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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
2、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
3、机构的传力比和举升机构的传力比两大类。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
4、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
5、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。. 1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
6、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197
7、6-1996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，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
8、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0.4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
9、SDK-4型，斗容在0.17m3和0.28m3左右，机重不到两吨；日本研制的310,3 15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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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
17、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。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
18、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
19、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
20、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计的水平上。参考设计是在借鉴别
21、的生产厂家的设计的基础上，对产品的外观和一些小的装置进行改进，它没有从根本的设计理论上解决问题，从而也没有达到优化的目的。 资料表明我国的工程机械行业比较落后，绝大部分仍然处于国外同行业八十年代的水平。随着我国国民经济的快速持续增长，全国上下正在大兴土木地进行硬件建设：修筑公路、高楼、桥梁、铁路、铺设天然气和石油管道等。而进行这些硬件建设又离不开现代化的工程机械装备。对于工程机械的需求量比1998年增长了几乎60%。然而在国内的工程机械市场上国际知名的品牌例如：大宇、卡特、日立、小松、沃尔沃等都是外国产品，在市场上的占有额达到60%。其中韩国大宇的市场占有额就达到23%。因此国内的工程机械行业
22、为了提高其竞争力，就必须进行技术革新，不断优化和提高其产品的性能，推出新的产品。 装载机是一种很常见的、典型的进行铲装作业的工程机械。进行铲装工作的时候主要是由装载机的工作装置来完成的，它的工作性能如何、设计质量的好坏将直接影响到装载机的工作效率和经济性。从提高工作效率和经济性指标这个角度出发，采用现代的设计理论、现代的设计方法和手段对装载机的工作装置进行优化设计具有现实而深远的意义。本文研究的目的就是建立一个装载机工作装置的优化设计数学模型，这个数学模型以工作装置处于地面铲掘工况时候的举升机构的最大传力比为目标函数，以举升机构各个杆件的长度及其相关角度为设计变量，以工作装置的工作性能和结构设
