（机械设计及理论专业论文）翻转装箱式生活垃圾压缩中转设备研究.pdf

摘要 生活垃圾的收集中转设备是垃圾综合处理系统中重要的组成部分，也是目前垃 圾处理系统中耗资最大的环节之一。本文分析了垃圾压缩对提高垃圾转运系统经济 效益的重要性，对压缩式垃圾中转设备进行了较为深入系统的研究，开发了具有自 主知识产权的翻转装箱式生活垃圾压缩中转设备。 研究了压缩式生活垃圾中转设备类型综合的方法和步骤，确定了装箱装置的设 计目标，并运用再生运动链法对装箱装置进行了详细的类型综合，在此基础上对所 有方案迸行优选，最终确定了压缩式生活垃圾中转站装箱装置的最优方案。 ： 建立了生活垃圾六秆翻转装置运动优化设计的数学模型，对目标函数、设计变 量、约束条件进行了详细的分析，并运用混沌遗传算法实现了基于m a t l a b 的优化设 计，较好的实现了装箱装置的设计要求，最终确定了相关构件的结构参数。 运用虚拟样机技术对生活垃圾六杆翻转装置进行了仿真。通过仿真后处理得到 翻转机构的运动分析曲线，在此基础上对其进行参数化建模，通过动力优化设计确 定了翻转液压缸的位置参数，实现了液压缸动力性能的优化，使液压缸最大举升力 从1 4 7 3 4 0 n 降为1 0 8 2 0 0 n ，降幅达3 6 2 ；使垃圾箱重心最大速度比。和最大加速 度口一分别由1 2 0 6 7 m m s 和1 7 6 5 m m s 2 降为7 3 7 2 m m s 和4 7 7 m m s 2 ，减少了 机架的冲击，提高了机构运行的稳定性。 针对翻转式地下压缩垃圾中转站的功能特点，对其各大功能模块进行了详细研 究，并根据主要模块的设计1 7 1 标对压缩装置和翻转装置进行了详细设计，并研究了 中转站的液压系统和电气控制系统。 本研究是山东省优秀中青年科学家科研奖励基金项目( 0 2 b s 0 0 2 ) ，所设计的翻 转装箱式生活垃圾压缩中转设备己申请国家发明专利( 专利申请号： 2 0 0 5 】0 0 4 5 】3 2 7 ) 。 关键词：生活垃圾，压缩装置，翻转装置，类型综合，混沌遗传算法，虚拟样 机技术，仿真 a b s t r a c t t h ec o l l e c t i o na n dt r a n s f e re q u i p m e n ti sav e r yi m p o r t a n tc o m p o n e n ta m o n g t h e w a s t ei n t e g r a t i v ed i s p o s a ls y s t e m ，a n di sa l s oo n eo f t h em o s te x p e n s i v ep a r t s t h i sp a p e r a n a l y z e dt h ei m p o r t a n c eo ft h ew a s t ec o m p a c t i o nf o re n h a n c i n ge c o n o m i cb e n e f i to ft h e w a s t et r a n s f e rs y s t e m at h o r o u 曲s t u d yo no v e r t u r n i n gb o x l o a d i n gm s w c o m p a c t i n g t r a n s m i t e q u i p m e n tw a st a k e n t h eo v e r t u r n i n gb o x - l o a d i n gm s wc o m p a c t i n g w a n s f e rs t a t i o nw ed e v e l o p e dh a si n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t y t h en e wm e t h o da n dp r o c e d u r eo fc o m p a c t i n gw a s t et r a n s f e re q u i p m e n tt y p e s y n t h e s i sw e r es t u d i e d ，a n dp r o v i d e dd e s i g no b j e c t i v eo ft h eb o x - l o a d i n ge q u i p m e n t a n a l y z i n gt h eb o x l o a d i n ge q u i p m e r i t 、v i t l ll i n k a g em e t h o d ，b a s eo nt h i sa n dc o n s i d e r i n g t h ed e s i g no b j e c t i v e s ，s e l e c t e df r o ma l lp r o j e c t s ，a n dd e c i d e dt h eb e t t e ro b j