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[摘 要]实践中可以看到，针对当前液压挖掘机的优化设置，通常局限于挖掘力、挖掘阻力之间的匹配关系优化方面，或者只是优化局部机构，未能从全局方面着手对整体挖掘性能进行优化。本文将对矿用液压挖掘机正铲工作装置优化设计问题进行分析研究，并在此基础上提出一些建设性建议，以供参考。
[关键词]矿用液压挖掘机；正铲装置；优化设计；研究
中图分类号：N945.15 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2014）36-0019-01
对于传统模式下的设计方法，根据经验、组织结构布置情况，采用统计、甚至是作图拼凑方法，可能性比较大，而且重复的次数也比较多。在该种情况下，工作量非常的大，设计周期长、而且效率也非常的低，因此难以实现设计方案的优化。
1、矿用液压挖掘机正铲工作装置优化设计基本原则
对于矿用液压挖掘机正铲工作装置而言，其优化设计过程中，应当充分考虑和坚持以下几个方面的基本原则：
第一，位置特性。矿用液压挖掘机正铲工作装置优化设计过程中，应当满足主要工作尺寸，同时还要满足作业范围之要求。即在实际设计过程中，应当重复考虑与同类机型之间的对比，确保其先进性，尤其是主参数、性能等，应当符合国家及相关部门之标准和要求。在液压挖掘机正铲运输、停放过程中，姿态应当合理。
第二，运动特性。在矿用液压挖掘机正铲工作装置优化设计过程中，应当确保良好的功率利用情况，确保理论工作循环时间不能太长。同时，还要确保动力特性，即满足液压挖掘机的挖掘力、分布状况满足要求，重复考虑挖掘机的整机稳定性。
第三，结构特性。在设计过程中，应当科学合理的确定不同铰点的位置，同时应当确保结构形状即受力有利性，在满足强调、刚度的条件下，重量越轻则说明其结果特性越好；在挖掘机工作装置中，应当保证安全可靠性，同时还要确保拆装、维修的方便性。
2、矿用液压挖掘机正铲工作装置优化设计实际
2.1 优化设计方法
本课题在实际应用过程中，所采用的求解约束优化问题主要以直接法求解为主。对于直接法而言，其原理非常的简单，而且较为实用。其主要特点表现为：
第一，因求解全过程在可行域中进行，所以迭代计算终止与否，均可获得比初始点要好一些的设计点。如果设计过程中，目标函数是凸函数，则其可行域也应当是凸集，这样可确所获得的全域解最优。实践中，因存在很多个局部最优解，所以在选择初始点时，其位置也不尽相同，搜索到的局部最优解也不相同。基于此，经常在可行域中选择差别相对较大的一些初始点进行计算，从多个最优解中选出一个最优解。同时，还要求可行域是有界非空集，在有界可行域中存在可以有效满足所有约束条件的点，而且目标函数也应当有定义。本问所研究的是采用合形法对目标函数求解。其中，复合形法求解的优化问题属于直接解法，基本思路是在可行域中建构具有k个顶点的复合形。对该复合形各顶点的目标函数值进行比较，找到目标函数值最大的顶点，按规定的法则求目标函数值有所下降的新点，并用该点代替最坏点，从而形成一个新的复合形，其形状每做一次改变，都会向最优点迈进一步，最终逼近最优点。复合形法的算法原理如（图1）所示。
基本的复合形法的计算步骤为：
1） 选择复合形的顶点数k，一般取n+1≤k≤2n；在可行域内构成具有k个顶点的初始复合形。2） 计算复合形各顶点的目标函数值，比较其大小，找出最好点xL、最坏点xH及次坏点xG。3） 计算除去最坏点xH以外的（k-1）个顶点的中心xC。判别xC是否可行，若xC为可行点，则转步骤4）；若xC为非可行点，则重新确定设计变量的下限和上限值，即令a=xL，b=xC，然后转步骤1），重新构造初始复合形。4） 按xR=xc+α（zc-xh）计算反射点xR，必要时，改变反射系数α的值，直至反射成功，即满足f（xR） 2.2 优化设计流程
优化設计程序采用Visual Basic语言编写，根据前文所确定的设计变量和目标函数，设计思想的流程图如（图2）所示。
