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基于遗传算法铰接式车辆油缸铰接点位置的优化研究
作者: 来源: 日期:2018/10/12 11:17:14 人气:2

1 引言

铰接式车辆在煤矿井下运用十分广泛。由于矿井下的巷道狭窄,工作过程中需要车辆转向,且转弯半径不能大,所以煤矿井下车辆多采用铰接式转向系统。该系统具有转弯半径小、操纵轻便、动作迅速、结构紧凑等优点。然而,铰接式车辆油缸铰接点的设计过程主要依靠设计者的个人经验,不能使转向力矩达到最大值。

而国外产品设计中均采用优化设计技术的研究成果,使矿用机械达到最优化设计,使其更加满足井下环境的特殊运输要求。以一种自卸车辆为原型,利用遗传算法,得出油缸铰接点的最优位置,从而使转向力矩最大,转向性能提高,使车辆在矿井下转向更加自如。

2 转向系统优化设计数学模型的建立

2.1 建立目标函数

在转向系统设计过程中,转向阻力矩是最主要的因素,两个油缸产生的转向力矩就是来克服转向阻力矩的,因此转向力矩的大小直接关系到铰接转向系统的性能。所以,选择转向阻力矩为优化设计的目标函数。

自卸车转向机构几何关系图,如图1所示。由图1可得油缸初始长度:

 


式中:L—后车架油缸铰接点与铰接中心的距离;R—前车架油缸铰接点与铰接中心的距离;α—直线行驶时铰接点与前后油缸铰接点连线的夹角;θ—转向角。

图1 自卸车转向机构几何关系图Fig。1 The Steering Geometry Diagram of Dump Truck   下载原图


当转过θ角之后,油缸伸长和缩短的长度:

 


图1中,ΔB′O′C和ΔA′O′D中,油缸伸长后的最小力臂和缩短后的最大力臂:

 


花开棋牌如果油缸伸长时的推力为F1,缩短时的拉力为F2,则转向系统的转向力矩:


假设油缸缸径为D,活塞杆径为d,缸内油压为P,带入到式(6)里去,得到转向力矩:


将式(4)、式(5)代入上式,整理得:

 


将式(2)、式(3)代入上式,整理得:

 


在优化设计中,转向力矩N的值越大越好,然而习惯上求最小值,因此,将转向力矩的倒数1/N作为优化函数,但由于目标函数复杂,可对其简化,由于式(9)中4/πP为非零正数,对优化结果没有影响,可将其省略,故优化函数:

 


2.2 目标函数设计变量的确定

由图1根据几何关系可以得到:

 


式中:h—后机架油缸铰接点到车体对称轴的垂直距离;

s—铰接中心到后机架壁的垂直距离。

 


式中:v—前机架油缸铰接点到车体对称轴的垂直距离;

w—铰接中心到前机架壁的垂直距离。

由上可知,自卸车转向机构转向性能优化设计的变量有v,w,h,s,即:X=[v,w,h,s]T=[x1,x2,x3,x4]

2.3 建立几何约束

花开棋牌2.3.1 几何尺寸约束

 


2.3.2 传力角度约束

油缸在行程结束时的传力角度不能太小才能保证油缸传力效率,因此要有传力角度约束:

 


花开棋牌式中:[β]—转向机构允许的最小传力角度,[β]=30°。

花开棋牌2.3.3 转向角约束

 


式中:θmax—机构允许的最大转向角,θmax=45°。

综上所述可得,铰接式车辆油缸铰接点位置优化设计的数学模型:

 


3 优化结果

以一种自卸车为例:液压缸缸径D=80mm;活塞杆径d=40mm;

3。1 优化计算结果

利用编写了自卸车的油缸铰接点位置优化的遗传算法程序,并运算得出结果。下面是优化前后各参数比较。

3。1。1 优化前各参数

v=215mm,w=77mm,h=508mm,s=450mm,目标函数值为3。9124×10-4。

3。1。2 优化后各参数

v=300mm,w=150mm,h=450mm,s=400mm,目标函数值为1.9163×10-4。

3。2 解的变化及适应度变化曲线

图2 目标函数最优解的变化Fig.2 The Changes of Optimal Solution   下载原图


优化计算后,利用MATLAB绘制出解的变化曲线和适应度变化曲线,如图2所示。由上述数据和图2可知,通过利用遗传算法优化后,油缸铰接点的位置趋于合理,转向力矩N最大,转向更加方便容易。

4 结束语

建立了油缸铰接点位置优化的数学模型,并利用英国谢菲尔德大学开发的MATLAB遗传算法工具箱,通过编程、计算,得到了使得转向力矩最大是油缸铰接点的位置,该位置能使转向力矩达到最大值。同时程序绘制出解的变化曲线,使解随遗传代数的变化一目了然。验证了遗传算法在自卸车转向系统优化中的可用性,为国内矿用机械的优化设计寻找到新的方法。


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