（机械设计及理论专业论文）螺旋切削式深海钴结壳采矿头最小工作能耗设计研究.pdf

中南人学硕：i ：学位论文摘要摘要随着陆地矿产资源的日趋枯竭和人类对海洋的认识日益深化，大洋钴结壳资源已成为世界各国瞩目的2 l 世纪具有商业开发前景的战略资源。根据专家预测，本世纪中叶就有可能进入钴结壳商业开采的阶段。南正确把握国际海底区域资源研究开发形势，稳步推进我国国际海底资源开发事业，中国大洋矿产资源研究开发协会在其制定的国际海底区域研究开发“十五”计划和国际海底区域研究开发“十五”立项指南中均将“钻结壳资源评价与研究”( d y l 0 5 一0 1 ) 和“钴结壳采集模型机关键技术及装备研究”( d y l 0 5 - 0 3 0 2 ) 确立为开发研究的重点项目。由于我国海洋整体开发能力远远落后于国际水平，投入的资金相对有限，进行耗资巨大的实物模型试验的次数也十分有限，我们必须充分利用现代虚拟仿真技术，对深海资源开发技术的各种过程、关键设备进行虚拟设计，以提高深海资源开发技术研究的进度和效率，降低设备能耗，节约深海资源开发投资。本论文就是在这种背景和形势下，从理论上对钻结壳深海采矿的螺旋滚筒式采矿头设计进行技术论证，寻求其参数设计较好的技术路线。作者通过对采矿头运动特性的研究，建立了其截齿运动的运动学方程；然后根据深海开采钴结壳的特殊的工作条件，分析了滚筒式采矿头在设计过程中参数的选择依据，建立了采矿头平均能量消耗的数学模型。最后作者按照能耗最小为目标，采用实值编码遗传算法优化，进行了钴结壳采矿头的参数优化设计，并且编制了专门优化采矿头参数的计算机程序，为优化和校验设计螺旋滚筒式采矿头提供了方便。虽然本论文设计是专门针对大洋富钴结壳采集进行的，但其中的一些优化设计思想和方法( 或稍做调整) 仍然可以借鉴到其它海洋资源的开发和有关的切削头设计上。因此，本论文不仅对开发大洋钴结壳等矿产资源具有十分重要的意义，同时它也为传统的螺旋滚筒式采矿头参数设计提供了一种新的设计方法和有力的手段。关键词：深海采矿，钴结壳，螺旋滚筒，采矿头，遗传算法夕，中南人学硕士学位论文摘要a b s t r a c ta l o n gw i ml a n dm i n e r a lr e s o u r c e su s e du db vh u m a nb e i n g sa n dw eu n d e r s t o o dt h eo c e a nm o r ea n dm o r e ，o c e a n i cc o b a l tc r u s tr e s o u r c eh a sb e e nac o m m e r c i a lf o r e g r o u n ds t r a t e g i c a l l yr e s o u r c ei n2 lc e n t u r yw h i c hw a sf o c u s e dt h ei n t e m a t i o n a la t t e n t i o nu p o n b a s e do ns o m ee x p e l s f o r e c a s t i nt h em i d d l eo ft h i sc e n t u r yc o b a l tc r u s t sc o m m e r c i a la n dc o m i c a lm i n i n gw o u l db ep o s s i b l e i no r d e rt ok e e pu dw i t ht h ep o s i t i o no fi n t e m a t i o n a ls e a b e dr e s o u r c e sr t s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t ，a d v a n c eo u rp r o j e c ti ns e a b e dr e s o u r c e sd e v e l o p m e n t ，t h eo c e a nm i n e r a lr e s o u r c er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ta s s o c i a t i o no fc h i n at o o k “c o b a l tr e s o u r c e se s t i m a t ea n dr e s e a r c h ”( d y l 0 5 一0 1 ) a n d “c o b a l tc o l l e c t i o nm o d e lk e yt e c h n o l o g ya n de q u i p m e n tr e s e a r c h ”( d y l0 5 一0 3 0 2 ) a st h ee m p h a s e si t e mi nt h e”t e n t hf i v ey e a r sn a t i o n a ld e v e l o p m e n tp r o g r a m ”0 fi n t e m a t i o n a ls e a b e da r e ar