礦用裝載機連桿機構研究與優化設計

余志鵬

（臥龍電氣南陽防爆集團股份有限公司，河南 南陽473000）

0 引 言

礦用裝載機是煤炭裝載和卸料的主要工作裝置，其性能決定煤炭裝卸效率。裝載機的連桿機構在工作裝置整機結構和銷軸位置等條件的限制下，各連桿長度成為系統設計中最為重要的可變參數。本文采用鯨魚算法和混沌優化技術優化最優的銷軸位置，實現合理的連桿長度，從而得到最大的傳力比，提高裝載機工作裝置的工作效率和經濟性能。

1 混沌鯨魚算法的優化方法

1.1 混沌鯨魚算法的基本思想

鯨魚算法（WOA）具有結構簡單、尋優能力強等特點，在求解精度等性能上優于粒子群算法[1]。但是WOA 算法的收斂性與初始群體有很大關系，迭代后期易出現早熟陷入局部最優。具有隨機性、全局搜索性的混沌優化技術在基于鯨魚算法求解搜索過程中，按混沌自身優化的特點進行不重疊的求解搜索。同時，由于混沌優化技術具有遍歷性的特點，使得鯨魚算法計算可充分利用混沌變量在其求解過程中加入微小的擾動變量，并且可自適應調整擾動幅度的大小，使鯨魚優化算法不易陷入局部極值，從而更易求得全局最優解[2]。

1.2 基于混沌優化技術的鯨魚算法

1.2.1 初始群體的生成

鯨魚算法全局最優解的計算效率與初始種群的質量有重要的關系。通常鯨魚優化算法初始種群采用隨機生成方式，這樣很難判斷有效種群的數量及種群分布情況。本文采用混沌優化技術的Logistic 映射產生具有混沌序列的初始種群，從而提高鯨魚算法初始種群的有效值和多樣性。Logistic 映射方法的表達式為：

1.2.3 鯨魚算法

鯨魚算法包括包圍捕食和氣泡襲擊尋找食物[1]等2個階段。

1）包圍捕食階段。

鯨魚在捕食前對食物的位置并不清楚，它們依靠群體間的信息傳遞得到目標食物的具體位置，其中距食物最近的鯨魚個體被認為是鯨魚算法局部的一個最優解[3-4]。明確目標食物的位置后，其他鯨魚個體會以局部最優位置為中心進行收縮包圍，其過程可用數學模型表示，如式（4）所示：

2 裝載機工作裝置連桿機構的數學模型

以礦用裝載機挖掘裝置各鉸接點建立挖掘裝置模型圖，如圖1所示。建立裝載機工作裝置連桿機構的數學模型目的主要是對連桿和搖桿長度進行優化[5]。具體為圖1中HK、HJ、KM、JM的長度，長度的求取可以轉化為圖中的X、Y坐標的參數值。裝載機動臂采用液壓缸進行控制，鏟斗利用轉斗油缸控制，從而完成物料的裝載或卸料。如果鏟斗與動臂的位置角固定，裝載機挖掘裝置的運動就變成唯一的[6]。

2.1 裝載機挖掘裝置優化變量

裝載機挖掘裝置的標定工況為其裝置位于地面裝載機鏟掘時的作業工況。當裝載機挖掘裝置的各銷軸位置值固定后，各連桿機構的長度及它們之間的位置角也成為唯一的值，因此裝載機挖掘裝置的變量優化為各銷軸位置變量，即J、H、M、K點的坐標值，具體如式（7）所示：

式中：[DV1,DV2]為J點坐標值；[DV3,DV4]為H點坐標值；[DV5,DV6]為M點坐標值；[DV7,DV8]為K點坐標值。

2.2 優化連桿機構的目標函數

當裝載機挖掘裝置工作時，挖斗液壓缸輸出的力一定時，對挖斗作用的挖掘力主要取決于挖斗連桿機構的傳力比，傳動比越大，則輸出的挖掘力越大。因此，將裝載機挖掘裝置的連桿機構的傳力比是本文優化問題的目標函數：

圖1 礦用裝載機挖掘裝置模型

其中：r1、r2、r3分別為挖斗液壓缸GH到J點、HK到J點、DF到M點的力臂；lHG為HG的長度；lHK為HK的長度。

2.3 目標函數的約束條件

連桿機構傳動角滿足一定要求，裝載機挖掘裝置就可以正常工作。優化連桿機構的目的是：使挖斗得到最大的傳動比，輸出最大的挖掘力。連桿機構的各部位外部負載相差不大，系統的傳動角不受限制；相差較大時且傳動角也變化不大，這樣連桿機構的傳動比將會下降很多。因此，需要對裝載機挖掘裝置的傳動角加以限制，本文將連桿機構的傳動角限制為大于30°，挖斗液壓缸的傳動角限制為大于10°。挖斗液壓缸的傳動角可由式（9）計算得到，其約束條件如式（10）所示。連桿機構傳動角的傳動角可由式（11）計算得到，其約束條件如式（12）所示：

3 優化結果分析

為驗證上述方法的可行性，文中選取某礦用裝載機為被控對象，采用鯨魚優化算法對礦用裝載機傳動比進行優化。優化前后挖斗挖掘力曲線圖如圖2 所示，傳動比優化曲線如圖3 所示。連桿機構優化前后各變量參數如表1 所示。

圖2 優化前后挖斗挖掘力曲線圖

圖3 傳動比優化曲線

表1 連桿機構優化參數對比 mm

從表1 優化結果可知，裝載機挖掘裝置的挖斗連桿機構的鉸接點值發生變化，但是變化不是很大。因此，合理設計各連桿機構鉸點布置參數，可以獲得更好的挖掘性能。由圖2 可知，經鯨魚優化算法前挖斗的輸出最大挖掘力是8065 N，優化后輸出最大挖掘力是8500 N，挖掘力最大值提高了5.4%。由圖3 可知，優化后的傳動比得到提高，挖掘裝置性能得到一定的改善。

4 結 論

本文對裝載機連桿機構進行動力學分析，建立基于連桿機構傳力比的礦用裝載機模型，然后采用鯨魚混沌優化算法優化裝載機模型目標函數。通過驗證，優化連桿機構后提高了19%的傳動比，減輕了機構的質量，對裝載機挖掘裝置設計具有一定的參考價值。