基于复合形法的装载机工作装置优化设计研究

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装载机工作装置是完成装卸工作并带液压缸的空间多杆机构。工作装置是组成装载机的关联部件之-，其设计水平的高低直接影响工作装置性能的好坏▲而影响整机的工作效率与经济性指标。装载机工作装置优化设计方法的研究日益受到装载机生产厂家及设计人员的重视[ 。

近年来，有许多学者尝试将遗传算法或蚁群算法运用于装载机工作装置的优化中。例如齐建家等采用蚁群算法对工作装置的传动比进行优化 ，高玉根等采用遗传算法对工作装置进行优化[ ，均取得很好的效果。但蚁群算法计算量特别大；遗传算法又存在早熟收敛、处理规模孝稳定性差等缺陷。

复合型法的算法思路清晰，容易掌握；不需求导数，不需作-维搜索，对函数性态没有特殊要求：程序结构简单，计算量不大；对初始点要求低，能收稿 日期：2012-l1-14 修回日期 ：2012-i1-20资助项 目：山东省博士后创新项 目专项资金资助较快地找到最优解，算法较为可靠。

装载机的工作装置由运动相互独立的连杆机构和动臂举升机构两部分组成。本文采用复合形法对工作装置中常见的反转六连杆机构进行优化设计。

1 工作装置数学模型建立以ZL30F轮式装载机为研究对象，以装载机的工作装置为基川立优化的数学模型～装载机的工作装置简化为如图1所示的分析模型。并建立平面坐标系XOY，选取工作装置处于地面铲掘作业工况为装载机工作装置的优化设计初始工况。

图 1装载机工作装置简化模型Fig.1 Simplified model of loader work device30 农业装备与车辆工程 2013正1.1设计变量的选取1)工作装置的结构参数在本文选 G，F，E，D，c， 和A'点在运输工况时的 ，y坐标值为结构参数设计变量，由此来确定各杆件的长度，它们共 14个 ，可视为-组向量，在欧氏空间里，可用-个点 表示。

o[ G，yG， F，y，， F，厂E， D，yD， c，yc， B，yB，， ]。

2)工作装置的动态特性变量由于该机构的运动 自由度为 2，当铲斗位置角和动臂位置角确定之后，机构的运动状态就被唯-确定下来。选取R ，OL 作为装载机工作装置在运动过程中的自变量。因此装载机工作装置在运动过程中的自变量或动态特性变量共 2个：①动臂位置角R厂- 机架AD与 轴夹角。

②铲斗位置角 广-铲斗举升各瞬间时位置。铲斗斗底与 轴夹角。

1.2 目标函数对装载机工作装置进行优化时，目标函数的选择有多种方案。本文选用在动臂举升过程中铲斗的平移性最好作为目标函数，建立优化设计数学模型，使目标函数在满足约束条件下达到最小，即在转斗油缸闭锁动臂由运输工况上升到最高位置卸载工况的过程中 - 。l最校 1minF(X) J OLi-OL2 J。 (1)i 1式中， 厂铲斗从运输工况到最高位置卸载工况过程中，铲斗对地面瞬时位置角。 --铲斗在运输工况时，铲斗对地位置角。

1.3约束条件装载机的优化约束条件要从满足各种性能、运动学及几何尺寸等要求来确定设计约束41 。-般有两类约束条件：边界约束、性能约束。

1.3.1边界约束考虑整机总体参数应满足的要求，使边界约束与总体参数相匹配，符合工作装置设计要求范围的同时，还要考虑计算精度的要求，精度越高，计算时间花费越大。在分析同类机型工作装置现有的结构尺寸的基础上，估计最优解可能出现的近似解范围，使边界约束的中心尽量靠近最优解。

本文首先采用传统的设计方法确定 14个计算变量的初值和上下界，建立边界条件如表 l所示。

表 1设计变量范围Tab.1 Design variable range1.3.2性能约束1)几何约束[ ]工作装置在作业过程中，要防止机构出现死点”、自锁”或撕裂”，以及机构之间可能存在的干涉问题.这是机构成立的必要条件。

①考虑对机构运动学的要求，如必须保证铲斗在各工况时的转角，又要注意动力学的要求，如铲斗在铲装物料时应能输出较大的掘起力，GFBE按双摇杆条件设计四杆机构，满足条件如式(2)。

l GFFEBE此外，运输工况时.须满足 GE

②若将BCDA设计为曲柄摇杆机构，则任何工况都不可能出现机构撕裂现象(令 D为曲柄 、AB为机架)，则：IADAB

2)工作性能约束装载机工作装置能够正常工作除满足-些几第 51卷第 2期 韩斌 等 ：基于复合形法的装载机工作装置优化设计研究 31何约束外，要想达到工作的要求还应满足-些性能上的要求，如最大卸载高度，最小铲掘深度，最大高度时的卸载距离等，都必须满足条件才能使装载机工作装置很好地进行作业。在这里只讨论最大卸载高度日 的要求。