e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t ) ) a n d ”t e n t hf i v ey e a r sn a t i o n a ld e v e l o p m e n tp r o g r a m ”e n c h i r i d i o no fi n t e m a t i o n a ls e a b e da r e ar e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t ) ) b e c a u s eo fo u rc a p a b i l i t yo fe x p l o i t i n ga n dd e v e l o p i n gt h eo c e a nw a sn o ta sw e l la st h ed e v e l o p e dc o u n t r i e s a n do u ri n v e s t m e n tw a sr a t h e r1 i t t l e c a r r y i n go u tal o to fp r a c t i c a lm o d e le x a m i n a t i o n sw h i c hn e e dm u c hm o n e yi oo c e a nw o u l db eo u to ft h eq u e s t i o n ，w em u s tt a k i n gu s eo ft h et e c h n o l o g yo fm o d e ms i m u l a t i o n ，s i m u l a t i n ga l lt h ec o u r s eo fd e e ps e ar e s o u r c e se x p l o i t i n gt e c h n o l o g ya n dt h ek e ye q u i p m e n t ，i m p r o v i n gt h er e s e a r c he m c i e n c ya n dp a c eo fd e e ps e ar e s o u r c e se x p l o i t i n ga n dd e v e l o p m e n tt e c h n o l o g y , r e d u c i n gt h er i s ka n dd e p r e s s i n gt h ei n v e s t m e n ti nd e e ps e am i n i n g t h ep a p e rw a sj u s ta tt h i sp o s i t i o na n dc o n d i t i o n ，o nt h eb a s e so ft a k i n gt e c h n o l o g i c a ld e m o n s t r a t i o no fc o b a l tc r u s tc o l l e c t i o ni nd e e ps e aa n dt h ea n a l y s i so fi t sf e a s i b i l i t y , l o o k i n gf o rae c o n o m i ca n de m c i e n tm o u t h e do rt e c h n o l o g i c a lr o u t et oc o l l e c tt h ec o b a l t e m i c h i n gc r u s ti nd e e ps e a i nt h ee n dt h ea u t h o rr e g a r d e dm i n i m i z i n gc o s t so fe n e r g ya st h et a r g e t ，a d o p t e df l o a tg e n e t i ca l g o r i t h mm e t h o dt od e s i g nt h ep a r a m e t e r so fc u t t i n gh e a d a n dt h ea u t h o rp r o g r a m m e df o ro p t i m i z i n gt h ep a r a m c t c r so fc u t t i n gh e a d a l t h o u g ht h ep a p e rw a sd e s i g n e dt ow o r kf o rd e e p s e ac o b a l tc r u s tm i n i n g ，t h et h e o r ya n dm e t h o d sc a nb eu s e db yo t h e rd e s i g n s s ot h ep a p e rn o to n l ys e e m su s e f u lt od e e p s e ac o b a l tc r u s tm i n i n g b u ta l s oo f f e r san e wd e s