（机械设计及理论专业论文）掘进机装载机构的运动学分析及优化设计.pdf

辽宁工程技术大学硕士学位论文 摘要 本文通过对掘进机耙爪机构的运动学分析，利用p r o e n g i n e e r 机械动态仿真与工程分析技术对耙爪机构进行三维建模和运动学模 拟、仿真，对在不同转速下的耙爪机构的轨迹、速度以及加速度进行 分析、比较。采用遗传算法和m a t l a b 计算机编程对耙爪机构进行以相 邻点间的载荷变化量最小为优化目标函数的优化设计，从运动学和动 力学角度出发建立优化数学模型，对优化结果与原设计参数进行比较 分析，从而把握耙爪装载机构的运动特性和载荷变化特性，并通过类 似实验对优化结果进行论证。本文在掘进机耙爪装载机构的运动学分 析及优化设计方面进行的研究为评价耙爪装载机构的设计方案、改善 装载机构的性能提供一种有效的手段和研究方法，为掘进机耙爪装载 机构的设计和研究提供理论依据。 关键词：掘进机；装载机构；耙爪；模拟；优化设计；载荷：遗传 本论文课题选自：疆宝王握燕苤态堂班塞基金疆旦：掘进机动力学行为研究 辽宁工程技术大学硕士学位论文 a b s t r a c t bt h i ss t l l d y t h r o u g ht h ea n a l y s eo ft h er l - h e a d e r sk i n e m a t i c s ，u s i n gp r o - e n g i n e e rm e c h a n i s md y n a m i ce m u l a t i o na n de n g i n e , e ra n a l y s et e c h n o l o g y ，e s t a b l i s h t h et h r e ed i m e n s i o nm o d e lo f p a w lm a c h i n ea tt h es a m et i m es i m u l a t ea n de m u l a t i o n k i n e m a t i c sc h a r a c t e r i s t i co fi t a tt h ed i f f e r e n tr o t a t es p e e d ，a m d y z i n ga n dc o m p a r i n g t h ec u r v eo ft r a c ls p e e da n da c c e l e r a t e u s i n gg e n e t i ca l g o r i t h ma n dm 棚，a b c o m p u t e rp r o g r a m m eo p t i m i z ed e s i g nt ot h ep a w lm a c h i n ea c c o r d i n gt ob e t w e e n b o r d e ru p o np o i n tt h el o a d sd i v e r s i f i c a t i o nq u a n t i t yq u as i g nf u n c t i o nf r o mt h e d e g r e eo ft h ek i n e m a t i c sa n dd y n a m i ce s t a b l i s ho p t i m i z em a t h e m a t i c sm o d e l ，a n d c o m p a r i n ga n da n a l y s i n gb e t w e e nt h eo r i g i n a ld e s i g np a r a m e t e ra n do p t i m i z e r e s o l u t e c o n s e q u e n t l yh i l dt h ep a w li o a d i n gm a c h i n e sk i n e m a t i c sc h a r a c t e r i s t i ca n d 1 0 a dd i v e r s i f i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c m o r e o v e r t h r o u g hs i m i l a r i t ye x p e r i m e n t r e a s o n i n gt h er e s u l to fo p t i m i z ed e s i g n ，1 1 l i sp a p e r ，t h es t u d y i n ga tt h ek i n e m a t i c s a n a l y s e i n go ft h er o a d - h e a d e r s p a w ll o a d i n gm a c h i n ea n do p t i m i z ed e s i g n i s e s t i m a t e i n gt h ep a w ll o a d i n gm a