e c t i v eo f c o m p a c t i n gw a s t et r a n s f e re q u i p m e n t - | ：t h ek i n e m a t i c a lo p t i m i z i n gm a t h e m a t i c a lm o d e lo fs i x - - b a rb o x l o a d i n ge q u i p m e n t w a se s t a b l i s h e d + t h eo b j e c t i v e ，r e s t r i c t i v ef u n c t i o na n dd e s i g nv a r i a b l ew e r ea n a t o m i z e d u s i n gm a t l a bt h eo p t i m u md e s i g nw a sr e a l i z e db a s i n go nc g a ，t h ed e s i g n o b j e c t i v e s o fb o x - l o a d i n g e q u i p m e n t w e r ea r r i v e da t w e l l ，a n dt h e nd e c i d e dt h e c o n f i g u r a t i o np a r a m e t e r so fc o r r e l a t i v ec o m p o n e n t u s i n gv i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g yt h es i m u l a t i o nw a sc a r r i e do u t ，a n da c h i e v i n g t h ek i n e m a t i c a la n a l y z i n gc u r v et h r o u g hs i m u l a t i o np o s tp r o c e s s i n g b a s eo nt h i sa p a r a m e t e rm o d e lw a se s t a b l i s h e d ，d e c i d e dt h ep o s i t i o np a r a m e t e r so fo v e r t u r n i n g h y d r a u l i cc y l i n d e r ，a n da c h i e v e dt h ek i n e m a t i c a lo p t i m i z i n go fo v e r t u m i n gh y d r a u l i c c y l i n d e r , m a d ei t sm a x i m u mp u s h i n gp o w e rd r o pf r o m1 4 7 3 4 0 nt o1 0 8 2 0 0 n ，t h e d r o p p i n gr a n g er e a c h e d3 6 2 t h em a x i m u mv e l o c i t yo f t h ec go f d u s t b i nd r o p p e df r o m 1 2 0 ，6 7m m st o7 3 7 2 棚m s a n dt h em a x i m u ma c c e l e r a t i o n d r o p p e d f r o m 1 7 6 5 m m s 2t o4 7 7 m m s 2 r e d u c e dt h ei m p a c t i o nt om a c h i n e ，a n di m p r o v e dt h e s t a b i l i t yo f m a c h i n e c o n s i d e r i n gt h e f u n c t i o no fo v e r t u r n i n ga n du n d e r g r o u n dm s wc o m p a c t i n g t r a n s m i te q u i p m e n t ，s t u d i e de v e r ym o d u l e si nd e t a i l 。