i g nm e t h o da n dp o w e r f u lt o o lf o rt r a d i t i o n a is p i r a ld r u mc u t t i n gh e a d sp a r a m e t e r sd e s i g n i n g k e yw o r d s ：d e e p s e am i n i n g ；c o b a l tc m s t ；s p i r a ld r u m ；c u t t i n gh e a d ；g e n e t i ca l g o r i t h m1 1原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。作者签名：盔垡日期：型年月丝日关于学位论文使用授权说明本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文，允诤学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。馓吼亟年丛日中南火学顾。l 二学位论文第一章绪论第一章绪论1 1 课题研究的目的、意义和主要内容1 1 1 研究的目的和意义深海钴结壳的采集技术研究是国家十五计划攻关项目，我们研究所承担了采矿头设计、采集技术等部分工作。在深海进行采矿作业，除了正常的采矿工序需要消耗大量的能量之外，还需要能量来克服海水的阻尼、收集并输送破碎的钴结壳；而几千米的能量输送距离，动力供应本就是一个难题，工作机构能耗每增加一点，动力供应系统难度就增大很多，因此设计出来的采矿头必须具有能耗低的特点。这不但直接成本较少，还将给整个钴结壳采矿系统的设计带来莫大方便。从能量的角度看，钻结壳采掘机械在一段时间内的能耗正比于工作速度。因此，研究采矿头采集钻结壳的能耗和采矿头工作参数与其工作速度之间的相互关系，进行螺旋滚筒深海钴结壳采矿头的最小工作能耗优化设计，具有十分重要的理论和实际意义。这也是本文追求的目标。1 1 2 研究的主要内容本文针对以往深海螺旋式采矿头优化设计中基于最小能耗的优化模型和优化算法上的不足，应用遗传算法的最优化理论，进行以下几个方面的研究：( 1 )在总结和吸收已有的相关研究成果的基础上，针对实际情况，确定采矿头的结构参数，并对采矿头进行运动学、力学、能耗分析，建立起一个较能反映实际要求的螺旋滚筒式采矿头最小能耗的数学模型。( 2 )对标准遗传算法进行改进，使其能够有效的运用到本设计中，并使其优化算法的性能达到最优。( 3 )在验证算法性能的基础上，用改进的遗传算法对已建立的最小能耗的数学模型求解，并通过实验室试验予以验证。中南人学硕 ：学位论文第一章绪论1 2 国内外研究开发现状1 2 1 采矿方案设计的选取在过去二、三十年的研究开发过程中，一些国家提出并试验过多种开采方案，主要有以下几种2 0 2 1 棚】：连续绳斗式( clb ) 开采系统、自动穿梭式采矿车采矿系统、集矿机加管道输送采矿系统等。对于开采钴结壳及其基岩所用的切削法，普遍认为最佳的方法应为螺旋滚筒式截齿切削、盘刀式轧削、冲击钻冲击破碎和水射流切削几种【4 9 l 。但是，不同的方法消耗的能量不同。美国j o h nh a l k y a r d 及其公司在试验和大量资料整理基础上认为，螺旋滚筒式切削或拖头切削这两种方案的能耗最省。其中拖头切削以日本的c l b 法为代表，螺旋滚筒式切削以美国提出的方案为主要代表【4 9 】。在1 9 8 5 年于美国召开的“海洋工程及其环境”国际会议上，j o h ne t t a l k y a r d提出了从深海海山上开采钴结壳的采矿车设计方案和有关技术问题。直到今天，关于钴结壳开采方案的公开性讨论，这篇文章仍然是最全面、最具代表性的，对任何从事钴结壳实际开采或方案研究工作都有参考和指导性意义，其主要观点如下 1 9 ) ：最佳的钴结壳开采方案应是包括由海底履带式采矿车、水力管道提矿运输系统和水面采矿船构成的采矿系统。作为商业性开采，每种钴结壳采矿方案的实际生产能力的价值底线是1 0 0 0 0 0 0 万吨年，基岩对钴结壳的贫化率应控制在5 0 以内，低于上述数据的开采方案在经济上( 按当时的市场价格) 是不可行的。对于商业开采来说采矿系统的可靠性是一个关键因素，其有效使用率应达到6 5 ，即每年实际运行时间在2 3 5 2 7 5 天左右，最低应保证有2 2 5 天以上的作业时间。任何钴结壳开采方案主要由采剥一集矿一大块破碎一分选一提升运输五个环节组成。除上述有关因素外，在正式设计海底采矿系统之前，还需掌握以下开发条件：a 海底地貌和钴结壳厚度变化情况b 钴结壳及其下层基岩的物理机械性质c 钴结壳与基岩的分离特性他的这一观点已成为世界海底钴结壳开发研究的权威性意见，对钴结壳开采方案的设计有直接的参考价值。中南大学硕：i 二学位论文第一章绪论由于某些客观原因，我国从1 9 8 7 年才开始钴结壳资源的调查，并首次采获数百公斤富钴结壳样品。1 9 9 7 1 9 9 8 年间，在中国大洋矿产资源研究开发协会领导组织下，借“大洋1 号”和“海洋4 号”两艘科学考察船对我国固定的多金属结核矿区评勘之便，组织了科研人员多批次对中太平洋海山富钴结壳赋存区进行了初步勘察，对结壳物质来源、组成、品位、丰度以及有关物理参数和水文气象等作了初步调研，取得了大量有效资料和数据，找到了钴含量较高、覆盖率和丰度较大的远景矿区i ”i 。