c h i n sd e s i g np r o j e c ta n do f f e ro n ea v a i l a b i l i t y m e a s u r ea n ds t u d ym e t h o df o ri m p r o v i n gl o a d i n gm a c h i n e sc a p a c i t y ，o f f e ro n e t h e o r y t h e r e u n d e rf o rs t u d y i n ga n dd e s i g n i n gt h ep a w l l o a d i n gm a c h i n e o f r o a d - h e a d e r k e yw o r d s ：r o a d h e a d e r ；p a w l ；s i m u l a t e ；o p t i m i z ed e s i g n ；i o a d ；g e n e t i c a l g o r i t h m 辽宁工程技术大学硕士学位论文 创新点声明 本人声明该学位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。 本论文对掘进机耙爪式装载机构以p r o - e n g i n e e r 机械动态仿真与工程 分析技术进行运动分析与仿真，对其运动特性进行深入研究。并选取 以相邻时间间隔耙爪载荷变化量最小为目标函数对耙爪机构进行优 化设计，在优化过程中，既考虑了机构的运动学特性，也将机构工作 过程中的动态载荷引入优化目标函数，优化方法和优化结果能够作为 掘进机耙爪装载机构设计和生产的理论指导。 尽我所知，目前国内外文献未见报道。 加印7 ； 辽宁工程技术大学学位论文 i 前言 1 1 掘进机的发展现状 悬臂式巷道掘进机具有掘进速度快，巷道成形好，便于与其它设备配 套组成综掘作业线以及成本较为合理等优点，因而应用广泛。近年来掘进 机不仅广泛用于煤及软岩巷道的掘进，在中等硬度的半煤岩巷道掘进中也 获得良好的技术经济效果。我国掘进机研制工作起步并不晚，“七五”期间 也曾取得过较好的成果，可是在发展过程中，现有产品与国际相比尚有很大 差距1 ，”。 ( 1 ) 从产品生产和使用方面看，国产的s 1 0 0 比日本晚6 年，联合研制的 e b e l 6 0 比英国l h l 3 0 晚1 3 年。 ( 2 ) 性能、规格相近的机型与国外相比晚8 2 0 年。 ( 3 ) 从制造总数上看，截止目前我国制造的掘进机近“5 0 台，仅相当英 国、德国、奥地利上世纪8 0 年代的生产水平。 ( 4 ) 从机掘巷道比重看，与前苏联、英国、德国平均相差近2 0 年。 ( 5 ) 从装机综合技术水平看，我国仅相当于国外2 0 世纪8 0 年代初期水 平。 1 2 关于掘进机装载机构在国内外的研究现状 掘进机装载机构是掘进机主要工作部件，其作用是将截割头破碎下来的 煤岩收集、耙装、运输到中间刮板输送机受料口，完成掘进机的掘进过程。 装载机构的生产能力和工作效率直接影响掘进机的工作性能。因此，对掘 进机装载机构的工作特性进行研究，是改进和完善掘进机装载机构工作性 能的理论基础，是研究高效、可靠的掘进机的前提。 国内外学者在上世纪五十年代就开始了耙爪式装载机构的研究，我国在 六十年代中期拥有了第一台带有耙爪装载机构的掘进机。随着合金材料及 电液驱动系统的不断发展，这种装载机构在更广阔的领域得到应用，这对 掘进机装载机构的设计水平提出了更高的要求。 调查表明，目前对耙爪装载机构的设计普遍采用经验类比法和图解试凑 辽宁工程技术大学学位论文 2 法。在传统设计中，一般采用1 2 点逐点计算的方法来确定耙爪轨迹曲线和 装载功率，其工作量大，计算精度低。这种设计方法是通过设计者反复选 取结构设计参数，经过大量的计算和校核最终得到设计方案。这种设计方 式根本不能对复杂的装载过程及机构的工作特性进行定量研究，近十几年 来，国内外学者在耙爪机构的结构优化设计及工作特性研究方面做了较多 的研究工作，其方法是从装载机构的几何构造出发，利用复杂的解析、模 拟和仿真等方法进行分析，从可靠性、可操作性等方面对机构的结构进行 优化分析，对装载过程的工作特性和机构的行为研究分析较少。本论文将 从运动学、动力学角度出发，以计算机为辅助工具，对耙爪机构进行运动 学分析、模拟和仿真，并采用遗传算法以耙爪机构相邻时间间隔载荷变化 量最小为目标函数对机构进行结构参数和运动参数的优化设计，并分析优 化前后的运动特性和载荷变化特性，从根本上分析耙爪机构的工作特性， 为评价设计方案、改进设计方法、改善装载性能等提供一种有效的研究手 段和方法”1 。 1 3 基于遗传算法的掘进机装载机构优化设计的意义 研究表明，耙爪装载机构的动作行为和工作特性与耙尖的运动轨迹和运 动特性有关。传统的经验类比设计和图样试凑设计是通过估算、经验类比 和简单试验来确定初始设计方案，设计者根据初始设计方案的设计参数对 工作特性的各项指标进行计算，校核设计结果是否满足生产要求，并凭借 设计者的经验或主观判断对有关参数进行修改。