半喂入联合收割机制动操纵机构的优化设计

刘 靖, 王 强

(西华大学机械工程学院，四川 成都 610039)



·机电工程·

半喂入联合收割机制动操纵机构的优化设计

刘 靖, 王 强*

(西华大学机械工程学院，四川 成都 610039)

为满足丘陵山地用半喂入联合收割机小型化的要求，对制动操纵机构进行优化设计。首先用解析法确定3个位置的约束条件，然后建立相应的数学模型，并用MATLAB进行数据优化处理，得到杆长尺寸的局部最优解，从而达到使机构的结构更为紧凑的目的。

半喂入联合收割机; MATLAB；优化设计

半喂入式联合收割机是农业机械的一种典型设备。与中原地区相比，在西部丘陵地带收割机的作业环境相对恶劣，这就对收割机提出新的要求[1]：操作方便、结构紧凑等。本文对一种已有的半喂入式联合收割机制动操纵机构进行优化，以达到农业收割机结构紧凑的目的。

1 联合收割机制动操纵机构的结构

传统的半喂入联合收割机制动操纵机构，在踏板制动时，需先将驱动手柄置于空挡位置，操纵不便；然而文献[2]报道的机构，在踏板制动时，能实现驱动手柄自动置于空挡位置，操作方便，其结构如图1所示。

当通过踏板制动时，不管此时驱动手柄在任何位置，只要动销与2个槽板的下端点接触，均可实现驱动手柄回到初始位置。往前扳，一个槽与动销抵死，往后扳，另一个槽也会与动销抵死，即2个槽的下端点在此时均必须与动销抵死，从而限制了手柄运动的2个方向，出现锁死现象。图2(a)示出制动操纵机构的初始状态。该操纵机构并没有满足结构紧凑的要求，其杆长尺寸有待于优化。在等效变异的理论基础上将杆A0C0、A0F0划分为连杆1、2和连杆4、5。

1—踏板；2—左右摩擦片；3—驱动手柄；4—连杆结构；5—动销。

如图2(b)所示,优化过程即为求解C0和F0的局部最优坐标值。本文根据结构设计经验，设定初始值，计算出踏板制动机构3个位置的约束条件，建立其对应的数学模型，使用MATLAB进行非线性约束的处理，让数据优化，得到机构杆长尺寸局部最优解，以达到机构结构紧凑的目的，从而满足丘陵山地用半喂入联合收割机小型化的要求。

(a)

(b)

2 设定初始值

根据经验和结构设计的需要[3-5]，假设图2中点D为坐标原点，C0、F0、A0分别为原始位置,则点 D、H、C0、F0、A0的坐标分别为：

初始值设定为：

θ1，…，θ6表示连杆1到连杆6各自的转动角度。

3 约束条件

用解析法[6]对该机构的3个特殊位置(初始状态、左连杆被左挡板挡死、右连杆被右挡板挡死)进行分析，以求得各个位置所对应的约束条件。

3.1 初始状态

如图3所示，此时机构处于位置1，即踩下踏板，左连杆和右连杆分别被相对应的左挡板式连杆、右挡板式连杆的挡板挡死，整个机构出现锁死状态。 根据文献[2]的要求，连杆1和连杆2之间、连杆4和连杆5之间的夹角应该等于挡板的给定角度150°，可得等式约束h1(x)和h2(x)。lCD表示CD的杆的长度，同理其他杆长表示方法类似。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

图3 初始状态机构位置

3.2 右连杆被右挡板挡死状态

如图所4示，机构处于右连杆被右挡板挡死状态，手柄向前转动到最大角度。根据连杆1和连杆2之间满足的位置关系条件，可以求得不等式约束g1(x)。

(7)

(8)

(9)

(10)

g1(x):π/6-θ1+θ2≤0。

(11)

根据连杆4和连杆5之间满足的位置关系条件可以求得不等式约束g2(x)。

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

g2(x):θ5-θ4+π/6≤0。

(17)

为使连杆1和连杆4之间不产生干涉，可得到不等式约束g3(x)，即

g3(x):θ4-θ1+π/4≤0。

(18)

图4 右连杆被右挡板挡死位置

3.3 左连杆被左挡板挡死状态

如图5所示，机构处于左连杆被左挡板挡死状态，手柄向后转动到最大角度。根据连杆1和连杆2之间满足的位置关系条件可以求得不等式约束g4(x)。θ23表示杆2、杆3之间转动角度，同理与其他杆间角度的表示方法类似。