为国家正式启动大洋富钴结壳资源开发和研究打下了较好的基础。根据以上分析并结合我国在先前的锰结核开采技术研究中积累了相当的海底采矿车和管运扬矿系统的经验，选用“海底自行履带式采矿车( 螺旋滚筒式切削头) 水力吸引集矿装置管道扬矿系统”的钴结壳开采技术方案在我国可以说是目前最佳的选择方案。中南大学博士刘勇在其深海钴结壳螺旋滚筒切削法采掘头设计理论与方法虚拟研究1 1 9 1 的博士论文中已作了一定的研究。本论文正是在此基础上进行研究的。1 2 2 螺旋滚筒采矿头设计发展综述8 0 年代我国刁开始着手海洋钴结壳资源的调查，在此之前深海钴结壳采矿头的设计、应用属于空白。螺旋滚筒早在解放前就被世界上一些发达国家应用在采煤机上，其采矿头设计在国内外均有着丰富的经验和技术，因此我们对钴结壳采矿头设计时把采煤机采矿头设计当作参考的标准。6 0 年代，我国一些矿井使用了滚筒采煤机，推广摩擦式金属支柱和铰接顶梁，大巷使用混凝土支架、金属支架，推广锚杆支护”“3 、鲫。7 0 8 0 年代螺旋滚筒采矿头得到了推广使用”“，并从引进使用逐步变成技术改造。为了提高生产率，采煤机双滚筒甚至多滚筒的应用也逐步增加。9 0 年代，煤矿的技术改造朝着大型化、现代化的方向迈进，实现以采掘运机械化为中心的全面改造，螺旋滚筒采煤机开始向智能化、自动控制化、大功率化发展，出现了计算机控制、多电机横向布置等配套改进措施1 0 引6 3 。近年来，滚筒式采煤机的截割速度一直在增加。一些新研究开发出来的采煤机的截割速度达到了每秒0 4 米o 6 米。在滚筒采煤机上采用计算机人工智能控制以及加装超前防护功能液压支架，截割速度、螺旋滚筒和挡煤板的位置等都可通过程序来进行控制，使生产能力和效率持续得到改善【1 0 、3 2 “36 4 1 。因此，改善螺旋滚筒采矿头截齿受力情况，延长截齿寿命；研究工作速度与结构参数的关中南大学硕： 二学位论文第一章绪论系，降低能耗等成为目前螺旋滚筒采矿头优化设计的重要课题。其中，针对采煤机滚筒采矿头改进设计的部分研究情况如下：( 1 ) 晋城煤业集团2 0 0 1 年结合其西区煤质软脆易碎的特点，以提高生产率为主要目的，对原电牵引采煤机1 8 0 0 x3 2 齿的螺旋滚筒结构进行了改进设计1 ：主要从提高截割块度的措施；提高装煤效果的优化措施等方面进行改进。以螺旋滚筒装煤量q ( t ，h ) 的理论公式为基础，主要通过经验设计和基于经验的直观设计，改变滚筒各结构参数，以求提高产煤率。q ：半( d ；一d 1 2 ) s m ”y f o k叶式中d 1 、d 2 分别为叶片直径和筒毂直径，m ；s 为螺距，m ；m 为螺旋头数；n 为滚筒转速，r m i n ；y 为散体煤容量，t m 3 ；p 为螺旋有效断面的充填系数；k 为考虑由螺旋实际装入输送机的煤量的系数。优化设计前后滚筒的部分技术参数见表卜1 。表卜1 优化设计前后滚筒部分参数对照表经计算，理论上可增加滚筒装煤量约1 5 4 。优化后的实际螺旋滚筒截煤块率提高1 ，装煤效果提高1 0 。虽然改进实现了提高产煤率的目标，但是优化过程中未能充分考虑能耗影响，优化后滚筒单个截齿受力加剧，造成采矿头寿命降低。( 2 ) 辽宁工程技术大学的李晓豁教授对截割深度在切削中的影响进行了实验研究：分别取截割深度为5 、1 0 、1 5 、2 0 、2 5 、3 0 m m 进行试验，测量截槽侧边崩落角、块率( 粒度) 、截割阻力和截割比能耗。实验证明，在块度小于3 0 m m 的情况下，截割深度与块率之间的关系近似双曲线下降趋势，但在块度大于3 0 m m 的情形中，块率线性增加，到一定程度转而降低。截割阻力z 随截割深度t 的增加而增加，而截割比能耗h a 与截割深度呈中南大学颂i ：学位论文第一乖绪论双曲线规律变化，如图1 - 1 所示。这与前面所述俄罗斯柯琴斯基矿业研究院的研究情况一致。即加大截割深度，使截割阻力增加，块率的提高会导致截割单位体积煤岩所消耗的能量一截割比能耗降低。截割深度的最佳值随煤层性质等因素的影响而不同。96邑n3o51 01 52 02 b3 ui t ( r a m 图1 - 1 截割阻力和比能耗与截割深度的关系曲线因此，适当提高截割深度，可使采矿头在块度较高、截割比能耗较低点工作。但是，单从实验中寻找最佳截割深度等滚筒结构参数，需要做大量的实验，不易确定最适宜值。如果结合优化算法进行计算，以试验予以证明，将更行之有效。( 3 ) 浙江大学流体传动及控制国家重点实验室岳欣博士对采煤机螺旋滚筒参数进行了优化设计的实验【4 ”：选择与截割比能耗相关性较大的滚筒结构参数( 直径d 、截距s 、叶片数n y及截线齿数n s 等) 、煤层特性参数( 主要由抗压强度r c 表征) 及滚筒运行参数( 用最大切屑厚度6m a x 表征) 作为试验研究对象进行实验。试验分6 组进行，每组试验以1 个参数作为变量，共进行了4 4 次截割试验每次试验中，测定单位时间内滚筒采下的煤量及其载荷平均值，进而得到该次试验的平均比能耗并以实验数据为基础采用曲线拟合法构造比能耗公式，从而最终构造出优化设计变量和目标函数。以d ，s ，6 m a x ，n y ，n s 为优化设计变量。