不断重复以上工作，直到 满足要求为止，这种设计方法在实现过程中要消耗设计者大量的脑力和体 力，并且无法保证结果的真正最优化。因此，采用先进的优化方法对耙爪 机构的结构参数和运动参数进行全局优化是提高设计效率和设计精度的理 想途径。基于生物进化原理的遗传算法被广泛应用到机械优化设计中，在 很大方面改善了机械优化方法的局限性。为了能够实现耙爪机构设计中的 全局优化，作者将遗传算法优化方法应用到耙爪机构优化设计中，并全面 考虑了耙爪机构结构参数和运动参数以及动力学参数对目标函数的影响并 建立约束条件，利用计算机辅助编程进行大量计算得到最优结果。同时对 辽宁工程技术大学学位论文 优化前后的模型利用p r o e n g i n e e r 机械动态仿真与工程分析技术进行运动 学模拟仿真和分析对比，使优化结果更加理性化和实用化。耙爪机构作为 掘进机装载部分的执行机构，由于在整介工作过程中载荷复杂多变，仅从 运动学的角度分析其特性不能满足设计要求，为了能够全面把握耙爪机构 的行为特性，在优化设计时将工作过程的载荷变化较为突出的插入段和耙 集段的动态载荷引入目标函数，通过建立载荷的数学模型，从运动学、动 力学等角度对机构的优化过程进行研究，对于耙爪装载机构的设计和生产 具有一定的普遍适用性和较强的实用价值。 1 4 本论文的主要研究内容 本论文的主要研究内容：利用p r o e n g i n e e r 机械动态仿真与工程分析技 术对耙爪机构进行运动学模拟、仿真，并对在不同转速下的耙爪机构的速 度、加速度的变化进行模拟和分析。采用遗传算法和m a t l a b 计算机编程 对耙爪机构进行以相邻点间隔的载荷变化量最小为优化目标的优化设计， 并分析比较优化前后的运动学特性和载荷变化特性，并通过类似实验对优 化结果进行了论证。 具体研究工作如下： ( 1 ) 耙爪机构运动学模型的建立 由于双耙爪装载是单耙爪装载机构的特殊形式，在此仅以单耙爪装载机 构作为典型实例进行数学建模，在建模过程中，以曲柄转角作为变量，建 立耙尖的轨迹、速度和加速度方程。 ( 2 ) 基于p r o e n g i n e e r 机械动态仿真与工程分析技术的耙爪机构运动学 模拟 p r o e n g i n e e r 机械动态仿真与工程分析技术是一个先进的三维建模和运 动学及动力学分析技术，它可以使设计结果现实化，是一种基于虚拟现实 的设计理论，并可以通过分析结果来评价设计的优劣性。在此，利用 p r o e n g i n e e r 机械动态仿真与工程分析技术对优化前后的耙爪机构进行运动 学模拟，仿真，从运动学和动力学的角度来分析耙爪机构的工作特性。 ( 3 ) 基于遗传算法的耙爪机构参数优化设计 辽宁工程技术大学学位论文 4 根据所建立的将动态载荷引入目标函数的数学模型，利用遗传算法对耙 爪机构结构参数和运动参数进行优化设计，最后得出优化结果。并对优化 前后的机构特性进行分析比较。 ( 4 ) 耙爪机构行为特性分析 通过以上分析，对耙爪机构在工作工程中行为特性进行分析总结，并通 过借鉴类似实验结论进行论证。 辽宁工程技术大学学位论文 2 掘进机装载机构的类型及设计要求 2 1 掘进机装载机构的形式及特点 作为掘进机的重要工作机构，装载机构的性能直接影响掘进机的整机生 产效率、工作性能和使用寿命等。目前，在国内外的掘进机装载机构中， 主要有耙爪式装载机构和星轮式装载机构( 如图2 - 1 所示) 两大类。其中耙爪 式装载机构又分为单耙爪式( 如图2 2 所示) 和双耙爪式( 如图2 3 所示) 两种。 由于耙爪式装载机构具有能够很容易的通过改变耙爪的结构参数来调整耙 尖的运动轨迹，以适应不同的装载需求，也可以通过增设副爪来增加掘进 机装载机构的装载宽度，达到了较高的装载效率，尤其在软岩工作面的掘 进机上得到了很广泛的应用。而星轮机构较耙爪机构在使用寿命和工作的 平稳性上有一定的优势，但是由于其工作过程简单，在结构和性能要求上 比较单一，对工作状况的适应性较差，无法根据生产需要进行结构调整， 在同样的工矿下，其装载效率较耙爪机构低“”。 图2 - 1 星轮装载机构简图 辽宁工程技术大学学位论文 魄 1 ja ；i 1 感、尹 k 意 渭 艺a 油 划 l 一 ， 7 厂 图2 - 2 单耙爪装载机构简图 6 图2 3 双耙爪装载机构简图 装载机构是掘进机上的一个重要工作装置，其设计的优劣直接影响到 掘进机的性能、工作效率和可靠性，迸而影响到后续综合开采的效率和增 加了煤炭开采的商业价值。 辽宁工程技术大学学位论文 2 2 掘进机装载机构的设计要求 7 掘进机装载机构的基本设计要求为：在满足生产率的前提下，实现低功 耗、高强度、高效率以及结构简单、运动平稳、使用寿命长等有利于提高 掘进机整机性能的指标。 ， i 图2 - 4 耙爪机构结构示意图 耙爪机构属于曲柄摇杆机构，以单耙爪装载机构为例，其组成如图2 - 4 所示，其中q 为摇杆中心；d 2 为曲柄转盘中心；0 l 肘摇杆；刎为连杆；0 2 m 为曲柄转盘半径；n p 为耙爪。 根据耙爪机构装载作业的需要和掘进机整机生产效率和性能的要求， 对耙爪机构的基本尺寸有如下要求，即各尺寸应满足如下关系： ( 1 ) 曲柄转盘直径 d ( o 7 0 8 ) d 。 