毕业设计（论文）-基于型算法对装载机工作装置举升机构进行优化设计.doc

齐齐哈尔大学毕业设计(论文)1第章绪论1.1课题背景装载机是一种用途较广的铲运、施工机械。广泛应用于建筑、公路、铁路、水电、港口、矿山、林业、国防等工程中，对加快工程建设速度、减轻劳动强度、提高工程质量、降低工程成本都发挥着重要的作用。近几年来，无论国内还是国外，装载机的品种和质量都得到了迅猛的发展，已成为工程机械的主导产品之一。其工作装置是组成装载机的关键部件之一，设计水平直接影响工作装置性能的好坏，影响整机的工作效率与经济指标。目前，大多数设计仍采用传统的类比法和作图试凑法，工作繁琐，设计精度低，周期长，不易获得各项指标都满意的设计方案，这就需要采用现代设计方法提高设计水平和产品质量。论文的研究目的是：建立举升机构的数学模型，使用MATLAB语言采用粒子群算法对其进行优化设计，并对装载机工作装置进行性能分析。1.2工作装置的基本概念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键部件之一，其设计水平的高低直接影响工作装置性能的好坏，进而影响整机的工作效率与经济性指标。1.2.1崛起力崛起力是指具有标准使用重量的装载机停放在坚硬的水平面上，铲斗斗刃底部平行于地面，且在地面上下偏差不超过25cm的情况下，当转斗或升臂时，后轮不准离地或即将离地。这是工作装置所产生的作用在铲斗斗刃后10cm处的最大垂直向上的力，即掘起力。1.2.2传力比装载机工作装置的传力比分为连杆机构的传力比和举升机构的传力比两大类。齐齐哈尔大学毕业设计(论文)2连杆机构的传力比是指单位转斗缸力所获得的铲斗崛起力；举升机构的传力比是指单位动臂举升缸力所获得的铲斗崛起力。引入装载机工作装置传力比概念的目的是,为了便于不同类型转载机工作装置铲掘性能的比较。显然，传力比越大，工作装置的铲掘性能就越好。1.2.3铲斗自动平放铲斗自动平放是指铲斗在某一常用位置（通常是动臂上限位置）卸料后，转斗缸闭锁不作收斗行程，当动臂举升缸下放动臂至地面位置时，由举升机构运动实现铲斗的运动路线，铲斗进入下次插入状态。铲斗自动放平并不是绝对的，它只能保证机构在某一个位置卸料后实现铲斗自动放平，其它位置则无此特性。要保证机构在每个位置卸料后均能实现铲斗自动放平，必须增设自动放平装置。如由连杆的运动实现铲斗的自动放平，那么将具有以下三个优点：（1）由于每次作业循环转斗缸省掉一次收斗行程，节省了动力消耗，具有较好的经济效果；（2）由于转斗缸省掉一次收斗行程，减少了司机操作转斗缸手柄次数，从而，改善了司机劳动条件，减轻了司机劳动强度；（3）铲斗自动放平，既能保证铲斗自动、准确复位（铲斗水平插入料堆位置），减小铲装阻力，又能避免因铲斗复位不准的反复操作，缩短了作业循环时间。1.2.4铲斗靠挡块我们经常可以发现，有的装载机在运输物料过程中，铲斗会绕动臂下铰接点转动，即发生所谓的“点头”现象。特别是当车体碰到障碍物或紧急制动时，这种现象更加显著，严重时会破坏连杆、油缸等工作装置中一些薄弱杆件。所以，必须提出有效的解决办法。要消除铲斗在运输过程中产生的“点头”现象，必须保证铲斗紧靠动臂。这就是所谓的铲斗靠挡块。它通常是通过铲斗与动臂的强制干涉来实现的。.齐齐哈尔大学毕业设计(论文)31234561铲斗2连杆3动臂杆4摇臂5举升油缸6转斗油缸图1-1装载机工作装置结构的组成1.3工作装置的总体结构与布置装载机工作装置分为有铲斗托架和无铲斗托架两种基本结构型式，如图1.1所示，它由运动相互独立的两部分构成连杆机构和动臂举升机构，主要由铲斗、动臂、连杆、上下摇臂、转斗油缸、动臂举升缸、托架、液压系统等组成。