m i n f ( x 口) = h w ! x ) + j i ：( x ，：? 为优化设计目标函数。i “一、“1 ，u 2 ，一，口 ，口，= ( 一，) 。一。式中a 为截齿分布坐标集向量；何。，( x ) 为比能耗；k 为载荷波动系数；口，为第i 个截齿的分布及安装角；扎为第i 个截齿的周向坐标；屈轴向安装倾角；n中南大学硕l ：学位论文第一章绪论为截齿总数。最后应用编制的优化软件，对煤炭科学研究总院上海分院研制的型滚筒进行了优化设计表1 2 优化设计前后滚筒能耗与波动对比如表卜2 所示，优化后能耗与波动值均比原滚筒有所减少。虽然该优化成功实现了对螺旋滚筒降低工作能耗的要求，但是其函数模型是以实验数据进行曲线拟合而建立的，一旦更换了实验环境或要求，则难以推广使用。对于开采深海钴结壳的螺旋滚筒采矿头设计，必须考虑海底开采环境与陆地采煤环境的差异因素：地表凹凸不平，截齿切削结壳的深度也会随地形的变化而变化，当结壳覆盖层比较薄时，会使贫化率上升，使钴开采产量降低；海底地貌恶劣，基岩太复杂，有抗压强度达到，甚至超过2 0 0 m p a 的很硬的玄武岩【4 6 i ，也有一些虽然基岩本身抗压强度不大，但是内部夹杂有较大颗粒的石英石等坚硬物质，使采矿头上的截齿所受载荷波动很大；在几千米深的海底进行采矿作业，能量的供应是突出的难题之一。因此，针对海底钴结壳开采环境的特点，其螺旋滚筒式采矿头的设计与采煤机有所不同，美国、日本、南非、中国都对其进行了研究，部分研究情况如下：( 1 ) 美国j o h ne h a l k ) r a r d 对提高采矿头采集量进行了设计：j o h ne h a l k y a r d 针对深海开采钴结壳设计的切割头，鉴于钴结壳矿床厚度很薄，且起伏不平，分成多个小切割头( 图1 2 ) ，各自能根据前方分担区的结壳层起伏高度及厚度独立调整其切割位嚣，就能在尽可能少切割基底岩层岩石的条件下，尽可能多的切割钴结壳层。根据微地形的起伏特性，选定切割头宽为1 米，能保证尽量多的回收钴结壳，且切割的基底层岩石( 贫化率1 不超过2 5 。1 滚筒截齿2 转臂中南大学硕：i ：学位论文第一章绪论图卜2j o h neh a l k y a r d 设计的钴结壳切割头( 2 ) 日本针对海底地表凹凸不平的特点对螺旋滚筒式采矿头进行了设计在这方面有一项专利，专利号为：j p 2 2 6 6 0 8 8 4 7 1图i - 3 采矿头机构示意图在这个专利中所设计的采矿头，滚筒较窄因而有较好的适应钴结壳微地形的能力。但是其切削的宽度比车身宽度还要小很多，因此开采效率低。( 3 ) 中南大学的h 英勇教授和他的博士们对深海钴结壳螺旋滚筒切削法采掘头设计理论与虚拟可视化进行了研究，并进行了大量实验，为滚筒参数的优选提供了设计参考和依据，具有很大的借鉴价值。传统设计中，人们经常片面追求高生产率和最佳块度，而忽视能耗问题，并且往往根据经验和既定的公式设计采矿头的各项结构和运动参数，然后在实际应用中比较和改进这些参数，从而浪费了许多时问、人力和资源。本文从满足钴产量的条件下，以降低采矿头工作能耗的目的出发，拟通过先进的遗传算法进行采矿头的切削参数优化，使其设计更理想更精确。1 2 3 优化设计方法发展简述工程设计中的最优值是指在满足多种设计因素下令人满意的最适宜值，在很多情况就是最大值或最小值。再则，最优值的概念是相对的，它随着科学技术的发展及设计条件的变动而变化。优化设计是近几十年，随着数学规划和计算机的迅速发展而产生并应用起来的。数学规划方法是二次世界大战期间发展起来的- - 1 3 新的数学分支，是运筹学的重要内容，它包括线性和非线性规划、动态规划7 i 。中南大学硕士学位论文第一章绪论在这以前的“选优”思想带有经验性。例如，2 0 世纪4 0 年代，机械优化设计盛行的是“同时破坏理论”，即在单一载荷作用下，整个结构破坏时，每个受力件都同时达到其材料的强度极限，这就是最佳结构1 。1 9 5 6 年g g e r a r d 第一次发表了同时破坏理论的优化设计文章。“同时破坏理论”的理论基础是经典的函数极小化理论，仅能处理一些简单的结构，由于实际问题中结构都比较复杂，故应用受到很大限制。后来的“满应力设计”是“同时破坏理论”的推广，它考虑多组载荷的作用。目前，该方法已很少使用。1 9 5 6 年r k l v e s l y 和c p e a r s o n 把极限设计作为线性规划问题处理。1 9 5 7 年r z b e l l m a n 提出用动态规划方法将问题分块求解。1 9 5 8 年r e g o m o r y 提出了类似于单纯形法的方法来解整数规划问题。1 9 6 2 年l r f o r d 进一步发展了数学规划理论的应用。1 9 6 3 年g b d a n t z i g 提出了线性规划的单纯形法。1 9 6 9 年j j a y l o r 和w p r a g e r 发表了以“最小准则“概念选取最小体积结构优化的论文。1 9 7 1 年v v e n k a y y a 和l b e r k e 也发表了这方面的文章。同年h w k u h和a w t u c k e r 提出了非线性约束优化问题的k t 条件。7 0 年代兴起的遗传算法，给最优化理论注入新的生机。