式中d 一一一可装载物科的最大块度a ( 2 ) 曲柄转盘中心到转载机中心线的距离 a 0 2 1 5 ) d ( 3 ) 曲柄中心到铲板前端线的距离 4 ( 1 3 2 o ) d 辽宁工程技术大学学位论文 8 ( 4 ) 曲柄中心到摇杆销轴中心线的距离 彳22 0 8 5 d ( 5 ) 耙爪长度 咯叫一罢+ a 式中一耙爪可伸出铲板前沿的长度。 ( 6 ) 耙爪高度 耻咕扣 ( 7 ) 转载运输机宽度 b i 1 5 d ( 8 ) 铲板宽度 b ( 2 3 ) d + 垦 在耙爪机构装载过程中，耙尖的运动轨迹对于装载效率、工作载荷的影 响尤为重要，按照装载性能的需求，耙爪机构的四个运动阶段即插入、耙 集、运输和返回( 图2 - 4 中所示：1 、2 、3 、4 ) 应分别满足如下关系盯： 根据设计经验，以右耙爪为例，耙爪机构的四个工作阶段与曲柄转盘转 角的关系如表2 1 所示 表2 - 1 耙爪机构不同工作阶端与曲柄转盘转角对应关系 ( 1 ) 插入段该段应该具有足够的插入深度，以保证耙运物料的最大块 度和较高的装载效率，同时要求在插入时耙爪的内侧不超出铲板的侧缘， 以免造成“卡死”现象。所以有 h = ( o 8 5 o 9 ) d 式中日一一耙爪的插入深度。 ( 2 ) 耙集段该段轨迹应尽量与铲板前沿平行，以保证耙集到足够多的 物料，其耙尖可部分伸出铲板前沿，以松动掘进巷道中位于铲板前方的物 料，减少铲板的插入阻力。但是如果伸入太长，会导致“长死”现象的发 生。所以有 a 3 0 0 m m 辽宁工程技术大学学位论文 9 ( 3 ) 运输段该段应该能够将被耙集到的物料能够被运到中间输送机的 受料1 3 ，并且在运输过程中应该尽量避免由于铲板的倾角而引起的物料沿 耙爪下滑现象，以保证运输效率。 ( 4 ) 返回段为了提高装载效率，应该尽量缩短空行程时间，在动力许 可的范围内耙爪应具有较高的返回速度即“急回”特性，但是返回速度太 大又会造成机构较大的惯性力，影响机构零部件的使用寿命，因此有 s 4 m s e e 式中一一耙爪在返回阶段的最大速度。 ( 5 1 为了减小由耙爪机构自身复杂运动产生的惯性载荷，防止由于转速太 高产生的甩料现象，从而提高耙满系数和耙装能力，在插入、耙集和运输 阶段的速度不应该太高，通常控制在0 9 1 5 m s e e 的范围内 ( 6 ) 为了减小铲板的插入阻力，提高插入深度，左右耙爪耙尖的运动轨迹 之间的“死区”和重合面积应尽可能小 辽宁工程技术大学学位论文 1 0 3 掘进机耙爪机构运动学建模及其模拟分析 为了更好的研究掘进机装载机构的装载特性，必须对装载机构的运动 特性的进行合理分析，掌握耙爪机构在运动过程中的轨迹、速度和加速度 变化规律。因此，通过建立耙爪机构运动学模型，对耙爪机构的运动特性 进行模拟、仿真，以及分析其在不同转速下的耙爪机构的速度、加速度变 化情况，是分析耙爪机构性能的基础。 3 1 耙爪机构装载过程的分析 图3 - 1 某型掘进机耙爪机构耙尖运动轨迹示意图 耙爪机构属于四杆机构中的曲柄摇杆机构，掘进机通过曲柄将动力传 递给装载机构，使装载机构的执行机构在铲板体上形成一定的运动轨迹和 装载面积，如图3 1 所示。通过对装载机构的研究，描述了装载机构在装载 过程的不同阶段的速度、加速度以及相关运动参数的变化特性，以及载荷 在装载过程中的变化特性，为实现低能耗、高效率的设计目的提供理论依 据”。 对于耙爪机构的装载过程可分为四个阶段： 辽宁工程技术大学学位论文 ( 1 ) 插入段：作为装载机构的执行机构一一耙爪插入堆积在铲板和巷道 中的煤或岩石等矿物中，为耙取矿物做准备工作。为了达到较大的耙取效 率，在插入段，对于装载机构的要求是必须有足够的插入深度和便于插入 的轨迹方向和插入角度，以保证耙运物料的最大块度和较高的装载效率。 ( 2 ) 耙集段：在耙爪插入矿物中以后，需要将被包括在耙爪范围内的矿 物拨向铲板体的运输区，为了保证被耙集的物料更多，该段轨迹应该尽量 与铲板前沿平行。同时应保证在该段有足够大的传动角，以实现较大的耙 取力。 ( 3 ) 运输段；该段主要负责把已经耙集到的物料平稳运输到中间输送机 槽中。在运输阶段，要求有较大的传动角以克服物料带来的载荷，同时速 度和加速度的变化要尽可能小，使耙爪工作平稳，动载荷小，冲击小。 ( 4 ) 回程段：该段是耙爪装载过程的空行程，在回程阶段，耙爪不应该 接触物料，并且有较高的运动速度，有明显的急回特性，从而提高装载生 产率。 3 2 耙爪机构的运动学模型 为了研究掘进机耙爪机构的装载过程和装载性能，对其进行运动学分析 和模拟是研究其行为的基础，通过对耙爪机构的执行机构( 耙爪) 的轨迹、速 度、加速度以及相关变化规律的分析，结合装载过程的实际要求，选取恰 当的结构参数和运动参数，并为后续的载荷分析垫定基础。 在现代设计理念中，所有问题的解决最终都归结于数学问题的解决，因 此，建立正确合理的数学模型是解决问题的基础。对于掘进机装载机构来 说，为了能够进步改进耙爪机构的设计方法，提高其设计水平，进一步 开展对耙爪机构的动态分析、研究和优化设计，本文通过建立耙爪耙尖的 轨迹方程和运动方程，并通过计算机进行编程和模拟，对耙爪机构的运动 轨迹和运动参数进行分析研究。 