采用复合形法来求解约束优化问题。复合形法是在可行域内构造一个具有K个顶点的初始复合形。对该复合形各顶点的目标函数值进行比较，找到目标函数值最大的顶点（称最坏点），然后按一定的法则求出目标函数值有所下降的可行的新点，并用此点代替最坏点，构成新的复合形，复合形的形状每改变一次，就向最优点移动一步，直至逼近最优点。
2.3 化设计实例与结果
对某70t级挖掘机的主机数据进行优化设计，并利用挖掘机挖掘性能分析软件对该70t级挖掘机的原始方案和优化设计方案进行对比分析。在主要挖掘区域内，纵向斗杆挖掘时，主动液压缸作用力充分发挥所占比例明显提高，动臂液压缸闭锁比例明显降低。在纵向挖掘工况下，优化后方案的斗杆挖掘和铲斗挖掘工况最大挖掘力分别从363kN、335 kN提高到393kN、368 kN，都提高了约10%。优化后的方案，在斗杆挖掘工况下，斗杆缸的主动挖掘力得到较充分的发挥，从18%提高到27%，动臂缸闭锁限制比例得到明显降低，从9%降低到2%；铲斗挖掘工况下，主动缸作用力充分发挥比例和被动缸限制比例的改善并不特别明显，分别从19%提高到20%和从12%降低到7%。
由于本文所研究的是大型正铲液压挖掘机，以斗杆挖掘和水平铲装为主，铲斗挖掘很少（铲斗缸主要用于调整铲斗角度，以利于切削、破碎和推压），所以对铲斗挖掘工况下各液压缸之间的匹配性能情况就不进行详细叙述。
结论
本文通过对优化设计前后的参数进行综合分析和比较得出，优化后工作装置的性能比优化前有了明显改善。在主要挖掘区域内，主动液压缸所产生的挖掘得到充分发挥，液压挖掘机的功率得到充分利用。由此可以证明，本文所建立的液压挖掘机正铲工作装置优化设计的数学模型比较合理，优化设计程序运行稳定可靠，在产品设计工作中具有较高的实用价值，对挖掘机的设计和改进具有一定的指导作用。
参考文献
[1] 王永进 李光 李爱峰 权龙.大型矿用液压挖掘机铲斗及开斗液压控制方案研究[J].液压与气动，2014（01）.
[2] 张启君，刘伟.国内外挖掘机行业发展的探讨[J].筑路机械与施工现代化，2005（02）.
[3] 张石强.正铲液压挖掘机挖掘性能通用分析方法研究[D].重庆大学硕士学位论文，2006.
[关键词]矿用液压挖掘机；正铲装置；优化设计；研究
中图分类号：N945.15 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2014）36-0019-01
对于传统模式下的设计方法，根据经验、组织结构布置情况，采用统计、甚至是作图拼凑方法，可能性比较大，而且重复的次数也比较多。在该种情况下，工作量非常的大，设计周期长、而且效率也非常的低，因此难以实现设计方案的优化。
1、矿用液压挖掘机正铲工作装置优化设计基本原则
对于矿用液压挖掘机正铲工作装置而言，其优化设计过程中，应当充分考虑和坚持以下几个方面的基本原则：
第一，位置特性。矿用液压挖掘机正铲工作装置优化设计过程中，应当满足主要工作尺寸，同时还要满足作业范围之要求。即在实际设计过程中，应当重复考虑与同类机型之间的对比，确保其先进性，尤其是主参数、性能等，应当符合国家及相关部门之标准和要求。在液压挖掘机正铲运输、停放过程中，姿态应当合理。
第二，运动特性。在矿用液压挖掘机正铲工作装置优化设计过程中，应当确保良好的功率利用情况，确保理论工作循环时间不能太长。同时，还要确保动力特性，即满足液压挖掘机的挖掘力、分布状况满足要求，重复考虑挖掘机的整机稳定性。
第三，结构特性。在设计过程中，应当科学合理的确定不同铰点的位置，同时应当确保结构形状即受力有利性，在满足强调、刚度的条件下，重量越轻则说明其结果特性越好；在挖掘机工作装置中，应当保证安全可靠性，同时还要确保拆装、维修的方便性。
2、矿用液压挖掘机正铲工作装置优化设计实际
2.1 优化设计方法
本课题在实际应用过程中，所采用的求解约束优化问题主要以直接法求解为主。对于直接法而言，其原理非常的简单，而且较为实用。其主要特点表现为：