遗传算法在系统可靠性、多目标求解、模糊设计、神经网络等领域得到广泛应用。采用优化设计方法与传统的设计方法比较看，优化方案的经济效果很显著1 4 4 1 。例如，某大型减速器优化设计结果使其重量减轻1 2 ：对某个行星齿轮优化设计结果是体积减少13 ；对2 0 台桥式起重机箱形主梁优化设计结果是其重量减轻3 5 。一般说来，设计问题越复杂，其优化设计结果取得的技术经济效果就越明显。1 24 优化算法的比较、选择解析方法通常是通过求解使目标函数梯度为零的一组非线性方程来进行搜索。一般而言，若目标函数连续可微，解的空间方程比较简单，解析法还是可用的。但是，若方程的变量较多时，他就无能为力了。爬山法也和解析法一样都是属于寻找局部最优解的方法，即只有在更好的解位于当前解附近的前提下，才能继续进行行之有效的搜索。另一种典型的搜索方法是穷举法。该方法简单易行，即在一个连续有限搜索空间或离散无限搜索空间中，计算空间中每一点的目标函数值，且每次计算一个。显然，这种方法效率太低而鲁棒性不强。中南大学坷j ：卜学位论文第一章绪论随机搜索方法比起上述方法有所改进，是一种常用的方法，但它的搜索效率依然不高。一般而言，只有解在搜索空间中形成紧致分稚时，它的搜索才有效。但这一条件在实际应用中难以满足。需要指出的是，我们必须把随机搜索方法与随机化技术区分开来。遗传算法就是一个利用随机化技术来指导对一个被编码的参数空间进行高效搜索的方法l l ”。而另一个搜索方法模拟退火方法也是利用随机化处理技术来指导对于最小能量状态的搜索。但遗传算法搜索过程中使用的是基于目标函数值的评价信息，搜索过程既不受优化函数连续性的约束，也没有优化函数必须可导的要求，适用范围很大。前述的几种传统的搜索方法虽然鲁棒性不强，但这些方法在一定条件下，尤其是将他们混合使用也是有效的。不过，当面临更为复杂的问题时，就合适采用象遗传算法这样更好的方法。1 3 遗传算法最优化理论1 3 1 遗传算法的历史及发展遗传算法起源于对生物系统所进行的计算机模拟研究。早在2 0 世纪4 0 年代，就有学者开始研究如何利用计算机进行生物模拟的技术，他们从生物学的角度进行了生物的进行过程模拟、遗传过程模拟等研究工作。进入6 0 年代后，美国密执安大学的h o l l a n d 教授及学生们受到这种生物模拟技术的启发，创造出了一种基于生物遗传和进化机制的适合于复杂系统优化计算的自适应概率优化技术一遗传算法 1 6 , 1 7 , 1 8 1 。7 0 年代，h o l l a n d 提出了遗传算法的基本定理模式定理，从而奠定了遗传算法的理论基础。将遗传算法应用于函数优化始于d ej o n g ，他在其博士论文中设计了一系列遗传算法的执行策略和性能评价指标，对遗传算法性能作了大量的分析。在h o l l a n d 和d ej o n g 的工作后，遗传算法经历了一个相对平稳的发展时间，逐渐被人们所接受和运用。遗传算法的发展的高潮始于2 0 世纪8 0 年代末，延续至今。表1 3 给出了目前遗传算法所涉及的主要领域i l3 1 。表1 3中南人学硕l 学位论文第一章绪论遗传算法今后研究的主要课题包括，优化搜索方法的研究、学习系统的遗传算法的研究、生物进化与遗传算法的研究、遗传算法的并行分布处理和人工生命与遗传算法的研究。其中，优化问题的求解迄今为止，仍在遗传算法研究中占很大比重，应用也最广泛。例如，t s p 组合优化问题，机械设计参数优化问题等。尽管遗传算法比其他传统算法有更强的鲁棒性，但他更擅长全局搜索而局部搜索能力不足。研究发现，遗传算法可以用极快的速度达到最优解的9 0 左右，但要达到真正的最优解则要花费很长的时间。为此，除了探明如何能充分发挥遗传算法优越性的问题性质和类型外，进一步改进遗传算法基本理论和方法，以提高遗传算法的局部搜索能力和改善其收敛速度、解的品质，也是十分有意义的工作。l - 3 2 遗传算法原理及步骡遗传算法主要借用生物进化中“适者生存”的规律：最适合自然环境的群体往往产生了更大的后代群体。遗传算法借鉴了生物进化的一些特征，其主要特征表现为：1 进化发生在解的编码上。这些编码按生物学的术语成为染色体。由于对解进行了编码，优化问题的一切性质都通过编码来研究。编码和解码是遗传算法的一个主题。2 自然选择规律决定哪些染色体产生超过平均数的后代。遗传算法中，通过优化问题的目标而人为地构造适应函数以达到好的染色体产生超过平均数的后代。3 当染色体结合时，双亲的遗传基因的结合使得子女保持父母的特征。4 当染色体结合后，随机的变异会造成子代同父代的不同。遗传算法基本步骤如下：首先是对优化问题的解进行编码，此处，我们称一个解的编码为一个染色o中南火学硕：l 二学位论文第一乖绪论体，组成编码的元素称为基因。编码的目的主要是用于优化问题解的表现形式和利于之后遗传算法中的计算。第二是适应函数的构造和应用。适应函数基本上依据优化问题的目标函数而定。当适应函数确定以后，自然选择规律是以适应函数值的大小决定的概率分布来确定哪些染色体适应生存，那些被淘汰。生存下来的染色体组成种群，形成一个可以繁衍下一代的群体。第三是染色体的结合。双亲的遗传基因结合是通过编码之间的交配( c r o s s o v e r ) 达到下一代的产生。第四是变异。变异使某些解的编码发生变化，使解有更大的遍历性。