辽宁工程技术大学学位论文 r x 。 】， | ? 一 氇、 | 删 f 0 2 ，堑一 口 厂 7 x d ：# 匀 之? 刊彳 图3 - 2 内交点右耙爪结构简图 图中，o 一一曲柄半径； 一一摇杆长度； ，2 一一连杆长度； 吩一一耙爪长度： d 一一曲柄中心到摇杆中心的距离； a 一一曲柄在任一时刻的转角； 珂一一曲柄转速； 厂一一耙爪与连杆的夹角； 矿一一四杆机构机架的安装角； 3 2 1 轨迹方程的建立曲 如图3 - 2 所示，经分析， 在a o l 0 2 b 中 p ：j 、 r 0 2 + d 2 - 2 r o d s i n ( o - a t ) ”( 3 - 1 ) 辽宁工程技术大学学位论文 在a o i a b 中 在a o ：b c 中 由于 口= f t t c c a ) s = a r c t a n 竺等辈( 3 。3 ) 4 c o s 矿+ s i l l 口 艿= p y 一( 3 4 ) 所以，在坐标系x 0 2 y 中， p 点的坐标为： x ( i ) = r oc o s l 2 + r 3s i n ( 0 一，一7 ) ( 3 5 ) l ，( f ) = r os i n + ，3e o s ( 8 一y p ) ( 3 6 ) 将公式( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) 代入( 5 ) ( 6 ) 中得： z。，：。口+弓蓟n二oc!二箜三i一 卜一一纛嚣嵩 硝力=吃s；n口+吩c。仁一 3 2 2 运动方程的建立 由于耙爪耙尖的速度和加速度是耙爪机构在运动过程中变化量最大的 点，所以对耙尖的速度和加速度进行分析是分析耙爪机构运动学的基础。 根据耙尖的轨迹方程公式( 3 - 5 ) 和公式( 3 - 6 ) ，可求得耙爪耙尖在任意时 刻f 沿x 、y 两个坐标方向的速度o ) 和巧o ) 分别为n 0 1 辽宁工程技术大学学位论文 1 4 以( f ) = x ( i + 1 ) 瓦- x 一( i - 0 ( 3 - 9 ) 哪) = 坠铲( 3 1 0 ) 式中出一一相邻两位置点的时间间隔； x ( i + 1 ) 、y ( f + 1 ) 一一耙尖在i + 1 时刻的坐标： x ( i 一1 ) 、r ( i 1 ) 一一耙尖在i - 1 时刻的坐标。 所以耙尖的合成速度为 矿( 泸厄忑而( 3 1 1 ) 在该时刻，耙尖合成速度的方向角为 啪= 甜伽器( 3 1 2 ) 同理，利用以上公式，可以求得耙爪耙尖在任意时刻i 沿x 、l ，两个 坐标方向的加速度口x o ) 和a y ( ；) 分别为 呶( f ) = x ( i + 1 ) + x 矿( i - 1 ) - 一2 x ( i ) ( 3 - 1 3 ) 口r ( d ：y ( i + 1 ) + y _ ( i r - 1 ) - 2 y 一( i ) ( 3 - 1 4 ) a t 。 所以耙尖的合成加速度为 口( d = 佤丽i 而( 3 - 1 5 ) 在该时刻，耙尖合成加速度的方向角为： 吒( f ) ：删t a n 婴( 3 1 6 ) 3 3 耙爪机构运动学模拟 为了能够直观的描述耙爪机构的运动轨迹、装载效果以及运动参数的变 化情况，以便于分析耙装过程中耙爪动态载荷的变化情况以及工作的稳定 性，并评价耙爪机构的设计质量和工作性能，在此选用p r o - - e n g g i n e e r 系列 软件进行耙爪机构的运动学动态仿真与工程分析n “1 ”。 ( 1 ) p r o - - e n g g i n e e r 运动分析方案的创建步骤 a ) 创建零部件( p a r t s ) 。p r o - - e n g g i n e e r 具有强大的三维建模功能，可按 照设计要求和技术条件创建零部件的三维模型。 辽宁工程技术大学学位论文 b ) 创建运动副( j o i n t ) 。p r o - - e n g g i n e e r 可以创建多种约束零部件的运动 副和连接形式，比如剐性连接、销钉连接、球连接等等。 c ) 定义运动驱动( m o t i o nd r i v e r ) 。运动驱动是用来驱动机构的运动，其 中包括无运动驱动( n o n e ) ；o 运动函数( m o t i o nf u n c t i o n ) ；o 恒定运动 ( c o n s t a n td r i i v e r ) ； 简谐运动驱动( h a r m o n i cd r i v e r ) ； 关节运动驱动 ( a r t i c u l a t i o nd r i v e r ) 。 