a c c o r d i n gt od e s i g no b j e c t i v e so f t h em a i nm o d u l e sp a r t i c u l a rd e s i g n so fc o m p a c t i n ga n do v e r t u r n i n ge q u i p m e n t sw e r e d o n e ，b e s i d e st h eh y d r a u l i cp r e s s u r es y s t e ma n de l e c t r i c c o n t r o l l i n gs y s t e mw e r es t u d i e d i nd e t a i l t h i sr e s e a r c hh a sb e e ns u p p o r t e db ye x c e l l e n ty o u t hs c i e n t i s tt t o n o rf u n do f s h a n d o n gp r o v i n c e t h i sd e s i g no ft h eo v e r t u m i n gb o x - l o a d i n gm s wc o m p a c t i n g t r a n s m i t e q u i p m e n t h a s a l r e a d ya p p l i e d f o rn a t i o n a li n v e n t i o n p a t e n t ( a p p l y i n g n o 2 0 0 5 1 0 0 4 5 1 3 2 7 、 k e yw o r d s ：m s w , c o m p a c t o r , t u m o v c r ，t y p es y n t h e s i s ，c g a ，v i r t u a lp r o t o t y p e t e c h n o l o g y ，s i m u l a t i o n i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个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，也不包含为获得山东理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名者锨 时间：沙幻6 年月f 乡同 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅：学校可以用不同方式在不同媒体上发 表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名、著终生时间：伽彩g 年月侈日 导师签名：时间：”z 年g 月侈日 口 ，1 厂峙气y 翟 第一章绪论 1 1 本研究的背景及意义 1 1 1 城市生活垃圾的现状 城市生活垃圾是指在城市居民日常生活中或为城市曰常生活提供服务的活动 中产生的固体废弃物，其主要成份包括厨余物、废纸、废塑料、废织物、废金属、 废玻璃陶瓷碎片等，城市生活垃圾主要产自居民家庭、商业、餐饮业、旅馆业、旅 游业、市政环卫业等。它的主要特点是成份复杂，有机物含量高。影响城市生活垃 圾成份的主要因素有居民生活水平、生活习惯、季节、气候等。 据不完全统计，我国城市生活垃圾年产量已经超过1 5 亿t ，而且还在不断增长， 年增长率约为5 8 。城市周围历年堆存的生活垃圾量己达6 0 亿t ，全国6 6 8 座城市中至少有2 0 0 座处于“垃圾围城”的尴尬境地”。城市污染防治已成为我国 现代化建设中一个越来越紧迫的问题，如果处理不好将危及我国2 1 世纪的可持续发 展。如何方便的收集、储存、清运生活垃圾已引起全国各级环保部门的高度重视， 在今后的相当一段时间内生活垃圾处理任务将十分繁重，城市生活垃圾中转设备的 研究也尤为迫切。 近年来，随着城市人口的增加，城市经济水平、居民消费水平的稳步提高，我 国城市垃圾产量持续增长，城市生活垃圾的构成和性状也处在不断变化的动态过程 中，尤以塑料、废纸、废包装品增长幅度最突出。这就使城市垃圾产生量出现重量 增长缓、体积增长快的现象。据北京市对垃圾密度调查表明，垃圾密度已由7 0 年 代的6 0 0 k g m 3 降到目前的3 1 0 k g m 3 ，而且还有逐渐降低的趋势。 1 1 2 研究压缩式垃圾中转设备的必要性 随着城市规模的不断扩大，当前普遍的情况是垃圾处理场距离市区较远，据统 计国内几个大城市的垃圾处理厂距离市区均在5 0 k m 以上“，随着油价的飙升，运 输费用占垃圾处理费用的比例较高，有的发达国家已达到垃圾处理费用的8 0 以 上。而且随着人们生活水平的进一步提高，松散垃圾的密度在逐渐下降，垃圾中的 易压缩成份所占比重较大，约占总重量的3 0 4 5 ，而占总体积的8 0 左右。 国外资料表明 1 x - 1 4 ：松散废纸、塑料等的压缩倍数为8 1 0 ，混合垃圾的压缩倍数 一般为2 3 。如果采用普通的垃圾运输方式，容易造成垃圾清运中的亏载，使垃圾 转运效率降低下。所以选择适当的垃圾清运模式，降低垃圾清运费用是降低整个城 市垃圾处理费用的关键。而这又主要取决于垃圾填埋场或处理场的远近程度，即垃 山东理工大学硕士学位论文 第一章绪论 转运效率降低下。所以选择适当的垃圾清运模式，降低垃圾清运费用是降低整个城 市垃圾处理费用的关键。而这又主要取决于垃圾填埋场或处理场的远近程度，即垃 圾的运输距离。我国建设部城市垃圾转运站设计规范明确规定：垃圾运输距离 超过2 0 k m 时，就应设置大、中型垃圾中转站。