最后从众多解中选出最优的解。标准遗传算法( c a n o n i c a lg e n e t i ca l g o r i t h m ，c g a ) 1 的实施流程如下：1 置r - 0 ，随机产生初始种群x ( 0 ) = ( x ( 0 ) ，x ：( 0 ) ，x ，( 0 ) ) ；2 独立地从当前种群中选取m 对母体；3 独立地对于n l 对母体进行杂交得到m 个中间个体；4 独立地对杂交后的m 个个体进行变异，得到下代种群x ( t + 1 ) = ( x l ( f + 1 ) ，x 2 ( ，+ 1 ) ，- 一，x 。( f + 1 ) ) ；5 若停止准则满足，则停止；否则置f = ，+ l ，并返回到第2 步1 3 4 遗传算法模式定理染色体用字符串表示时，将对生成优秀性质有贡献的字符串的集合模型化称为模式。模式中最初的常数和最后的常数的距离叫模式h 的定义长度，用8 ( h ) 表示。把模式中常数的个数称为阶，用o ( h 1 表示。在每代t 中，包含模式h 的个体数用m ( h ，t ) 表示，包含h 的个体平均适应度用，( ) 表示，所有个体的平均适应度用7 表示，在一般g a 的结构条件下，若遗传操作只选择转移到下一代的话，则下式成立：m ( h ，f + 1 ) = m ( h ，t ) f ( h ) 厂一点交叉引起模式h 被破坏的概率可用p c 争等表示，其中l 表示染色体字l l符串长，p ，表示交叉概率。同样，由突然变异引起的模式被破坏的概率可表示为p 。，o ( h ) ，其中p 。为突然变异的概率。中南大学硕士学位论文第一章绪论由此最终得出生成的具有模式h 的个体数：栅+ 1 ) 驯w ) 竽卜以等 1 - p , , , 0 ( 硎以上称为模式定理。实际上，模式定理只给出下世代包含模式h 的个体数的下限。1 3 5 遗传算法算子1 选择算子从群体中选择优胜个体，淘汰劣质个体的操作叫选择。选择算子有时又叫再生算子。选择即从当前群体中选择适应度值高的个体以生成配对的过程。这一过程又被称为取样。以往常用的方法有适应度比例法，期望值法，排序法，联赛法，精华保存法。取样过程有两个重点：群体的多样性和选择性压力。这两个因素是紧密相关的：增加选择性压力就会降低群体的多样性，反之亦然。换句话说，强的选择性压力导致遗传搜索过早收敛；弱的选择性压力使搜索毫无效率。因此，保持这两个因素的平衡是很重要的。本文在后面对选择算子的改进和选择也将围绕这个目的来进行。2 交叉算子杂交算予是母体空间到个体空间的一个随机映射。( 1 ) 单点杂交：等概率地随机确定一个基因位置作为杂交点，再把一对母体两个个体从杂交点分成前后两部分，以概率p c 交换两个个体的后半部分得到两个新个体，耿第个个体为杂交结果。称p c 为杂交概率。交叉：0 1 1 01o l l o o1 1 0 0 l01 1 0 0 1( 2 ) 多点杂交：如果等概率地随机确定两个基因位置作为杂交点，将一对母体的两个个体分成三个部分，交换中间部分，这样的杂交算子称为两点杂交算子。类似的可以定义多点杂交算子。( 3 ) 均匀杂交：独立地以概率p c 把母体的第一个个体的相应分量交换为第二个母体的相应分量，从而得到杂交结果。中南大学颁：l 二学位论文第一章绪论3 变异算子变异操作模拟自然界生物体进化中染色体上某位基因发生的突变现象，从而改变染色体的结构和物理性状。变异算子是个体空问到个体空间的随机映射，其作用方式为独立地以概率p m 改变个体每个分量取值。p m 称为变异概率。变异：0 1 1 0 0 1 _ 0 1 1 0 1 1基于生物学上的考虑，一般认为杂交是自然演化的主要机制，变异为自然演化的背景i ”i ，他们分别承担遗传和变异两种功能。因此在具体的应用过程中，杂交概率一般取值较大，在0 5 与o 9 之间。而变异概率取值较小，一般在0 0 0 1与0 1 2 _ 间。1 4 课题研究的技术路线针对本文研究的主要内容，制定以下的技术路线：( 1 )针对深海采矿的特点对采矿头的结构参数进行初步设计。( 2 )从运动学和动力学的角度出发，分析采矿头的运动方式，从而建立合理的能耗数学模型。( 3 )对标准遗传算法进行改进：用实值编码代替二进制编码，优化选择机制，采用算术交叉及自适应变异。同时，探讨各算子选择的最佳方法和各个参数之间的最佳配置方案。( 4 )编制出改进遗传算法的优化设计程序，并运用到建立的数学模型上，记录下结果及运行时间。然后，用实验数据验证其可行性。中南大学顶i j 学位论文第一章绪论1 5 本章小结( 1 ) 全面综述了螺旋切削采矿法及其采矿头的研究和发展情况，指出以往研究不适应深海钴结壳开采要求的方面，阐明了本文研究的目的和意义。( 2 ) 对优化算法进行了详细的文献调研和比较，认为遗传算法运算效率高，鲁棒性较强，在解决复杂问题的时候具有优势。指出了论文中优化设计采用遗传算法的原因。( 3 ) 对遗传算法的原理、遗传算子的分类及定义、模式定理、遗传迭代的基本方法做了简要而重点的介绍。为论文应用和改进遗传算法奠定了理论基础。中南火学顾：i ：学位论文第二章蝶旋滚筒运动学分析及基本参数砹计第二章螺旋滚筒运动学分析及基本参数设计2 1 采矿头结构组成及工作原理海底钴结壳采集机器工作时，螺旋滚筒除了绕自身轴线旋转之外，要随着采集机器一起以一定的牵引速度运动，并且由于海底地形因素的影响，螺旋滚筒采矿头还需要上下升降运动。