第一，因求解全过程在可行域中进行，所以迭代计算终止与否，均可获得比初始点要好一些的设计点。如果设计过程中，目标函数是凸函数，则其可行域也应当是凸集，这样可确所获得的全域解最优。实践中，因存在很多个局部最优解，所以在选择初始点时，其位置也不尽相同，搜索到的局部最优解也不相同。基于此，经常在可行域中选择差别相对较大的一些初始点进行计算，从多个最优解中选出一个最优解。同时，还要求可行域是有界非空集，在有界可行域中存在可以有效满足所有约束条件的点，而且目标函数也应当有定义。本问所研究的是采用合形法对目标函数求解。其中，复合形法求解的优化问题属于直接解法，基本思路是在可行域中建构具有k个顶点的复合形。对该复合形各顶点的目标函数值进行比较，找到目标函数值最大的顶点，按规定的法则求目标函数值有所下降的新点，并用该点代替最坏点，从而形成一个新的复合形，其形状每做一次改变，都会向最优点迈进一步，最终逼近最优点。复合形法的算法原理如（图1）所示。
基本的复合形法的计算步骤为：
1） 选择复合形的顶点数k，一般取n+1≤k≤2n；在可行域内构成具有k个顶点的初始复合形。2） 计算复合形各顶点的目标函数值，比较其大小，找出最好点xL、最坏点xH及次坏点xG。3） 计算除去最坏点xH以外的（k-1）个顶点的中心xC。判别xC是否可行，若xC为可行点，则转步骤4）；若xC为非可行点，则重新确定设计变量的下限和上限值，即令a=xL，b=xC，然后转步骤1），重新构造初始复合形。4） 按xR=xc+α（zc-xh）计算反射点xR，必要时，改变反射系数α的值，直至反射成功，即满足f（xR）
优化設计程序采用Visual Basic语言编写，根据前文所确定的设计变量和目标函数，设计思想的流程图如（图2）所示。
采用复合形法来求解约束优化问题。复合形法是在可行域内构造一个具有K个顶点的初始复合形。对该复合形各顶点的目标函数值进行比较，找到目标函数值最大的顶点（称最坏点），然后按一定的法则求出目标函数值有所下降的可行的新点，并用此点代替最坏点，构成新的复合形，复合形的形状每改变一次，就向最优点移动一步，直至逼近最优点。
2.3 化设计实例与结果
对某70t级挖掘机的主机数据进行优化设计，并利用挖掘机挖掘性能分析软件对该70t级挖掘机的原始方案和优化设计方案进行对比分析。在主要挖掘区域内，纵向斗杆挖掘时，主动液压缸作用力充分发挥所占比例明显提高，动臂液压缸闭锁比例明显降低。在纵向挖掘工况下，优化后方案的斗杆挖掘和铲斗挖掘工况最大挖掘力分别从363kN、335 kN提高到393kN、368 kN，都提高了约10%。优化后的方案，在斗杆挖掘工况下，斗杆缸的主动挖掘力得到较充分的发挥，从18%提高到27%，动臂缸闭锁限制比例得到明显降低，从9%降低到2%；铲斗挖掘工况下，主动缸作用力充分发挥比例和被动缸限制比例的改善并不特别明显，分别从19%提高到20%和从12%降低到7%。
由于本文所研究的是大型正铲液压挖掘机，以斗杆挖掘和水平铲装为主，铲斗挖掘很少（铲斗缸主要用于调整铲斗角度，以利于切削、破碎和推压），所以对铲斗挖掘工况下各液压缸之间的匹配性能情况就不进行详细叙述。
结论
本文通过对优化设计前后的参数进行综合分析和比较得出，优化后工作装置的性能比优化前有了明显改善。在主要挖掘区域内，主动液压缸所产生的挖掘得到充分发挥，液压挖掘机的功率得到充分利用。由此可以证明，本文所建立的液压挖掘机正铲工作装置优化设计的数学模型比较合理，优化设计程序运行稳定可靠，在产品设计工作中具有较高的实用价值，对挖掘机的设计和改进具有一定的指导作用。
参考文献
[1] 王永进 李光 李爱峰 权龙.大型矿用液压挖掘机铲斗及开斗液压控制方案研究[J].液压与气动，2014（01）.
[2] 张启君，刘伟.国内外挖掘机行业发展的探讨[J].筑路机械与施工现代化，2005（02）.
[3] 张石强.正铲液压挖掘机挖掘性能通用分析方法研究[D].重庆大学硕士学位论文，2006.