设置压缩式垃圾中转设备能够有效 降低单位垃圾的运费，而且由于城市道路的限制，垃圾转运车不可能大量增加，因 此建设压缩式垃圾中转设备是垃圾收集与转运的必然发展方向。 举例如下：设待处理垃圾为l o t ，用5 t 汽车装运，中转站至垃圾处理场的单程 运距为3 0 k m ，垃圾箱的体积为7 2m 3 ，松散垃圾密度为o 3 5 t m 3 ，则每个垃圾箱能 运2 1 5 2 t ，经压缩后垃圾的密度为o 6 3 t m ，相比每个垃圾箱可多装垃圾2 + 0 1 6 t ，提 高转运效率8 0 ，见表1 1 。 表1 1 普通垃圾中转站和压缩式垃圾中转站费用比较 燃料消耗 材料 驾驶员每l o t 垃 处理方运送次( 空载1 8 l l o o k m ) 支出 及汽车圾可比 虱数( 车)送去耗回程耗折算金 ( 元) 费用费用合 油( l )油( l ) 额( 元)( 元)计( 元) 普通中 转站 3 9 72 7 42 1 4 42 0 0 2 4 44 7 6 41 1 9 13 6 6 9 8 4 压缩式 2 21 6 51 1 8 81 1 6 3 5 82 6 46 62 0 8 7 5 8 中转站 对比 1 7 71 0 99 5 68 3 8 8 62 1 2 45 3 11 5 8 2 2 6 节省 从表中对比可知，每处理l o t 垃圾，油价按4 1 0 元升计算，在上述条件下， 可节省1 5 8 2 2 6 元。如果油价进一步提高，运输距离增加，处理费用还会增加。与 普通的垃圾转运站相比，压缩式垃圾中转站可以提高垃圾的转运效率，降低垃圾的 运输费用，解决垃圾清运中的亏载问题，消除垃圾清运中的二次污染，可以说垃圾 压缩收集势在必行。 目前，国内外城市生活垃圾集运设备正向着高效性与占空间小的方向发展。特 别是在我国经济并不发达，资金投入少，人均土地占有量少，而生活垃圾产生量较 大的条件下，如何发展适合我国国情的城市生活垃圾集运设备需要做更深入的研究 与探索。 1 2 压缩式垃圾中转设备研究现状与存在的问题 1 2 1 压缩式垃圾中转设备的类型 国外已经开发出多种形式的压缩式垃圾中转设备“”“1 ，技术比较成熟，但引进 2 山东理丁大学硕士学位论文 第一章绪论 效益。 国内普通垃圾中转设备价格较低，维护费用也较低，能满足一部分地区特别是 小城镇的需求，但对于垃圾填埋场距离市区较远的城市，普通垃圾中转设备转运效 率低，造成垃圾转运过程中的亏载，而且易造成二次污染，压缩式垃圾中转设备克 服了这些缺点。 目前我国的垃圾压缩转运设备主要有以下三种： 1 、垃圾压缩运输车 这种方式采用垃圾压缩车流动作业，生活垃圾倒入垃圾桶后，由压缩车逐个收 集压缩。这种方法压缩倍数比较大，解决了垃圾亏载和垃圾填埋的减容问题。其存 在问题是价格昂贵，装车点多，单次装载量少，增加集运费用，压缩污水泄漏严重， 易造成二次污染。适合在经济条件比较好的大中城市使用。 2 、中小型压缩式垃圾中转站 这种方式可以实现对整个居民区的垃圾集中处理，机械化程度高，没有垃圾暴 露、臭气熏天、污水横流的现象，噪音对环境的影响小，现场条件清洁美观，大大 提高了居民区的环境质量；集装箱自动装卸，改善了清运工人的工作条件。此外， 与传统方式相比，在收运覆盖面积相同的条件下，硬件建设投入的资金基本持平， 但可以降低垃圾的收集和运输费用。 现有压缩式垃圾中转站的主要缺点是压缩倍数较小，自动化程度较低，占地面 积较大，需要专门的土建设施，有待于进一步研究和探索。适合于中小型城市，具 有广阔的市场和发展空间，是国内外垃圾清运的发展方向，是本文研究的重点。 3 、大型垃圾压缩站 大型垃圾压缩站集中处理整个城市的垃圾，采用大型的压缩设备，日处理垃圾 可达千吨以上，运输采用承载量2 0 t 以上的集装箱运输车，大大降低了垃圾的运输 费用，解决了二次污染问题。但建设投入比较大，一般日处理能力1 5 0 0 t 的压缩站， 投资在1 亿元左右。这种方式必须配合普通垃圾中转站或压缩式垃圾中转站使用， 适合在经济发达的大城市使用。 综上所述，大城市的压缩式中转设备主要以大型压缩站为主，而适合中小型城 市使用的压缩式垃圾中转设备存在缺点较多，有些是在原有非压缩中转站的基础上 进行改造，这样初次投资减少了，但造成了装箱装置和压缩装置故障率的提高，增 加了后续维修费用，且现有的垃圾箱主要为地上式，需专门的上料机构。 我们在现有中小型压缩式中转站基础上进行创新设计，选择合适的垃圾集装箱 装箱方式、垃圾压缩模式及垃圾上料方式，为市场开发一种性能优良、压缩倍数大、 自动化程度和可靠性高的经济耐用的压缩式全封闭垃圾转运设备，提高垃圾转运效 率，消除二次污染。 自动化程度和可靠性高的经济耐用的压缩式全封闭垃圾转运设备，提高垃圾转运效 率，消除二次污染。 1 2 2 存在的问题及研究方向 压缩式垃圾收集设备是一种国际上普遍采用的比较先进的垃圾收运方式，各国 的生活垃圾收集系统与设备配备有所不同。我国现在大量采用的密闭式垃圾中转站 与国外的区别主要在挤压功能，即国外一般在收集与运输设备上都配备了压缩装 置，而我国过去由于垃圾构成中灰土、炉渣等成份比重较大，不适合配备这一装置。 