螺旋滚筒的工作装置示意图如图2 一l 所示。图2 1 螺旋滚筒工作装置示意图钻睦宽月= 黑隐匡海硅地嘭工作装置由车体、滚筒大臂、进给油缸、螺旋滚筒采集头、微地形探测仪等部分组成。工作时，车体以速度v 行走；探头探测地形地貌，将数据传回，并以采集矿石的废石混入率为约束计算出切削深度；由进给油缸控制滚筒升降，调节切削深度；螺旋滚筒以一定角速度旋转，截割矿层。截割下的矿石由集矿系统收集，并通过软管送回海面工作平台。2 2 螺旋滚筒运动学分析2 2 1 不浮动时运动学分析1 滚筒轴心运动方程中南大学彤h 二学位论文第二章螺旋滚筒运动学分析及璀奉参数设计如前所述，螺旋滚筒工作时按地形上下浮动，但在局部地段滚筒的切削高度保持不变，因此可认为滚筒主要工作过程轴心是以进给速度v ，做平行于切削底平面的直线运动，其距地高度为y 。滚筒转一周需要的时间为：，_ 丝；在滚筒转一周的时间内滚筒轴心运动的距离是：v j ：堡。假设螺旋滚筒轴心初始位置为x 。，y 。) ，经过时间a t 后，滚筒运动到了新的位置，其轴心运动方程为： x = x 0 - ( 2 - 1 )i y 。y o2 滚筒截齿运动学方程此时螺旋滚筒截齿的运动主要由进给方向运动和滚筒旋转造成的运动合成，如图2 2 所示。- 、瓜、。蒿 飞一x图2 2 螺旋滚筒截齿运动方向示意图v = v 。为小车进给速度；c a r 为螺旋滚筒旋转速度，方向为滚筒圆周方向。因此，螺旋滚筒截齿合运动方向将随着滚筒旋转角度变化而变化。因此，可以得到螺旋滚筒截齿的运动为刚体绕平行移动的轴转动，其运动轨迹如图2 3 所示，为一条平面螺旋线。6! 堡型兰丝生竺型型垒兰一笙三至燮壁鎏堕堡塑竺坌堑丝苎查茎墼壁! ! ：图2 3 平面上螺旋滚筒截齿运动轨迹假定经过时问，。，则某截齿的x 轴坐标为在牵引力的作用下平行移动i 和绕螺旋滚筒轴线的旋转运动s 。的叠加，即z i = + s 。= z 。+ v t l + i i 仃，1 2 + r s i n ( o o + 甜，l + 去甜r ? ) ；( 2 2 )y 轴坐标为：1y l = y o + r c o s ( o o + f l + f ? ) 。( 2 3 )所以，任意时刻f ，截齿参数方程为：对于本课题研究的滚筒式切削头而言，可以认为它被匀速的牵引和匀速的旋转，即窘和害_ o ，而查d t _ v ( m s ) 且鲁= 礼 则截齿齿尖的合速度( 图2 - - 2 所示) 为：v i = 枷+ v ；( 2 5 )假设螺旋滚筒上某个截齿的初始位置为g 。，y 。) ，经过时间，后，截齿运动方程为：j 。2 + 。+ r8 i “( 0 0 + + ) ，i ，= y o + g c o s ( a o + 国，)它将生成如图2 - 3 所示的平面螺旋线的运动轨迹。( 2 6 )塑扩塑珊蝴争黔喏扣悄中南人学硕j 二学位论文第二章螺旋滚筒运动学分析及璀奉参数致计2 22 浮动时滚筒运动学分析钴结壳主要呈板状分布，大小相差悬殊，以厚度2 6 c m 者居多，且多数坡度比较缓，一般小于1 0 。，比较便于开采。但这些海底地形仍有凹凸不平，对采矿头切削深度造成很大影响，如图2 - 4 所示：图2 - 4 钴结壳矿床模拟示意图因此，在滚筒切削时，其宽度方向与前进方向都有各种厘米级甚至数十厘米级大小或更大的颗粒起伏，这意味着有的地方会切得较多，甚至切到基岩，有的地方切的较少，甚至没切到。实际上微地形起伏具体状况并不知道，必须通过测量来获得的。对于微地形的检测目前有机械式、电磁波式、超卢波式等多种方案。采矿车行走时，负责勘测地貌的前置探头对滚筒前方一段面积的地势数据进行收集，并将数据返回计算机，由程序保证废石混入率小于某一特定值，计算出滚筒上升和下降的幅度。如图2 5 ：磁嚎擎蕃l图2 - 5 垂直方向切削剖面示意图采矿车每隔一段时间t ，行走距离l - = 、r t ，就返回s = ( p 滚筒宽度) 面积的地势数据，然后确定滚筒切削高度，并由进给油缸控制滚筒上升下降。如图2 5中所示，a b 、c d 、e f 段为每次切削距离，b c 、d e 段为每次滚筒升降幅度。中南大学硕：i 二学位论文第二章螺旋滚筒运动学分析发批奉参数设l 1地形起伏变化越大，升降高度差异越大，反之越小。1 滚筒轴心运动方程滚筒浮动时的轴心运动方程为： y x = ：x 乩o + 川v q ，l式中v 为进给油缸提升滚筒的速度而得。( 2 - 7 )通过地形探头返回的数据由系统计算通过这种控制，以保持钴结壳最大采集率。其运动轨迹如图2 - 6滚筒轴心升降时轨i 迹图2 6 滚筒上下浮动时轴。运动轨迹2 滚筒截齿运动学方程滚筒浮动时的截齿运动方程为：x=xo+vt+rsinyyr c o s ( o 曼_ 黔ps，otl = o + 国f ) + v 。7其运动轨迹如图2 7 所示：滚筒升降时截齿轨迹图2 7 滚筒上下浮动时截齿运动轨迹中南人学预i j 学位论文第二章螺旋滚筒运动学分析及牲本参数设计很明显，滚筒升降运动产生的能耗变化主要受地形地貌的影响，受采矿头本身的结构参数影响不大，而本文主要探讨的是滚筒在不浮动时截割矿层所产生的能耗，故后面章节的基于最小能耗的采矿头参数设计主要针对后者来进行