装载机的最大卸载高度日-是指铲斗前倾卸载.斗底与地面成 45o角时，铲斗刃口距离地面的垂直距离如图 2所示，此时动臂油缸全伸。

图 2最大卸载高度计算简图Fig.2 Maximum discharge height calculation diagram由图2可知：HY AGxsin - )-G s 加 。 (5)式中， --角度值， ： in-1 ； --斗齿尖铲人地下 10.2 cm(4英寸)时动臂下铰点离地面高度；a--卸载角。

c。s～-AN %丽A/W - L 1-z-C OS-1-AN %A M 2-Ll2。 (6) eo 丽 -- - - o式中， -， 。- 举升缸最大和最小长度。

当咖咖 时，H日-，最大卸载高度的约束函数为l )l，AA Gsin###-- GVsina-HO。(7)式中日-由总体设计确定。

在本文的研究中考虑的是动臂与铲斗连接点到地面的距离，因此约束函数变为1 )：YAA Gsin###l-- 日->0。 (8)2基于 MATLAB的复合形法优化计算复合形法(Complex Method，又称复形法)是解决有约束条件的非线性规划问题的有效方法之-，属于直接搜索法 。

1)构成初始复合形图 3复合形法的基本思路框架Fig.3 Complex method framewoof the basic train of thought2)计算各定点的函数值，-厂( u )√1，2，，K。

4)计算映射点 (刖，)Xoa(Xo-X( )。 (9)通常取a1.3.检查 )是否在可行域内。若 ( )为非可行点～映射系数缩半后再按上式改变映射点，直到 ( )进入可行域内止。

5)构造新复合形计算映射点目标函数值，并与坏点函数值相比较，可能有两种情况。

① 映射点优于坏点，即：/ )

② 映射点次于坏点。即：f(x )> )。 (11)这种情况往往是由于映射点过远引起 ∩用缩半映射系数。

采用将a减半的方法把映射点拉近些，若有( )≮ ( )，则又转化成第-种情况。

但也有可能经过多次a的减半.直到a已小于预定给定的很小正数6(例如，610 )时仍不能使映射点优于坏点，则说明该映射方向不利。此时，应改换映射方向，取对次坏点的映射。确定不包括X(sH)在内的复合形顶点中心.并以此为映射轴心，计算映射点的 (m， ( ， )max ∽) 1，2， ≠H， (12) 0口 )。 (13)32 农业装备与车辆工程再转回本步骤的开始处，直至构成新复合形。

6)判别终止条件当每-个新复合形构成之时，就用终止迭代条件来判别是否结束迭代。

① 各顶点与好点的函数值之差的均方根小于误差限.即：f K 1㈤) (14)② 各顶点与好点的函数值之差的平方和小于误差限：∑ ∽) ㈦)]z≤8。 (15)J 1③ 各顶点与好点的函数值之差的绝对值之和小于误差限.即：∑IAxq)-Ax )l≤。 (16)J 1如果不满足终止迭代条件，则返回步骤(2)继续下-代迭代，否则，可将最后复合形的好点 ( )及其函数值厂 ( )作为最优解输出，并结束运行。

表2优化结果Table 2 Optimization results3 优化计算结果分析利用优化结果，可以很容易确定各杆件的长度以及各铰点的位置，得到-个可行的设计方案。

根据前述铲斗举升时应近似平动的要求，应满足下列不等式成立，即：li-OL2l≤10 0。 (17)利用 MATLAB的绘图函数 PLOT分别绘制优化前后铲斗摆动曲线，可以检验优化后结果的合理性。

装载机在工作过程中铲斗前后摆动虽然是无法避免的，但我们可以通过对T作装置的优化，使铲斗前后摆动的幅度尽量减校这饮合我们优化的目的。由图4优化前摆动曲线可知：优化前装载机的动臂从运输位置升到上限位置的过程中。铲斗的摆动角度范围是-2。～3.5。，满足平动要求但摆动范围相对较大：由图5优化后摆动曲线可知：优化后装载机的动臂从运输位置升到上限位置的过程中，铲斗的摆动角度范围是-1.5。～1。，不仅满足平动要求，而且相对优化前摆动范围明显缩校卉动臂位置角 R图4优化前摆动曲线Fig.4 Rocking curve before optimization1·0占 o-5娅 0墓 ms菱 -，-。

- 1.5/- ，l0 2( 30 40 50 60 70 80 90动臂位置角图5优化后摆动曲线Fig.5 The optimized rocking cu rve为了进-步说明优化的结果，根据优化结果计算出杆长及个别角度(动臂、摇臂的拐角)，借助三维制图软件 UG绘制简单的装载机工作装置模型如图 5所示，通过 UG自带的运动仿真拈实现对工作装置从铲装T况到最高点卸载工况的模拟仿真，检验优化结果是否符合要求。

经过对工作装置进行运动仿真，可得出和对比用 MATLAB的绘图函数 PLOT绘制优化前后铲斗摆动曲线相同的结论，即优化后工作装置的平动性得到提高，达到优化预期 目的。

第51卷第 2期 韩斌 等：基于复合形法的装载机工作装置优化设计研究 33图6工作装置模型图Fig.6 Work device model diagram4 结束语基于matlab语言为工具 .采用复合形法对装载机工作装置的数学模型进行优化，优化后工作装置的杆件长度和结构更趋于合理，铲斗的平稳性得到显著提高，同时有效降低了工作机构各构件之间可能发生运动干涉、出现死点”、自锁”、机构撕裂”等现象的概率，装载机工作装置的性能得到进-步提高，达到优化目的。