现在随着人们生活水平的提高，我国城市生活垃圾成份中，轻物质大量增加，垃圾 密度逐渐降低，压缩装置的配备势在必行，而这又成为我国与发达国家在垃圾收运 设备上的主要差距。 压缩式垃圾中转站是在普通垃圾中转站的基础上增加了压缩装置。压缩的目的 是减容，即通过压缩装置将垃圾体积压缩变小。根据有关的统计资料，我国大中城 市的垃圾中可压缩成分已接近发达国家8 0 年代中期水平”1 。经测定，在通常的情况 下垃圾的容重为0 3 5 t m 3 左右，应用压缩技术后垃圾容重增加至o 5 t m 3 以上。由于 收集和转运生活垃圾的费用很大，有的发达国家目前已达到垃圾处理总费用的8 0 左右，而压缩式密闭垃圾中转站可以降低垃圾集运频率，提高垃圾的转运效率，减 少垃圾运输的费用。所以压缩式密闭垃圾中转站具有良好的经济效益和显著的社会 效益，是垃圾中转站的一个重要发展方向。 通过调研和实地考察发现目前压缩式垃圾中转设备主要存在如下缺点： 1 、目前垃圾中转设备压缩装置存在的主要问题是压缩比较小，压缩行程相对 于垃圾箱太短( 压缩行程约l m ，垃圾箱长约3 m ) ，靠近压头一侧垃圾压缩倍数大， 而另一侧压缩倍数小，造成垃圾得不到有效彻底压缩，导致压缩不均匀，影响装载 量，并且对垃圾箱的强度要求相对较高。 2 、举升装置大多采用的是液压式，这种方式决定了液压缸的长度较长( 约2 m ) ， 而且需要两个液压缸，制造成本比较高，且液压缸在使用一段时间后，出于磨损，容 易出现漏油、爬行和啸叫现象，举升臂均是方桶形，不利于对中转站的维修。 3 、装箱时举升装置将垃圾箱举起，汽车退入置于垃圾坑表面的汽车托板上进 行装箱。汽车存在掉入坑内的危险，且对托板的强度要求较高。 4 、自动化程度较低，占地面积较大，需要专门的土建设施，资本投入较高， 有待于进一步研究和探索。 5 、整个压缩装置结构不合理，可靠性比较低，维护不方便。 为克服以上缺点，为市场开发一种压缩倍数大、无汽车托板、装箱装置承载能 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 力大、运行更加快捷安全可靠的垃圾中转站具有重要的现实意义。 1 3 本文的研究内容 在总结前人工作的基础上，针对现有压缩式垃圾中转设备存在的问题，并结合 环卫部门的一些切实需要进行分析与研究，开发具有自主知识产权的新型压缩式垃 圾中转设备，应用于环卫工程中。 1 、确定压缩式生活垃圾中转设备类型综合的方法和步骤，提出装箱机构的设 计目标，并运用再生运动链法对装箱机构进行详细的类型综合，在此基础上对所有 方案进行优选，最终确定压缩式生活垃圾中转站装箱机构的最优方案。 2 、运用混沌遗传算法对压缩式垃圾中转站六杆翻转机构进行结构优化设计， 较好的实现装箱机构的设计要求，同时确定相关构件的结构参数，为运动及动力优 化设计和仿真打下理论基础。 3 、运用虚拟样机技术对生活垃圾六杆翻转装置进行仿真。通过仿真后处理得 到翻转机构的运动分析曲线，在此基础上对其进行参数化建模，通过动力优化设计 确定翻转液压缸的位置参数，实现液压缸动力性能的优化，减少液压缸的最大举升 力和举升力的变化幅度；降低垃圾箱重心最大速度。和最大加速度口，减少机 架的冲击，提高机构运行的稳定性，为样机的制作打下基础。 4 、针对翻转式地下压缩垃圾中转站的功能特点，对其各大功能模块进行了详 细研究，并根据主要模块的设计目标对压缩装置和翻转装置进行了详细设计，并研 究了中转站的液压系统和电气控制系统。 5 、对压缩式生活垃圾中转设备的研究进行总结与展望。 第二章压缩式垃圾中转站装箱装置类型综合及方案优选 2 1 压缩式垃圾中转站整体方案的确定 综合压缩式垃圾中转站整体方案主要有以下几种类型： 按压缩方式分：竖直式、水平式。竖直式压缩效率较高便于处理垃圾。但其大 多需要专用的运载车辆，成本较高。 按垃圾箱位置分：地上式、地下式。地上式需要专门的上料机构和相应的土建 设施，而地下式其投料口和地面相平不需专门的上料机构，且不影响市容观瞻。 按垃圾箱和压缩机分：一机多箱式、一机一箱式。一机多箱式适合垃圾装运量 大的大中城市。 还有全封闭旋转式垃圾压缩储存机等。 通过对上述几种类型的分析，考虑实际情况、各自的优缺点，确定本压缩式垃 圾中转站采用水平压缩方式、垃圾箱位置采用地下式和一机一箱式。 2 2 装箱装置的类型综合及方案优选 装箱装置将垃圾集装箱从地坑中举升到地面上的垃圾车车厢上，完成垃圾箱的 装卸。其设计目标是：在承受约7 t 重量的载荷下，能够实现3 m 的竖直移动将垃圾 集装箱装于垃圾车上，成本较低、操作简单、工作运行可靠、易维护、噪声小。 能够实现较大距离( 约3 m ) 往复直线运动，且适用于工程领域的机构形式主 要有液压机构、连杆机构、螺纹螺杆机构、齿轮齿条机构、链条式机构、吊升机构、 翻转式机构。 1 、液压机构举升方案 液压驱动的优点是结构简单紧凑、承载力大且运行稳定，由于所设计的举升装 置伸长量较大( 约3 o m ) ，所以用传统的单级液压缸势必要求液压缸较长( 约3 5 0 m ) ， 其加工成本昂贵，而且需要两个液压缸，难以实现其同步性，液压缸维修困难且费 用高，综合以上缺点该方案不予采用。 