创建模型 检查模型 定义体、建立连接、定义连接轴以及 根据设计需要选择是否建立凸轮一随动件 连接、槽轮随动见连接或齿轮副连接等 在装配模型中，拖动可移动 零件，观察模型的装配连接情况 添加模型要素 ：= 爿在机构中添加伺服电动机 为分析做准备 = ：判定义初始位置，建立测量方式 分析模型e = = 刊 执行运动学分析 获取分析结果 回放结果，检验零件闻的干涉，观察 测量结果，获得轨迹曲线和运动包络线等 图3 3 机构运动学分析的工作流程 ( 2 ) p r o m e c h a n i c a 运动学分析流程 p r o m e c h a n i c am o t i o n 模块用于机械设计进行机构运动学分析，其具体 工作流程如图3 - 3 所示。 ( 3 ) 耙爪机构运动学模拟 为了方便建模，本文以某型掘进机耙爪装载机构基本参数为基础，利用 p r o - - e n g g i n e e r 进行运动学模拟分析，并对在不同转速下的耙爪机构耙尖的 速度、加速度进行模拟，比较其随转速变化的情况。 辽宁工程技术大学学位论文 耙爪基本参数为：曲柄圆盘直径o 2 m ；摇杆长度o 2 5 m ；连杆长度o 4 5 m ； 曲柄圆盘中心到摇杆回转中心的距离o 3 5 m ；耙爪长度o 4 5 m ；曲柄转速 3 8 r p m a ) 耙爪机构的三维模型。 以某型耙爪装载机构为例，其结构参数如图3 - 4 所示，通过利用p r o e n g g i n e e r 软件中的零件模块和组件模块以及m a c h a n i s m 运动学分析工具对 耙爪机构进行三维建模，如图3 5 所示。 聃 图3 - 4 某型耙爪装载机构装配简图 辽宁工程技术大学学位论文 图3 5 耙爪机构的三维模型 b ) 耙爪机构耙尖的轨迹曲线模拟。 以左耙爪为例，耙爪耙尖胛轨迹图3 - 6 所示。 图3 - 6 耙爪耙尖轨迹曲线模拟结果 c ) 耙爪机构耙尖的速度模拟。 取上述耙爪机构耙尖为研究对象，曲柄转盘转速为行= 3 8 r p m ，其速 】7 辽宁工程技术大学学位论文 度随时间变化情况如图3 7 所示。 图3 - 7 耙爪机构转速为3 8 r p m 时耙尖速度随时间变化曲线 d ) 耙爪机构耙尖加速度模拟。 取上述耙爪机构耙尖为研究对象，曲柄转盘转速为玎= 3 8 r p m ，其加 速度随时间变化情况如图3 8 所示。 1 8 图3 - 8 耙爪机构转速为3 8 r p m 时耙尖加速度随时间变化曲线 e ) 当曲柄转盘转速为3 5 r p m 时耙爪机构耙尖速度随时间变化曲线。如 辽宁工程技术大学学位论文 图3 9 所示。 图3 - 9 耙爪机构转速为3 5 r p m 时耙尖速度随时间变化曲线 d 当曲柄转盘转速为3 5 r p m 时耙爪机构耙尖加速度随时间变化曲线a 如图3 1 0 所示。 1 9 图3 1 0 耙爪机构转速为3 5 r p m 时耙尖加速度随时间变化曲线 g ) 当曲柄转盘转速为4 5 r p m 时耙爪机构耙尖速度随时问变化曲线。如 辽宁工程技术大学学位论文 图3 1 1 所示。 2 0 图3 - 1 1 耙爪机构转速为4 5 r p m 时耙尖速度随时间变化曲线 h ) 当曲柄转盘转速为4 5 r p m 时耙爪机构耙尖加速度随时间变化曲线。 如图3 1 2 所示。 图3 1 2 耙爪机构转速为4 5 r p m 时耙尖加速度随时间变化曲线 辽宁工程技术大学学位论文 2 l ( 4 ) 模拟结果分析 a ) 根据其轨迹模拟结果可知，该耙爪机构运动轨迹的“死区”较大，耙 装面积较小，装载效率较低，耙爪机构的设计不合理，需要优化改进。 b ) 根据曲柄转盘转速为甩= 3 8 r p m 时的速度模拟结果可知，该耙爪机构的 耙尖最大运动速度为3 8 m s e c ，小于轨迹设计的极限速度4 m s e e ，虽然满 足设计要求，但已经达到极限范围，从机构零部件的使用寿命和机构的稳 定性来讲不是理想的设计方案。 c ) 当曲柄转盘转速为玎= 4 5 r p m 时，耙爪耙尖的最大速度达到4 4 m s e e ， 已经超出机构要求的最大速度范围，不能满足机构设计的要求。 d ) 根据曲柄转盘转速为栉= 3 8 r p m 时的速度模拟结果可知，在整个耙爪机 构的运动过程中，耙尖运动的加速度值及其变化太大，最大加速度达到 3 8 m s e e 2 ，有突然加速和突然减速的过程，使机构的惯性力增大，大大降低 了机构的使用寿命。 e ) 耙爪耙尖的最大速度发生在装载过程的回程段，达到空载“急回”的 设计目的，有效的缩短了循环时间，提高了装载效率，符合设计要求。 e ) 随着曲柄转盘转速的变化，耙爪耙尖的速度加速度也相应发生变化， 并且转速越高，其速度加速度值极其变化就越大。因此在设计耙爪机构时 应该充分考虑其结构参数和运动参数对耙爪机构工作特性的影响。 辽宁工程技术大学学位论文 4 耙爪机构的优化设计 由于耙爪机构结构和运动的复杂性、工作环境条件的局限性以及工作载 荷的多变性，采用经验法和图解法进行设计，难以保证耙爪机构的设计质 量和整机的工作性能。因此，改进设计方法、完善设计手段是确保所设计 耙爪机构具有最佳性能的关键。所以，为了更全面的分析研究耙爪机构的 运动特性、载荷特性和装载特性，必须对耙爪机构进行优化设计，同时分 析其工作过程中的动态载荷特性，为完善耙爪机构的设计奠定理论基础。 4 1 耙爪机构的优化设计方法 机械领域的优化设计工作在生产和设计中占有很重要的地位，其优化类 型多为函数优化，但对于具体问题其函数往往各不相同，有离散函数也有 连续函数，有凸函数也有凹函数，有低维函数也有高维函数，有单峰值函 数也有多峰值函数等等。