设计的对象是无铲斗托架，无铲斗托架的工作装置见图1.1b，其动臂下铰接点与铲斗铰接，上铰接点与前车架支座铰接；转斗缸一端与前车架铰接，另一端与上摇臂铰接；连杆一端与摇臂铰接，另一端与铲斗铰接；摇臂铰接在动臂上。动臂举升缸一般采用立式或卧式布置形式，常见有两种连接方式：一种是油缸顶端与前车架铰接；另一种是油缸中部通过销轴与前车架铰接。铲斗是装载物料的容器，通常具有两个铰接点，一个与动臂下铰接点铰接，另一个与连杆铰接。操纵转斗缸实现铲斗的装载或卸料；操纵举生缸实现动臂和铲斗升降运动。1.4装载机的发展概况我国装载机的研究和使用已有五十年的历史，经历了三个发展阶段：60年代仿制摸索阶段；70年代自立更生研制阶段；80-90年代技术引进、合资发展阶段。从1976-1996年，我国装载机产量增长了41倍，研究设计水平有了很大的发展和提高，齐齐哈尔大学毕业设计(论文)4取得了许多成果，如成功地研制了ZL系列。然而，从整体上看，我国工程机械的性能相当于国际80年代末的水平；质量相当于国外70年代末的水平：生产和制造相当于其70年代中期的水平；另一方面，由于我国经济发展和建设的需要，对工程机械的需求量很大，在“量”和“质”上，要求都很高。国内轮式装载机的需求2000年之前为每年2500027000台，到2005年达到50000-60000台，给装载机行业的发展提供了很好的市场前景。目前，工程机械已上升为机械工业十大行业中的第二位。其中，装载机的生产厂家有60多家，产销量和经济效益的增长速度己成为工程机械行业中的第一位。因此，提高设计和制造水平是发展装载机行业的重点。在过去几十年中，我国主要研制的是中吨型(2-6吨)的轮式装载机，产品己比较成熟和稳定。既有自行开发的ZL系列，也有引进德国、日本、美国、英国等的技术，通过实验和技术测试而合作生产的产品。未来，我国装载机发展的趋势是：(1）向八吨以上的大型发展。(2）向小型、微型机发展。指斗容量在0.43m以下，工作重量在4t以下,可以在狭小的环境中作业。目前，许多工程项目，尤其是城市中的项目，如管道架设、电缆铺设、道路拓宽、住宅建筑等，工程规模小、道路狭小。小型装载机能适应灵活的工作环境，运输也方便。如日本生产的SDK6，SGK6和SDK-4型，斗容在0.17m3和0.28m3左右，机重不到两吨；日本研制的310,315型装载机.斗容只有0.14m3，机重不到一吨；日、美等国还生产斗容0.11m3的微型装载机。(3）发展多功能、多用途装载机，如“两头忙”(挖掘装载机)。随着液压和液力技术的发展，设计水平的提高，工程机械的通用性提高，使用户能方便，快速、经济地对装载机进行改装，满足多种作业要求。美国的Caterpillar公司开发的IT系列；美国Clark公司的Bobcat；英国JCB公司生产的410型；德国Kramer公司研制的213E，312E型；日本小松公司的WA系列；意大利菲亚特的FR系列等，都配有几十种不同的作业装置，可适用于近200种工况，如装载、挖掘、抓取、清扫、平地、吊装、压实、堆土等等。我国的UNC-060多功能装载机可以快速装换十余种工作装置。1.5工作装置设计方法的发展概况从设计方法来看，工作装置的设计水平直接决定着装载机的工作性能和市场竞争力。机械产品设计阶段的费用虽然只占最终产品成本的一小部分，但却决定了70%80%的制造和销售成本，这一阶段也是技术创新的主要部分。