23、计要求为约束函数。然后运用复合形法，粒子群算法两种最优化理论，对这个数学模型进行优化。使得优化设计软件能够为工作装置的设计提供一套动力性能优良、符合设计要求并且结构合理的设计方案，并且通过优化结果对比两种优化方案处理该问题时的优劣。本文的研究可以提高装载机工作装置的设计水平，缩短工作装置的设计周期，并且为将现代优化理论成功地应用于机械设计领域做出有益的探讨。1.7 研究设想长时间以来对机构优化设计多是采用传统的方法，而本次设计会大胆地运用型优化算法对装载机工作装置举升机构进行优化设计，本次设计将建立一个装载机工作装置的优化设计数学模型，这个数学模型以工作装置处于地面铲掘工况时候的举升机构的最大
24、传力比为目标函数，以举升机构各个杆件的长度及其相关角度为设计变量，以工作装置的工作性能和结构设计要求为约束函数。然后运用复合形法，粒子群算法两种最优化理论，对这个数学模型进行优化。使得优化设计软件能够为工作装置的设计提供一套动力性能优良、符合设计要求并且结构合理的设计方案，并且通过优化结果对比两种优化方案处理该问题时的优劣。最后得出结论：优化的对象传力比会大大提高。而且本次设计还会通过型算法和传统型算法的比较来说明型算法的优越性。第2章 总体方案设计装载机的工作装置由动臂举升机构、连杆机构和铲斗组成。本设计的对象为工作装置举升机构，是目前最为普及的一种结构形式。本章的主要任务是通过对装载机工作
25、装置分析，建立起工作装置各构件之间的函数关系，进而建立优化设计的目标函数，约束条件，确定使用编程语言及优化算法。2.1 工作装置的设计要求2.1.1 动力性当铲斗从地面铲掘位置向上运动时，举升机构应有的举升力传动比，以保证有较大的掘起力。动力性好，可充分发挥整机及其液压系统的工作能力，在液压系统压力不变的前提下，可获得较大的掘起力。在设计阶段，可以通过调整各杆长度之间的比例，而获得较好的动力性。工作装置的动力性与卸料性之间有很大的联系，它们之间存在着矛盾。片面的追求某种性能的提高，会导致其它性能的降低，所以应对整个举升机构进行整体的的考虑。2.1.2 卸载性当动臂处于任何作业位置时，在转斗缸作
26、用下，应保证铲斗的卸料角均大于45，即所谓的“任意位置45角卸料的可能性”。但从实际情况出发，认为动臂在运输位置以下时，铲斗的卸料角小于45，也还是可以使用的。因为装载机很少在低位卸料。在工作装置设计中，卸料性主要受限于转斗缸的最小结构长度及其行程。如果设计合理，就不会发生干涉现象。2.1.3 平移性当转斗缸闭锁后，动臂在举升过程中，工作装置应能使铲斗在收斗位置保持平移，或使斗底平面与水平面夹角的变化量不大于15。如果考虑土壤的安息角 ，在动臂从地面铲掘位置升到运输位置阶段，则希望铲斗收斗要快些；动臂从运输位置升到上限位置阶段，则希望铲斗保持平移。平移性是为了提高装载机工作效率而提出的重要指标
27、，无论是大型还是小型装载机都对平移性有较高的要求。在工作装置的整个作业过程中，铲掘工况耗能最多。如果铲斗平移性较差，在铲斗举升过程中，物料就会大量撒落，增加了整机的无功消耗。2.1.4 自动放平性当动臂在上限位置卸料后，转斗缸闭锁，动臂下降至下限位置时，应保证铲斗自动放平，自动进入下一次铲掘状态。装载机工作装置具有自动放平性，这样不仅可以提高工作效率，减少每一次工作循环的作业时间，减轻司机的劳动强度，还可以避免因铲斗复位不准而引起作业阻力的增加，增加装载机的无功能耗。目前国外在大型装载机上，厂商可以根据用户需要，选配自动放平控制机构。中小型装载机，由于其经济性限制，不易安装铲斗自动放平控制机构
28、，主要在设计阶段，通过合理确定工作装置的杆长比例力求加以解决。2.1.5 机构效率机构的机械效率由其传力比反映，许多文献中都把它作为重点追求的日标。传力比大意味着同样的油缸工作力通过机构传动，可以在铲斗尖产生较大的铲掘力6。换句话说，克服相同的铲掘阻力，若机构传力比大则油缸缸径可设计得较小。铲掘力和铲掘速度是一对矛盾，由于装置工作所需的能量是一定的，铲掘力增大就意味着铲掘速度的降低。因此，一味追求大的传力比会造成机构工作效率的降低。传力比的取值应在一个合理的范围内。2.1.6 工作效率（1）卸载速度指铲斗能否快速地卸干净物料。一般由转斗油缸的行程反映。行程越短，则转斗时间短，卸载速度越快。它影