正因为机械优化存在着这么多的可能性，所以在 长期的优化设计实践中，人们通常采用具体问题具体分析的方法，根据不 同的设计问题采用不同的传统优化算法。虽然这些算法有了一定的发展， 但是算法本身的局限性导致了他们普遍存在着稳定性不强、通用性较差、 效率较低的特点。另外，很多传统优化算法采用基于梯度进行搜索的方法， 很容易陷入局部最优。这些缺陷大大限制了传统优化算法在当前工程实际 中的应用。因此，寻求一种更为通用、稳定、高效的优化算法成为当前的 一项重要任务【| 3 , 1 4 l 。 基于生物进化论的思想、生物自然选择与遗传机理的随机搜索的遗传算 法，是一种全局性的优化算法，非常适合机械领域的复杂性和非线性优化 问题的处理。它仿效生物的进化与遗传，根据“生存竞争”和“优胜劣汰” 的原则，使所要解决的问题从初始解逐渐逼近最优解，他的全局搜索性能 要好于局部搜索算法。遗传算法被引入机械领域，使得机械优化算法得到 了空前的完善。 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m s ，g a ) 是把问题的解表示成“染色体”群。 在执行遗传算法之前，准备一组由若干初始解组成的初始种群，即给出一 辽宁工程技术大学学位论文 2 3 群“染色体”，即假设解或原始解，然后把这些假设解或原始解置于问题“环 境”中，并按适者生存的原则，从中选择出较适应“环境”的“染色体” 进行复制，在通过交叉、变异过程产生出更适应“环境”的新一代“染色 体”群。遗传算法在搜索进化过程中仅根据问题的目标函数合理定义一个 适应度函数，用以评价个体对问题“环境”适应能力的强弱，即解的优劣， 并作为以后遗传操作的依据，这样，一代一代的进化最后就会收敛到最适 应“环境”的一个“染色体”上，也就是问题的最优解 1 6 , 1 7 1 。 掘进机耙爪装载机构的优化问题是一个多变量非线性优化问题，采用 传统的优化方法很难获得较好的优化效果，而遗传算法正是解决这类问题 的有效手段。它具有以下特点： ( 1 )遗传算法具有自组织、自适应和自学习性。在编码方案、适应度 函数及遗传算子确定后，该方法将按照“适者生存，不适者被淘汰”的自 然进化法则自动搜索最优解； ( 2 ) 算法的本质上具有并行性。它可以在整个解集的多个区域内搜索， 而不是单点搜索； ( 3 )遗传算法是对问题参数的编码组进行计算，而不是针对参数本身； ( 4 )遗传算法求解时不需要求导或其它辅助知识，而只按照目标函数 的适应度值进行搜索； ( 5 )遗传算法使用的选择、交叉和变异这三个算子都按照概率转换原 则进行，而不是确定的规则； ( 6 )算法通用性好，它提供了一种求解复杂系统优化问题的通用框架， 能不依赖于问题的具体领域，对问题具有很强的鲁棒性。 遗传优化算法的一般方法与步骤： ( 1 ) 确定群体规模疗( 整数) ，使用随机方法或其他方法产生1 个可能解 x 。( i ) ( 1 k 功组成初始群体。 ( 2 ) 对于群体中的每个个体x ，( t ) ( 变量k 称作“代”数，初始时k = 1 ) ，计算 其适应度厂。( _ j ) 】。 ( 3 ) 对于每一个体彳。( 七) ，计算其生存概率p ，( 七) 。 其计算公式为： 、 辽宁工程技术大学学位论文 纵咖；盟( 4 1 ) 厂g 。) 然后设计一个随机选择器，以定的随机方法产生配种个体x ，( | i ) 。 ( 4 ) 产生下一代解群，选取两个配种个体x 。( | j ) 和：( 七) ，并依据一定的组 合规则( 如交叉、变异、逆转等) 结合成两个新一代的个体五( _ i + 1 ) 和x ：( 七+ 1 ) ， 直至新一代刀个个体形成完毕。 ( 5 ) 重复( 2 ) 一( 4 ) 步，直到满足程序终结条件( 如时间上的限制或质量达到 满意的范围等) 。 利用遗传优化方法解决机械优化设计问题的步骤流程如图4 - 1 所示。 - j 目标函数k - -一编程卜- + 实数 优 优化 结果 际学 设计变量卜_ 化 冒3 = 争 的分 问模方 - ”9 砜i 7 析与 题型法 评判 - q 约束条件b叫计算卜 图4 1 优化设计流程框图 4 2 耙爪机构的优化设计 以某型耙爪装载机构为例，进行结构参数和运动参数的优化设计，并 对优化结果进行模拟和分析【18 1 。 4 2 1 设计变量的选取 通过对耙爪机构工作过程及运动轨迹的分析可知，对工作性能的起决定 作用的主要参数有：( 以某型掘进机装载机构左耙爪为例，如图4 2 所示) 曲 柄转盘的转速阼；耙爪长度r 3 ；曲柄转盘中心到摇杆固定销轴中心的距离d ； 连杆长度r ，；摇杆长度 ：连杆与耙爪的倾角y ；曲柄转盘半径r o ；机架的 安装角口。为此，选取以上参数作为耙爪机构优化设计变量，记为： z = ( 以，r 3 ，d ，r 2 ，1 ，r o ，旯，口) 1 = ( 而，z 2 ，x 3 ，x 4 ，x 5 ，x 6 ，x 7 ，x 。) 