邊界約束根據(jù)機構(gòu)的各要素尺寸的設(shè)計要求,只有邊界約束和不等式非線性約束,沒有等式約束.對于邊界約束,為縮小尋優(yōu)范圍,根據(jù)實際問題的要求可給出變量適當(dāng)?shù)南孪藓蜕舷?由此建立6個邊界約束:{g2i-1(X)=xli-xi≤0;g2i(X)=xi-xui≤0,式中:xli是xi的下限;xui是xi的上限;i=1,2,3.2.3.2傳動角的大小及其變化傳動角是指機構(gòu)運動運動過程中,主動桿與從動桿之間的夾角.傳動角愈大,傳動效果愈好,傳動角過小則有可能出現(xiàn)死點,所以在機械設(shè)計中常用傳動角的大小及其變化衡量機構(gòu)傳動性能的好壞.設(shè)計時通常要求最小傳動角不得小于40°,因此應(yīng)保證以下關(guān)系:{g7(X)=∠ΟBA-140°≤0；g8(X)=40°-∠ΟBA≤0.2.3.3油壓結(jié)構(gòu)為了保證油缸的穩(wěn)定性,需對油缸的伸縮比進行限制,其伸縮比必須滿足:g9(X)=λmax≤1.7.3叉裝料的確定根據(jù)使用條件,伸縮臂叉裝車在最大作業(yè)距離時的工況最為惡劣.因而本文選取最大作業(yè)距離的最大起重工況為研究對象,此時γmin=-3°,γmax=70°,Q=1000kg,Gb=2100kg,β3=4.98°,β4=2.06°,LG=2300mm,LZ=5000mm,LQ=500mm.相應(yīng)參數(shù)及可行域見表1.3鉸點變幅機構(gòu)的可行解空間的確定是經(jīng)過反復(fù)的單個參變量變化及人工經(jīng)驗得出的數(shù)據(jù),搜索的初值定為叉裝車的實際參數(shù),因為該結(jié)構(gòu)也是較為成熟的設(shè)計.選擇種群大小為200,編碼方式為格雷碼混合編碼,選擇操作采用輪盤賭轉(zhuǎn)輪法,單點交叉,交叉率Pc=0.4,變異率Pm=0.02,進化代數(shù)N=300;α=0.999,繁殖數(shù)σ=5,繁殖率μ=0.85.通過Matlab遺傳算法工具箱獲得的3個參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果如表2所示.圖3為優(yōu)化前后變幅油缸壓力值與臂架仰角的曲線關(guān)系圖,相對于初始設(shè)計值,最大壓力值降低了9.5%,壓力波動值降低了7.1%,最大作用力臂提高了4.1%,最小作用力臂提高了2.6%,而最小壓力值基本沒有發(fā)生變化.圖4為優(yōu)化前后變幅機構(gòu)傳動力臂與臂架仰角的曲線關(guān)系圖.從圖3和4可以看出,變幅油缸壓力值在起始位置處明顯降低,且壓力變化趨勢較為平緩,作用力臂明顯提高,且力臂