29、响着装置的工作效率。（2）工作时间工作时间是体现工作效率的直接指标，时间越短则工作效率越高。2.1.7 干涉性工作机构各构件之间不允许发生运动干涉。2.1.8 传动角传动角符合某限制范围，以保证工作装置的传力性能良好。 2.1.9 辅助要求在满足作业要求的前提下，工作结构简单、自重轻、受力合理、强度高；应保证驾驶员具有良好的工作条件，确保工作安全、视野良好、操作简单和维修方便。2.2 举升机构设计变量的确定 在优化设计中，确定一个方案所需的独立参数称为设计变量。设计变量一经确定，则设计方案也就随之确定了。因而，设计变量也就是设计中所要求的量，设计变量的个数也称为设计问题的维数。设计变量一般用矩
30、阵向量的形式表示，即 （2-1）它在n维设计空间是设计点的诸坐标值。设计点的集合称为设计空间。在装载机工作装置的优化设计中，由于设计变量皆为实数，所以，设计空间是实欧氏空间Rn，即。显然，某个设计问题所含的设计变量越多，即设计的自由度越大，则易于获得比较理想的结果，但相应的会使问题更加复杂，给求解带来更大的困难。因此，在实际工程设计中，应在满足主要设计要求的条件下，尽可能较少设计变量的维数。举升机构由举升机构中GI长度R9, 举升机构中机架杆GH长度R10, 机架杆GF与Y轴负向的夹角UG3, 动臂AGD中AGD GI杆径向角，即IGA，I点在AG杆之上为正，反之为负,动臂下限位置角UG5。2
31、.2.1 工作装置的结构参数 选取工作装置处于地面铲掘位置时的作业工况作为优化设计的标定工况。当组成工作装置的各构件长度及其相互间的位置确定之后，工作装置的结构形式可以确定。通过分析发现，要得到一个确定的工作装置方案至多需要4个设计变量，即：R9,R10,UG3,UG5 为优化设计变量,设计变量符号的物理意义见表2-1。设计变量规格化为 (2-2) 2.2.2 工作装置的动态特性变量 由于该机构的运动自由度为2，当铲斗位置角和动臂位置角确定之后，机构的运动状态就被唯一确定下来。选取UG、U作为装载机工作装置在运动过程中的自变量。因此装载机工作装置在运动过程中的自变量或者说动态特性变量共两个：
32、动臂位置角UG 动臂与Y轴负方向的夹角铲斗位置角U 铲斗举升各瞬间时位置与X轴夹角。 图 2-1装载机工作装置分析模型表 2-1 装载机工作装置各符号的物理意义 符号物 理 意 义符号物 理 意 义R1动臂AGD中AD边长UG6动臂上限位置角R2铲斗两铰接点A、B间的长度 UG7动臂运输位置角R3拉杆BC长度UD1上、下摇臂杆DE与DC所夹的钝角，即R5下摇臂CD长度UD2动臂AGD中AGDR6动臂AGD中GD边长UD3地面铲掘工况时的ADER7上摇臂DE长度UA1AB杆与X轴正向夹角R8任意工况下转斗缸EF长度A2动臂AGD中GADR9GF长度L动臂长度R10举升机构中GI长度UG40铲斗具
33、有下挖深度时的动臂位置角R11举升机构中机架杆GH长度UG64动臂回摆角，即UG64=UG6UG4UG1GF与Y轴负向的夹角H1最小卸载距离UG2动臂AGD中AGDH2最大卸载高度UG3GI杆径向角，即IGAH3铲斗斗底长度UG4动臂下限位置角H5铲斗下挖深度，H50UG5GH与Y轴所夹的锐角Y1动臂上铰接点G的离地高度XJ，YJ前桥中心点J在XOY在坐标系中的坐标Y3地面铲掘工况时，动臂下铰接点A的离地高度2.3 举升机构目标函数的确定目标函数又称评价函数，是用来衡量设计方案优劣的标准，任何一个具体的设计问题，往往存在着许多的设计方案，而这些设计方案中肯定会有优劣之分。优化设计的目的就是要在
34、所有的设计方案中找出一个最适宜和最满意的方案。对于特定的设计问题，优化设计的目标函数通常以所追求的目标函数与设计变量的函数关式来表示，记为 （2-3）优化设计一般是寻求一个最优点X*,使得目标函数F(X)在满足特定的约束条件下达到最小值,即 （2-4）一般情况下，总是把追求的目标函数化成求极小值的形式。对追求F(X)最大值的问题，可以转化成求其相反数F(X)的最小值问题。目标函数的数值是评价一个设计方案优劣程度的标准或准则。就一般的优化设计而言，所追求的目标常包括：重量最轻，能耗最少，刚度最大，效率最高，应力分布最佳，运动轨迹偏差最小，动力性能最优等等，具体设计中所追求的目标有时是单一的，有时