从设计技术发展角度，装载机的研究也可以分为三个时期：经验设计阶段（研制样机，主要应用类齐齐哈尔大学毕业设计(论文)5比法和经验公式进行设计）、科学试验和技术分析阶段（用测试技术，进行应力、应变、疲劳、振动等试验，增加设计依据）和现代设计时期（用先进的设计理论和方法学，广泛应用计算机CAD技术，提高设计质量和科学性）。目前，许多企业，尤其是中小企业，还处于经验设计阶段，一些大型企业的设计水平达到了科学试验和技术分析阶段，而现代设计主要在高校和科研机构中开展，在此阶段，就涉及设计方法的选用问题，即采用什么样的方法可使设计结果更令人满意，使工作装置的工作效率更高。装载机工作装置的常用设计方法有如下几种：（1）图解设计法最早采用的设计方法是图解设计法，它将工作装置的连杆机构看成是由斗杆机构和缸杆机构两部分组成。其关键是确定摇臂在动臂上的铰点位置和斗油缸在机架上的位置。其大致的做法是这样的：首先，根据作业物料的性能要求，设计出铲斗的结构，确定斗铰线的长度和位置，并将其作为掘起力的计算位置，在满足卸载高度、卸载距离的前提下，根据总体结构的要求，确定动臂的长度和位置。然后，将六连杆机构分为斗杆机构和缸杆机构两个四连杆机构，运用作图法分别设计出斗杆机构和缸杆机构。最后，将设计好的斗杆机构和缸杆机构组合成一个完整的工作装置连杆机构。很显然这种方案只是一种可行方案，但是并不是最优的方案。在这个基础上，经过几次分析和改进还可以继续提高其性能。但是这种方案比较费事，要想同时满足多个约束的要求比较困难。这种方式基本属于一种“类比试凑法”。如我国研制的ZL20,30,40轮式装载机，就是在ZL50型的基础上，将额定装载重量按R10优先数系排列，把各总体参数和作用力的关系做成图表，找出装载重量和各参数之间的关系，用放大或缩小比例的方法设计的。这种方法在过去研究水平和手段落后的情况下是起着很大的作用。但它的缺点也是明显的。首先，所得的载重量与各参数之间的经验关系式必然只是一种近似，精确程度不高；其次，这种设计方法工作量大，效率低，设计人员的经验在很大程度上影响着设计结果的质量，而且，存在着较大的盲目性。（2）解析法解析法是根据平移性、卸料性、动力性的要求做出连杆机构的近似特性曲线，并根据近似特性曲线确定一组杆件方程组。然后再根据已知数据和杆件方程组计算出其它杆件的长度。最后做出连杆机构的实际特性曲线，根据实际特性曲线和近似特性曲线之间的差值做出一些修正。解析法设计连杆机构较作图法来说省去了反复试凑作图的过程。特别是根据连杆机构的特性曲线，用杆件方程组设计出合乎预定齐齐哈尔大学毕业设计(论文)6性的方案，减少了设计过程的盲目性，从而利于提高设计的质量和效率。这比起作图法来说是一个进步，但使用效果仍不很理想，仍然未能全面解决卸料性与平移性、动力性与铲斗自动放平性之间的矛盾。并且计算复杂，因此一般只对几个作业位置进行分析计算，难以了解全部工况的作业性能。（3）优化设计方法工程机械的优化设计是在七十年代中期才发展起来的一种设计方法。它以数学规划为理论基础，以电子计算机为工具，来寻求机械设计的最优参数，这是机械设计领域的一场革命。它用理论设计代替经验设计，以精确设计代替近似设计，以动态设计代替静态设计。在工程机械的优化设计中，由于设计变量比较多，往往是复杂的多目标函数，以往的计算工具和计算方法已经不能满足优化设计的需要，而计算机的快速发展和新的计算方法的研究保证了机械优化设计的快速和可靠。在装载机的工作装置的优化设计方面，国内的研究工作者做了大量的工作。优化算法不像图解设计法那样把约束条件都在图面上表示出来，而是将约束条件用方程表示出来，编制成计算机程序，输入计算机内。其优化方法主要有两种：复合形法和惩罚函数法。吉林工业大学的杨成康建立了工作装置的正、反转六连杆机构铰点位置优化设计的数学模型，编制了内点惩罚函数法优化设计程序。