基于malab的斗輪堆取料機四桿機構平衡系統的優(yōu)化設計

基于malab的斗輪堆取料機四桿機構平衡系統的優(yōu)化設計

斗輪樁采集系統的設計是斗輪樁采集系統的主要問題之一?，F在，斗輪樁采集系統通常使用四桿變換系統。其優(yōu)化設計是基于單元一級的非均質非線性限制的規(guī)劃問題。目標函數的極性是獨一無二的。傳統的優(yōu)化方法存在解決問題復雜、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，問題被表達為集體問題。根據適應性原則，選擇適應性強的個體，復制，通過交叉和變異生成下一代更適合環(huán)境的個體，最后收集到第一個較優(yōu)的個體，以獲得問題的最優(yōu)解。在這項工作中，我們使用了基于斗輪廢物提取系統的四個彈簧體的平衡系統，并使用了nb工具優(yōu)化了變幅系統。1臂架平衡系統變幅斗輪堆取料機上部結構中的1個重要機構是變幅四桿機構,其作用是傳遞變幅驅動力矩,保證上部結構在各變幅位置上保持平衡.由于斗輪臂架的自重達40~50t,變幅過程中會產生很大的阻力,目前普遍采用平衡配重方式降低變幅卷揚機的驅動功率.臂架平衡系統示意圖見圖1所示.圖中的四桿機構組成是:三角架BOD為主動構件,三角架AO1C為從動構件,桿件AB為連桿,回轉門柱OEO1為機架.變幅平衡是變幅系統設計的關鍵問題.變幅系統在臂架變幅時,不平衡力矩變化小是1個重要的指標,因為它不僅決定著變幅機構的功率及變幅過程運動的平穩(wěn)性,還影響著門架的受力情況及上部結構總合力作用點的移動.除此之外,還應考慮的因素有:盡量降低上部結構的質量;減小變幅結構的電機功率;使上部結構受力合理并具有整體的穩(wěn)定性等.2目標評估函數和限制條件2.1建立目標評價函數變幅系統的優(yōu)劣是根據很多因素來評定的.歸納起來,四桿機構平衡系統優(yōu)化的目標有以下5個評價函數:(1)不平衡力矩在整個臂架變幅過程中的變化最小,或者基本不變.建立以下評價函數:f1=Μmax-ΜminΜminf1=Mmax?MminMmin式中:Mmax為變幅范圍內的最大不平衡力矩;Mmin為變幅范圍內的最小不平衡力矩.(2)盡量降低活配重的質量,以減輕上部結構的自重并降低結構的重心.建立以下評價函數:f2=ΜzΜbf2=MzMb式中:Mz為活配重對于O1點產生的力矩;Mb為臂架、斗輪和皮帶機等對O點產生的力矩.(3)使變幅機械電機功率較小,即整個變幅過程中所消耗的功就是實際不平衡力矩曲線下的面積.建立以下評價函數: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,即讓門架內彎點E和彎點F處的彎矩最小.建立以下評價函數:f4=|1-ΜEmaxΜFmax|f4=∣∣1?MEmaxMFmax∣∣式中:MEmax為臂架變幅過程中在E點產生的最大彎矩;MFmax為臂架變幅過程中在F點產生的最大彎矩.(5)使上部結構的合力重心盡量靠近回轉中心線,以滿足結構傾覆穩(wěn)定性的要求.建立以下評價函數:f5=emax/Rf5=emax/R式中:emax為斗輪工作狀態(tài)上部結構合力的偏心值;R為傾覆邊至回轉中心的距離.綜上所述,可以建立如下目標評價函數:minU=5∑i=1aifiminU=∑i=15aifi式中:ai為目標評價系數,它有兩方面作用:一方面平衡各分目標量級上的差別;另一方面又體現各分目標的重要程度.不予考慮的項目可以令其相應的評價系數ai=0.2.2參數化后的幾何位置變幅平衡系統中的每一個尺寸都影響變幅系統的性能.根據四桿機構設計的幾何位置,在臂架處于水平位置時,選取A,B,C三點的平面坐標作為優(yōu)化變量,分別用x1,x2,x3,x4,x5,x6表示.根據坐標值就可以計算出各桿的長度及角度,從而決定了四桿機構的工藝布置.2.3合同規(guī)定(1)可移動限制AO1+AB≥O1B,AB-AO1≤O1B.(2)空間邊界要求x5≤L,x6≥H.(3)預測值a和b點的選擇范圍xAmin≤x1≤xAmax,yAmin≤x2≤yAmax,xBmin≤x3≤xBmax,yBmin≤x4≤yBmax.3目標函數和懲罰函數從建立的數學模型看,這是一多變量非線性有約束的規(guī)劃問題,采用經典的遺傳算法求解時,需將約束優(yōu)化問題轉化為無約束優(yōu)化問題來求解,在這里,采用懲罰策略.采用加法形式構造帶有懲罰項的適應度函數: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)為目標函數;右邊第二項為懲罰項;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MATLAB優(yōu)化處理算法的擴展,在MATLAB優(yōu)化工具箱的基礎上,提供了遺傳算法和直接搜索的基本功能.用MATLAB編寫相對應的優(yōu)化程序對上述數學模型進行求解,最大遺傳代數為200,初始種群數目為20,采用雙矢量編碼(默認),交叉概率為0.90,變異概率為0.01,采用向前遷移策略.運用上述優(yōu)化方法對國內某廠家生產的斗輪堆取料機(2000t·h-1)進行優(yōu)化設計,得到的優(yōu)化目標結果見表1.4目標評價系數(1)從表1可以看出,經過優(yōu)化設計后,斗輪堆取料機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)省了變幅電機的功率,上部結構門柱彎點應力減小,整體穩(wěn)定性增強,配重配置更趨于合理.(2)對于多目標的優(yōu)化問題,根據設計者對各分目標的不同評價,將會得到不同的效益.因此目標評價系數的確定直接關系到優(yōu)化的效果與成敗.如果過分追求某一目標,可能會造成其他目標的劣化,甚至是不合理.本文推薦的評價系數如下:考慮變幅機構工作性能的評價系數a1和a3取值范圍在0.1~0.6;考慮