35、是几项指标的组合，前者所建立的目标函数是单目标函数，后者则称为多目标函数。单目标函数的寻优求解过程简洁明确；多目标函数的求解过程比较繁琐，但常常可以求得最佳的设计方案。由于处理单目标函数的优化问题已有许多行之有效的方法，因此常采用线性加权法、主目标法或功效系数法等方法力图将多目标函数的优化问题装化为单目标函数的优化问题进行求解。对于举升机构，通常以举升机构的传动比作为优化设计的对象函数，即极大化举升机构的传动比。 （2-5）式中 动臂下铰接点的横坐标，其余见表2-1。2.4 举升机构约束条件的确定所谓“最优设计”，实际上是满足某些设定的限制条件下的一个最好的设计方案。对于举升机构一般有两类约束
36、条件：边界约束、性能约束。2.4.1 边界约束条件的确定 根据整机的尺寸及工作装置布置的可能性要求，设计中应给出各设计变量允许的空间范围。这些限制设计变量的取值范围，称为边界约束。边界约束的选取带有一定的经验性，一般应考虑以下因素：（1）选取边界约束时，应在充分了解设计变量与性能之间的关系的基础上，综合考虑性能约束、目标函数的性质，不要使二者过于矛盾，以便使优化计算少走弯路，提高计算效率。（2）考虑结构设计实现的可能性，以获得真正可行的设计方案。（3）考虑整机总体参数的要求，以获得与总体参数相匹配的边界约束。（4）一般说来，边界约束所取的范围越大，与最优解的离散程度越高，则计算时所需的机时就越
37、多；反之，机时就越少。（5）分析同类机型工作装置现有的结构尺寸，估计最优解可能出现的近似解范围，使边界约束的中心尽量靠近最优解。在充分考虑了上述因素后，本文采用传统的设计方法确定4个计算变量的上下界，形成共4个边界约束条件，即 （2-6）式中 分别为设计变量Xi的上、下限。在具体计算时，设计变量上、下限的取值我们参考了同吨位的现有装载机ZL50工作装置的结构尺寸。2.4.2 性能约束的确定性能约束是指某些性能或设计要求所推导出来的一些约束条件。它的建立保证了工作装置的作业性能，动臂举升缸的选择由崛起力WR、油压P及举升机构传力比f2（X2）来确定，在此假设选顶动臂举升缸的结构长度为H1J。动臂
38、举升缸确定以后，为满足动臂举升缸安装距及举升高度的要求，可设计下列约束，即： FM6 上限位置时，举升机构的单位举升力矩； FM0 举升机构单位举升力矩的最小值； HI4 下限位置时动臂举升缸的长度；HH 动臂举升缸最小安装距；GG 动臂举升缸行程最大值；RJ 前车轮中心点J到动臂举升缸轴线的距离；其余见表2-1。 （2.7） （2.8） （2.9） （2.10） （2.11） 式中 下挖时，动臂举升缸长度； 下挖时，动臂位置角。图 - 总体参数计算简图2.5 编程语言的选择MATLAB软件具有强大的数值运算核心，和诸多优秀于其他高级语言的功能。与其他编程语言比起来，MATLAB擅长于数值计算
39、，能处理大量的数据，而且效率比较高。MATLAB具有诸多特点：1.编程效率高，2.用户使用方便，3.扩充能力强，交互性好，4.移植性和开放性都很好，所以本设计采用MATLAB。2.6 优化算法的选择优化设计计算方法很多，传统方法有求解无约束优化问题的一维搜索法、坐标轮换法、Powell法、牛顿法和变尺度法等等；有求解约束问题的随机方向搜索法、符合形法、优选法、可行方向以及约束变尺度法等直接解法和惩罚函数法等间接解法。复合形法在传统优化算法中可以说是比较容易得到全局最优解的，所以对于传统算法，本次设计选择复合形算法。遗传算法、蚁群算法、粒子群算法是基于生物模拟的新兴的优化方法，由于其优良的优化性
40、能，使得其在许多复杂问题的优化过程中得到了越来越广泛的应用。但针对特定的问题，每一种算法要选择相应的优化策略，以便达到理想的优化设计结果。本次设计选取粒子群算法作为与传统算法相比较的优化算法。第3章 优化设计程序编程语言MATLAB的选择以往进行装载机工作装置优化设计时常选用计算机第三代高级语言，如FORTRAN77语言与C语言等。虽然第三代计算机语言也摆脱了对计算机硬件的操作，但是语言的编写工作量非常大，程序代码也非常繁琐，过于抽象，导致设计效率和设计精度都非常的低。所以本设计采用功能更强大的计算机第四代高级语言MATLAB 6.5语言进行装载机工作装置举升机构程序的编写。因为MATLAB