1 ( 4 - 2 ) 辽宁工程技术大学学位论文 图4 2 某型掘进机装载机构右耙爪结构及轨迹示意图 4 2 2 优化目标函数的建立 2 5 实践表明，掘进机耙爪机构在装载过程中的冲击振动比较大，这不仅降 低了机构工作的平稳性，也严重影响了机构零部件的可靠性和使用寿命， 从而影响到整机的工作性能的稳定性，同时，由于这种冲击振动所产生的 噪音也污染了工作环境，不利于工人的身心健康。 经研究分析，产生这些冲击振动和噪音的根源是耙爪机构在工作过程中 动载荷，这些动载荷主要是由于耙爪机构在工作过程中的加速度及载荷变 化而产生。而其载荷变化在耙爪插入阶段和耙集阶段最为突出，该阶段是 耙爪的主要受载阶段，也是产生动载荷的主要根源；在运输阶段耙爪的工 作状态相对平稳，载荷变化量较小；在回程阶段其速度加速度变化较大但 是属于空载运行阶段，机构只承受自身运动的惯性力，其运动特点满足耙 爪机构“急回”运动特性，有效提高生产效率。因此，如果能够控制耙爪 机构在工作过程中的插入段和耙集段各相邻点的载荷变化量最小，将明显 辽宁工程技术大学学位论文 2 6 降低耙爪机构的动载荷，提高机构的稳定性，从而减轻机构在工作工程中 的振动和噪音，因此，以耙爪机构在插入段和耙集段的载荷变化量最小为 优化设计的目标函数，其中取相邻点时间间隔为。秒( ”为曲柄转盘转速) ， 对机构进行合理优化，最后获得合理的设计方案。 4 2 2 1 耙爪机构的载荷分析 耙爪机构的所装载的对象为散体物料，由于耙爪机构运动过程复杂， 工作载荷不稳定，所装载物料的物理特性随块度、堆积密度、堆积重度、 湿度和堆积角等的不同有很大差别，因此，研究耙爪机构的动态载荷特性 是优化设计过程中建立优化目标函数的重要部分。 l 、散体物料的基本物理性能i 侈】 在耙爪机构装载物料的过程中，影响机构装载性能和载荷变化的主要 物料指标有：被装载物料的块度、原岩实体密度、松散系数、内摩擦角、 外摩擦系数以及物料的动安息角和静安息角等。 ( 1 ) 物料的块度。根据对掘进机破煤原理和破煤过程的分析，掘进机 破落物料的块度对数与其含量分布服从正态分布，分布曲线如图4 3 所示， 所以，根据分析其块度类别基本上以中小块为主，块度分布范围为l o 一 2 0 0 m m 。 式 l 删2 0 缸 g 萎1 5 魁 悠 匣l o 恃 一一 o5 67 物料块度的对数h a d 图4 3 掘进机破落物料块度分布曲线 辽宁工程技术大学学位论文 2 7 ( 2 ) 原岩实体密度与松散系数。根据实验数据，部分矿岩的原岩实体重 量、松散系数和平均松散重量如表4 - 1 所示： 表4 1 矿岩的原岩实体重量、松散系数和平均松散重量对照表 ( 3 ) 内摩擦角和外摩擦角。 散体物料的内摩擦系数是散体在破坏瞬间沿剪切面的极限剪应力f 与 正应力盯之比，即； f = t a n r p = 二( 4 - 3 ) 盯 式中一一妒为散体物料内摩擦角。 根据散体物料的物理特性，在忽略黏聚力的情况下，物料内摩擦角与 松散系数的关系如表4 2 所示。外摩擦角与散体物料的块度、湿度和摩擦偶 等有关，通常情况下块度越小，外摩擦角越大，湿度越大，摩擦角越大。 表4 - 2 内摩擦角与松散系数的关系 ( 3 ) 静安息角和动安息角。散体物料的安息角的大小与物料颗粒之间的 内摩擦力有关，表4 - 3 中列出了部分散体物料的静安息角和动安息角参数。 表4 3 部分散体物料的静安息角和动安息角参数 此外，物料的安息角还与散体块度有密切关系，其自然安息角随块度的 增大而减小，其关系如图4 4 所示。所以，在研究散体物料载荷时，应该综 合考虑散体物料的各种物理性能指标。 辽宁工程技术大学学位论文 磊 f = 导 盏 囊导 皿 器 寓 教体块度尺寸m m 图4 4 散体物料安息角随块度的变化曲线 2 、耙爪机构在插入段和耙集段载荷的确定 2 0 1 耙爪机构的工作载荷属于动态载荷，在耙爪机构运动的各个不同阶段其 载荷变化非常大，因此要想准确的把握耙爪机构的载荷变化情况，必须对 耙爪机构的各个运动阶段进行运动学和动力学分析，建立载荷的数学模型， 分析载荷的变化和分布情况，为设计高效、可靠的耙爪机构奠定理论基础。 现就对耙爪机构在插入阶段和耙集作阶段进行载荷分析。 ( i ) 插入段 | i 么 八 i 图4 5 耙爪耙尖运动倾角与轨迹夹角 辽宁工程技术大学学位论文 2 9 插入段是耙爪工作的开始阶段，其工作过程可视耙尖为切削刃切入料堆 的过程。其插入阻力是耙爪耙尖插入料堆时，料堆对耙爪的反作用力。由 于在该段耙爪在x 轴方向的位移很小，所以在耙尖设计合理的情况下，即 在插入阶段耙尖的运动倾角和轨迹夹角之和接近9 0 。，如图4 5 所示，在该 方向上的阻力可以忽略。插入阻力是由耙尖的切削阻力、耙爪前端外表面 与物料的摩擦阻力等，插入阻力与物料的种类、料堆高度、耙爪插入料堆 的深度、耙爪结构形状等有关。精确计算上述阻力比较困难，在一般情况 下，按以下经验公式来确定总插入阻力。 只= 9 8 ( 1 + k 1 ) 叠k 3 k 4 b h ”5，n ( 4 - 4 ) 式中墨一一物料松散程度系数，如表4 1 ； k ，一一物料性质系数，如表4 - 4 ； k ，一一料堆高度系数，如表4 5 ； 置。一一耙爪耙尖结构形状系数，一般在1 1 1 8 之间，对