得到了比较理想的结果。其结果在19851986年间在山东临沂工程机械厂试制成功，使用效果良好，特别是ZL5OC己经批量生产，己经为临沂工程机械厂取得了较好的效益。其动力性能比原来提高了40%。太原重型机械学院的迟泳滨在1997年开发出了一个装载机工作装置设计CAD系统。它对工作装置的优化设计过程大概是这样的：首先利用专家系统技术构造一个初始的设计方案，专家系统中的知识库主要是一些现有机型的主要参数以及有关的标准、规范等，这些现有机型的方案参数主要用于相近机型的初始方案设计。由于在工作装置的设计中设计参数一般要精确到毫米级，有时一些关键设计参数即使有几个毫米的误差，也会引起性能上的较大的变化。专家系统还难以构造达到这样的精度的最佳方案，因此专家系统提供的方案可以作为优化设计的初始方案，需要进一步的优化设计。有了初始方案以后，再根据优化设计的目标函数选择合理的目标函数加权系数，并且根据各个约束函数，采用复合形法对目标函数进行优化。这套系统对于现有机型的改进设计和相似机型的设计还是比较理想的。如果优化设计的结果不能够满足设计者的要求，还可以修改各个构件的参数再进行新一轮的优化，直到满足设计者的要求为止。齐齐哈尔大学毕业设计(论文)7总结以上方法可以看出当前的优化方法主要有两种：复合形法和惩罚函数法。但是这两种优化方法均存在一定的缺陷：复合形法是解约束非线性问题的直接方法，其原理简单、实用性广，比较容易获得全局最优。但是对于强约束问题产生初始复合形法的效率较低，所以要求所给的设计空间尽可能小且包含可行域。而外点惩罚函数法不要求可行的初始点，它可以从可行域外一点出发，经过寻优和迭代过程逼近可行域，最后收敛于可行域边界的最优点上。这正好弥补了复合形法的缺点。对于初始值远离可行域或者是根本没有可行点的新设计，采用外点惩罚函数求解，可以较好地解决可行点的问题。但是惩罚函数法对于多极值问题常常难以得到全局最优解。随着计算机性能的不断提高，出现了许多用于工程设计和计算的专用软件，为工程技术人员的研究工作带来了方便，减少了工程开发中自己编程的繁琐工作，同时也使得许多优秀的数学理论得到推广应用。目前，较前沿的可用于机构设计、仿真、优化和计算的软件有ADAMS，PROENGINEER，ANSYS，MATLAB，UG等。（4）优化设计方法目前的优化方法包括：遗传算法、蚁群算法、粒子群算法、模拟退火、禁忌搜索、神经网络等。这些算法或理论都有一些共同的特性，比如模拟自然过程，它们对于一些复杂工程问题的求解是其它传统优化方法所无匹敌的。优化算法中的粒子群算法是模拟自然界生物某种过程的优化方法，作为新的全局优化搜索算法，具有简单通用、适于并行处理以及高效、实用等显著特点，并逐渐成为重要的算法。本文将采用粒子群算法对工作装置举升机构进行优化。1.6装载机工作装置优化的目的及意义传统的工程机械设计基本上属于一种经验设计。当要开发出一种新产品的时候，根据现有的技术资料，进行一些合理的简化和改进。经验设计比较耗费工时，设计周期比较长，而且设计出来的产品比较笨重，机械性能低，设计成本高。造成这种结果的原因是：传统机械设计是在有限的几个方案中院比较和选择一个比较优秀的方案进行设计的，这使得设计工作带有很大的盲目性和局限性。同时选择的方案也没有一个十分精确的评价标准来衡量其优劣。设计工作处于一种摸索状态。这种设计方法要经过设计试制样机再改进再试制，往往要经过几轮的设计才能达到一定的水平，这使得设计的周期拉的很长，同时也造成了人力、物力上的浪费，增加了产品的设计和实验成本。而许多厂家对于产品的设计仍然停留在参考设