2 、连杆机构解决方案 如图2 1 中a 所示，一组连杆通过转动关节连接在一起，连杆中间的关节在导向导 轨里滑动，实现直线运动，组合连杆下面两端与地基铰接，液压缸推动连杆中间铰点 向上运动，取连杆长度为l m ，2 0 0 _ 0 ) 一z + z b d a z b d c( 口 1 3 0 。 在满足设计目标的前提下，把a b c d 作为基础四 杆机构研究，要求其输入角屈，与输出角饼。之间保持一 定的函数关系，建立如图3 1 所示的直角坐标系，点a 为坐标原点，点d 的坐标为( 1 ，o ) ，取机构在第一个 运动位置时点b 和点c 的坐标b 、b 。、e 、c 。为设 计变量，分别用五、x 2 、_ 、x 4 表示。 故其设计变量为： y f j 吣 ：b ，锬 a a x = i x 。，x ：，x 3 ，】图3 1 翻转机构设计计算简图 3 1 2 目标函数的建立 刚攀：引刚驴b j c o 岷s f l l j y - b ys 嘲i n ? o 卜，n 刚i 攀：剐讣i c x c o s a i 毛- 一c y s i n o ! u 旷- c o s i n s gu：_1 ( 如一) 2 + ( 一) 2 = ( 反一c ) 2 + ( b q ) 2 户2 ，3 ，n 一l = p j l x l x 3 + 0 2 x l x 4 + 只3 x 2 b + 0 4 工2 x 4 + 0 5 一+ 弓6 2 2 + p j 7 x 3 + 0 8 x 4 + 0 9 = 0 产2 ，3 ，n ( 3 1 ) 其中，0 1 = 1 一c o s ( a j 一球1 j ) p = s i n ( c r t i 一；b l 0 = s i n ( f l l 厂，) 9 0 4 = 1 一c o s ( p 1 厂r 2 l j ) 0 5 = c o s ( 崩，一c h ，) 一c o s f l l ， p 浠= s i n ( a l l p t 、+ s i n , b lj 只7 = c o sl 一1 e 8 = 一s i n 甜j 只92 1 一c o s t z l ) 上式共包含n - 1 个方程和4 个设计变量( 一、x ：、b 、x 4 分别表示设计变量段、 b y 、c 。、c y ) ，因此最多可再现5 个精确点。当n 5 时，只能用优化法进行最佳 逼近所要求的构件的各个位置，建立优化i ；1 标函数为 m i n f ( 工) ：艺k ( x ) 2 j = l 式中，x = x , , x 2 , x 3 , h r = b x ，b y ，c x ，q r ，( x ) 由式( 3 1 ) 确定 通过考虑设计目标和实际结构，保证托架翻转角氏。为1 3 0 。，托架翻转速度 较小，翻转比较平稳。给出输入角届，与输出角，之间的对应位置如表3 1 所示。 室! ：! 塑叁鱼垒。墨塑堕塑塑当鱼竺z ：! ：! j 1234567891 0 3 1 3 约束条件 考虑到结构的紧凑性和翻转装置的设计目标，在双摇杆四杆机构中以a d 为最 短杆且为机架。 ia bi ia dl ：堂奎堡三查兰! 篓圭兰堡篁圣，。，：!薹三薹董三堡鎏薹丝鎏墼至堑墼墼i ! 垫些些茎茎， ( _ 一0 ) 2 + ( x 2 0 ) 2 0 2 5 g l ( ) = ( x 。一0 ) 2 + ( z 2 一o ) 2 0 2 5 0 ib c1 ia di ( _ 一工3 ) 2 + ( x 2 一x 4 ) 2 0 2 5 9 2 ( 。z ) = ( z 1 一x 3 ) 2 + ( x 2 一z 4 ) 2 - 0 2 5 1 0 ic di 【a di ( x 3 一o 5 ) 2 + ( z 4 一o ) 2 0 2 5 g s ( x ) = ( x 3 一o 5 ) 2 + ( x 4 0 ) 2 _ 0 2 5 一 0 考虑到四杆机构a b c d 中未必有整转副，故其不必满足杆长之和定理。 y a y b a b 图3 2 六杆翻转机构的传动角示意图 图3 2 中，经过分析得出当连杆a b 和a d 共线时，a b c d 中，线段b d 最短 传动角z b c d 处于最小值，m m ：或者当连杆处于向上极限位置时，线段b d 最长， 传动角z b c d 为处于最小值矿 扩伽辔嚣喀若纠o o “x ) - y m i , , = 州辔乏专坳c 喀若叫d 。 x 1 一x u x 或y , n i n = 1 8 0 。删o o + 伽培嚣喀鲁，猢。 2 l 山东理工大学硕士学位论文第三章基于混沌遗传算法的六杆翻转机构优化设计 “驴。爿8 0 0 0 。+ 啦等+ 州喀鲁h 。 314 优化数学模型的建立 m i 。f ( x ) ：n - i 眩( z ) 】2 j = l 式中x = k ，x ：，码，z 。】