41、6.5软件具有强大的数值运算核心，和诸多优秀于其他高级语言的功能。特别值得一提的是，MATLAB 6.5是一种开放式的软件，任何人经过一定的程序都可以将自己开发的优秀的应用程序集加入到MATLAB工具的行列。3.1 MATLAB语言的产生背景MATLAB诞生于20世纪70年代，它的编写者是Cleve Miler博士和他的同事。当时，Cleve Mole博士与他的同事开发了EISPACK和LINPACK的Fortran子程序库。这两个程序库主要是求解线性方程的程序库。但是，Cleve Mole发现学生使用这两个程序库时有困难，主要是接口程序不好写，很费时间。于是Cleve Mole自己动手，在业
42、余时间里编写了EISPACK和LINPACK的接口程序。Cleve Mole给这个接口程序取名MATLAB，意为矩阵（MATRIX）和实验室（LABORATORY）的组合。以后几年，MATLAB作为免费软件在大学里使用，深受大学生的欢迎和喜爱。1984年，Cleve和John Little成立了Math Works公司，正式把MATLAB推向市场，并继续进行MATLAB的开发。1993年，Math Works公司推出MATLAB4.0；1995年，Math Works公司推出MATLAB4.2C版（For Win3.x）；1997年推出MATLAB5.0，2000年10月，Math Works
43、公司推出MATLAB6.0，2002年8月，新的版本MATLAB6.5上市。每一次版本的推出都使MATLAB有长足的进步，界面越来越友好，内容越来越丰富，功能越来越强大。它的帮助信息采用超强文本格式和PDF格式，可以很方便的阅读。3.2 MATLAB的功能用途MATLAB擅长于数值计算，能处理大量的数据，而且效率比较高。MathWorks公司在此基础上开拓了符号计算、文字处理、可视化建模和实时控制能力，增强了MATLAB的市场竞争力，使MATLAB成为了市场主流的数值计算软件。MATLAB应用程序接口为用户提供了一个功能完善的函数库,它包含了大量的MATLAB与FORTRAN语言之间的接口函数
44、,这些接口函数是MATLAB的一个非常重要的组成部分。通过它不仅可以在MATLAB下以动态链接库的形式调用FORTRAN语言编写的子程序,而且可以在FORTRAN语言中调用MATLAB的大量函数,将MATLAB作为一个计算引擎,同时还能够完成MATLAB与外界必要的数据交换,极大地增强了MATLAB的灵活性。MATLAB软件是支持从概念设计、算法开发、建模仿真，实时实现的理想的集成软件。无论是进行科学研究和产品开发，MATLAB软件都是必不可少的工具。MATLAB软件可用来进行：数据分析、数值和符号计算、工程与科学绘图、控制系统设计、数字图象信号处理、财务工程、建模、仿真、原型开发、应用开发、
45、图形用户界面设计等等。3.3 MATLAB语言特点MATLAB语言有不同于其他高级语言的特点，它的丰富的函数使开发者无需重复编程，只需简单地调用和使用即可。MATLAB语言最大的特点是简单和直接。MATLAB语言的主要特点有以下几点。 (1)编程效率高MATLAB是一种面向科学与工程计算的高级语言，允许用数学形式的语言编写程序，比Basic、Fortran和C等语言更接近我们书写计算公式的思维，用MATLAB编写程序犹如在演算纸上排列出公式求解问题。因此，MATLAB语言也可通俗地称为演算纸式科学算法语言。由于它编写简单，所以编程效率高，易学易懂。(2)用户使用方便MATLAB语言是一种解释执
46、行的语言（在没有被专门的工具编译之前），它灵活、方便，其调试程序手段丰富，调试速度快，需要学习时间少。人们用任何一种语言编写程序和调试程序一般都要经过四个步骤：编辑、编译、连接及执行和调试。各个步骤之间是顺序关系，编程的过程就是在它们之间做瀑布型的循环。MATLAB语言与其他语言相比，较好地解决了上述问题，把编辑、编译、连接及执行融为一体。它能在同一画面上进行灵活操作，快速排除输入程序中的书写错误、语法错误及语言错误，从而加快了用户编写、修改和调试程序的速度，可以说在编程和调试过程中它是一种比VB还要简单的语言。具体地说，MATLAB运行时，如直接在命令行输入MATLAB语句（命令），包括调用M文件的语句