7 = 色，b y ，c x ，q r ，( x ) 由式( 1 ) 确定 s t 毋( 五) 0( 产l ，2 ，5 ) 3 2 六杆翻转机构数学模型的优化求解及m a tla b 实现 3 2 1 选择优化方法 ( 3 - 2 ) ( 3 3 ) 机械优化设计问题大多数是属于约束非线性规划问题，一般有许多优化方法可 以用来求解，但是没有一种优化方法是普遍适用和有效的。遗传算法具有“反演性”， 能启发式地搜索到具有全局最优点的较小区域的特点。混沌优化方法具有“随机 性”、“遍历性”及“规律性”，在一定范围内能按其自身的“规律”不重复地遍历 所有状态。 本文选择混沌优化的遍历性和遗传优化的反演性所构成的一种复合遗传算法 混沌遗传算法( c g a ) ，其基本思想是将混沌状态引入到优化变量中，并把混 沌运动的遍历范围“放大”到优化变量的取值范围，然后把得到的混沌变量进行编 码，表示成“染色体”，将它们置于问题的“环境”中，根据“适者生存”的原则， 对其进行选择、复制、交叉、变异，然后对各个混沌变量附加一混沌小扰动，通过 一代代的不断进化，最后收敛到一个最适合环境的个体上，求得问题的最优解。 3 2 2 编码方案及交换方案的确定 在该模型中，考虑到各参数之间的相关性，采用交叉编码方案，因为根据遗传 算法的模式理论，定义长度短的模式被破坏的可能性较小，交叉编码方案下决定参 数基本结构的模式( 最高n 位) 的定义长度( n ) 比级联方式下的定义长度( n l + l 一1 ) 短，故生存率高。 对于交叉编码方案，一点交换方式往往造成子本与母本的相似性太大，使搜索 些查耋三奎兰堡圭兰堡尘圣 ：，。，：篁三茎量三鎏鎏堡堡塞鎏墼窑堡塑堑墼堡! 耋尘塑 效率低下，因此采用多点交换与局域交换方式。 1 、随机扰动的确定 令瓯= ( 1 一甜) 占+ 口d p ( 3 4 ) d 为当前最优值( x ：，x ：，x ；，x ：) 映射到 0 ，1 区间后形成的向量，称为最优混沌 向量；瓯为迭代丘次后的混沌向量，6 为加了随机扰动后( 一，x ：，屯，x 。) 对应的混沌 向量；其中0 口 o ，其他 对于极小化问题，则取： t p ：x ；= o ，若x 可行 b 佴， o ，其他 另种是采用乘法形式 v a l - f c x ) x p 倒 此时，对于极大化问题，则取： 仞倒= 1 ，若x 可行 l o 尹俐 1 ，其他 塑鎏彗坠茎塑圭耋堡篓兰 篓三塞，董三堡鎏垄丝塞i 塑奎堑塑堑垫塑堡丝堡坠 本文建立的目标函数是m i n f ( 磅：呈k ( x ) p ，求的是最小值，因此有必要将 ，= i 最小目标函数转化为最大目标函数后再做适应度函数，即 f 。( x ) = 一f ( x ) 这里采用一种h o m a i f a r ，q i 和l a i 方法，取加法形式的惩罚函数 v a l ( x ) = f ( x ) + p ( x ) 惩罚函数由两部分构成：可变惩罚因子违反约束惩罚。其表达式如下 f 0 若x 可行 p ( x ) = ? ， r , g ，( z ) 其他 其中是约束i 的可变惩罚系数。取t = o ，l ，r 2 = 0 3 ，r 3 = 0 9 ，4 宅7 ，= 8 1 。 3 2 ，3 混沌遗传算法的求解 构造上述方案后，按c g a 算法搜索待优化参数工的步骤如下： 1 、设定变量的取值范围，6 i 、群体规模m 、混沌算子中的吸引子及父代 间的交叉率p 。及子代的变异率p 。，考虑到基础四杆机构为双摇杆机构、实际结构 的尺寸及结构的紧凑去定变量的范围蜀= 4 6 ，一2 0 ，3 4 ，一2 8 ，x ，= 3 2 ，一2 4 ， 5 0 ，一3 2 。 群体规模l i l t ：群体规模的大小对遗传算法的发挥也是有影响的，群体规模太小， 可以提高算法的计算速度，但降低了群体的多样性，则优化的性能不会太好；而采 用较大的群体规模，则遗传操作所处理的模式较多，生成有意义的基因块逐渐进化 为最优值的机会就越高。群体大小的取值范围一般为m = 1 0 1 6 0 ，本文所要设计的 结构并非十分复杂，选取m = 1 0 0 。 交叉概率见：交叉概率p 。用于控制交叉操作的频率。较大的交叉概率可增强 算法开辟新的搜索区域的能力；若交叉概率取值太小，交叉产生新个体的速度较慢， 从而会使搜索停滞不前。般建议取值范围为0 4 0 9 9 ，本文中取交叉概率以= 0 9 3 。 变异概率p 。：变异概率p 。直接影响到算法的收敛性和最终解的性能。较大的 变异概率值，会使得算法不断的探索新的解空间，增加模式的多样性，但较大的变 异概率会影响算法的收敛性；若取值较小，则变异操作产生新个体的能力和抑制早 熟现象的能力会变差。一般建议取值范围为o 0 0 0 1 0 1 ，本文中取变异概率 几。o 0 2 。 2 、选用下式所示的l o g i s t i c 映射 p：“=“?；ib；qp：1(3-6、 山东理= i = 大学硕士学位论文 第三章基于混沌遗传算法的六杆翻转机构优化设计 式中，f 表示混沌变量的序号，i = 1 ，2 ，3 ，4 ；“表示种族序号，u = 0 ，1 ， 1 1 1 ；屈表示混沌变量，o 尼l ；鸬表示吸引子。 取肝o ，鸬= 4 给式( 3 - 6 ) 赋4 个微小差异的的初值，得n 4 个混沌变量辟( i = l 2 ，3 ，4 ) 。依次取f 1 ，2 ，m ，可得n m 个初始解群“1 。 3 、按下式将选定的4 个混沌变量“分别引入到式( 3 2 ) 的4 个优化变量中， 使其变换为混沌变量x ：，使混沌变量的变化范围分别变换到相应的优化变量的取值 范围 x ：= c 。+ 吐“ ( 3 7 ) 其中c ，吐为变换常数，i = 1 ，2 ，3 ，4 。 令x = ( _ ，石2 ，屯，x 4 ) x 。= ( ，x ：，五，t ) ( 3 - 8 ) ( 3 - 9 ) 4 、以式( 3 2 ) 作为适用度函数，计算式( 3 - 7 ) 产生的适应度值，并对其进行 降序排列，考虑到若f ( x 。) 对某一代群体相对变化范围不大，则算法收敛速度很慢， 因此有必要对f ( x ) 按下式作适当调整 六( x 。) = f ( x ) 一一a ( x ) + 二( 厂( 五) 。一f ( x ) 。) ( 3 1 0 ) 其中f i ( x ) 为调整后的适应度值，。z ( x ) 为调整前的适应度值，f ( x ) 。为调整前 的最小适应值，f ( x ) 。为调整前的最大适应值，m 为群体规模数，按式( 3 1 0 ) 调 整后适应度值非负，且适应度值的相对变化范围加大，有利于加快收敛速度。 5 、对各变量进行二进制编码，然后是上一代群体中适应度最大的1 0 不参加 复制、交叉、变异三种操作，直接带入下一代群体，另外的9 0 有三种操作产生， 对子代群体进行解码。 6 、计算新的的适应度值并按式( 3 1 0 ) 进行调整，然后按适应度值对群体进 行排序，求出适应度的平均值并将之与最大值按式( 3 1 1 ) 比较，如果式( 3 - 1 1 ) 成立，则认为寻优过程结束，输出最优结果作为最优值，否则执行步骤7 。 l 厂( x + ) 一厂。( z ) i 占 ( 3 1 1 ) 其中 厂( ) = 去( 彳。) ( 3 12 ) ，( x ) = m a x ( x 。) ，= 1 “2 一，m 取s ，= 1 0 4 ( 3 1 3 ) 7 、给前代群体中适应度较小的9 0 对应的优化变量按式( 3 4 ) 加一混沌扰动， 然后按式( 3 - 7 ) 映射为优化变量，进行迭代计算，随着迭代次数的增加，式( 3 - 5 ) 计算出的口值不断变化，迭代逐渐向最优解逼近，直到最后两次计算出的适应度平 均值之差小于预先给定的小正数s ：为止 五( x ) 一+ ，( x ) 乞( 3 - 1 4 ) 取占2 = 1 0 ，其中k 为迭代次数，k = 0 ，1 ，5 0 0 0 。 对某一代群体中适应度较小的9 0 的基因加混沌扰动，相当于对这些基因进行 启发式的变异操作，可减少遗传算法的进化代数，及早找到最优解：而且这种变异 有可能产生比前述1 0 较高适应度对应的基因更好的基因，有效的避免单纯的g a 局部收敛与早熟的问题；另外，因为g a 已经产生了1 0 的适应度较高的基因，只 对其余9 0 的基因加混沌扰动，缩小了混沌算法的搜索空间，能加快寻优速度。 8 、按适应度值对群体进行重新排序，求出适应度的平均值并将其与最大值按 式( 3 一1 1 ) 比较，如果式( 3 - 1 1 ) 成立，则认为寻优过程结束，输出最优值，否则 转向步骤5 。 3 2 4 优化算法遗传工具箱实现 遗传算法中每一个“染色体”代表着问题的一个解”“，经过编码，染色体变成 一串数字，构成一个1 1 1 矩阵，因而g a 中选择、交叉、变异等实际上是对这些 矩阵进行运算。遗传算法工具箱使用m a t l a b 矩阵函数为实现广泛领域的遗传算法建 立了一套通用工具，本文是在遗传工具箱基础上通过加入混沌优化算法实现机构优 化设计的。 3 25 基于m a t i a b 优化程序的实现 优化程序采用m a t l a b 语言编写，通过调用遗传工具箱中，种群初始化、交叉 算子、变异算予等模块，和对种群评估、选择算子、终止规则等模块进行混沌算法 改进，实现了最优解的输出。 图3 3 和图3 4 所示是简单遗传算法寻优性能跟踪图和混沌遗传算法寻优性能 跟踪图。 图3 3 简单遗传算法寻优性能跟踪图图3 4 混沌遗传算法寻优性能跟踪图 生垒堡垒耋堡兰堡篁圣，! 。，。，。： 薹三耋董耋堡鎏垄篓塞鎏墼查! 墼墼l 堡垫堡垡堡兰 图3 3 所示简单遗传算法寻优过程在目标函数值收敛区间为 2 ，8 ，图3 4 所 示遗传算法经与混沌算法综合后，其寻优过程波动较小，收敛区间为 一1 ，1 ，较 好的收敛于目标函数。 分别用二次规划法( s q p ) 、简单遗传算法( g a ) 及混沌遗传算法( c g a ) 进 行了优化计算，计算结果如表3 2 所示。 表3 2 优化结果比较图 优化算法 置屯屯工4目标函数 s q p 4 0 5 80 9 4 52 6 7 1 4 4 81 6 5 6 9 8 g a 3 _ 3 1 81 3 9 43 0 6 3 _ 4 1 1 34 4 7 2 0 c g a 2 6 8 4一1 8 32 5 4 31 8z 5 o 8 2 l