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

g4(x):θ23-θ13+π/6≤0。

(24)

根据连杆4和连杆5之间满足的位置关系条件可以求得不等式约束g5(x)。

(25)

(26)

(27)

(28)

(29)

g5(x):θ53-θ43+π/6≤0。

(30)

图5 左连杆被左挡板挡死位置

通过上述计算，得出各个位置所对应的约束条件，其中包括等式约束h1(x)、h2(x)以及不等式约束g1(x)、g2(x)、g3(x)、g4(x)、g5(x)。

4 操纵机构数学模型的建立及优化

在上述约束条件下，制定设计变量的标准，确定目标函数并且利用MATLAB优化。

4.1 制定设计变量的标准

设计的参数分为根据实际情况得到的数值和优化设计得到的参数[7]。模型中变量越多，其优化设计越复杂。简化设计变量个数则是优化设计问题的关键，故选取对目标函数起作用的独立参数作为设计变量。本设计选取6个变量，即连杆1到6的长度，分别用xi(i=1,2,3,4,5,6)来表示。其列阵为

(31)

4.2 目标函数的设定

根据机构的杆长设定，导出目标函数

x(5)+x(6)。

(32)

4.3 MATLAB优化

针对多变量且含有非线性约束的优化设计[8-13]，运用MATLAB 中的mincon函数对式(31)和(32)求解，其过程如下。

首先，建立一个关于约束函数的m文件，命名为cdj-g.m。

Function[g,ceq]=cdj_g(x);

thetal=25*pi/180;thetal2=25*pi/180;phi=20*pi/180;

Hx=61.74;Hz=-356.46;

Ax0=111.85;Ay0=-323.47;

C0=[x(1);0;x(2)];A0={Ax0;0;Ay0};

其次，编写目标函数m文件，命名为jfg_f.m。

Functionf=jfg_f(x);

phi=20*pi/180;

Hx=61.74;Hy=-356.46;Ax0=111.85;

Ay0=-323.47;

f=abs(sqrt((A-C0)`*(A-C0))-379);

最后，编写主程序pmyh1.m,调用目标函数jfg_f和约束函数cdj_g。

X0=[62;32];

thetal=25*pi/180;thetal2=25*pi/180;

phi=20*pi/180;

Hx=61.74;Hy=-356.46;Ax0=111.85;

Ay0=-323.47%设计变量的下界和上界

Ib=[-100,-100];ub=[100;100]；

%没有线性不等式的约束

A=[];b=[];

%没有线性等式的约束

Aeq=[];beq=[];

%使用多维约束优化命令fmincon

options=optimset(‘largeScale’,‘off’,‘display’,‘iter’)

[x,fn,exitflag,output]=

fmincon(@jfg_f,x0,A,b,Aeq,beq,lb,ub,@cdj_g)

Disp′

Fprint(1′,C 点初始位置X坐标 Cx0=

%3.4f ′,x(1))

Fprint(1′,C 点初始位置y坐标 Cy0=

%3.4f ′,x(2))

Fprint(1′,fn的最小值 f*=%3.4f ′,fn)

运行pmyh1.m文件，最后得到最优解为x3=47.455 1，x4=-57.142 1，f*=7.063。

4.4 优化结果分析

在满足所有设定条件的情况下，当x3=47.455 1，x4=-57.142 1时，目标函数有最小值min f2(x)=7.063, 并代入方程(1)、(3)、(6)、(7)、(10)、(12)中，得：

故杆长尺寸设计为

5 结论

本文在文献[2]提出的操纵机构上,运用解析法确定3个位置的约束条件，然后建立相应的数学模型，并用MATLAB进行数据优化处理，得到杆长尺寸的局部最优解，对操纵机构进行优化设计，从而达到使机构的结构更为紧凑的目的，满足丘陵山地用半喂入联合收割机小型化的要求。

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(编校：饶莉)

Optimization Design of Semi-feeding Combine Harvester Brake Operating Mechanism

LIU Jing, WANG Qiang*

(School of Mechanical Engineering, Xihua University, Chengdu 610039 China)

To meet the miniaturization request of the semi-feed combine harvester in hilly and mountainous, this paper optimizes the design of the harvester braking mechanism. With analytical method, constrains of the mechanism three positions are determined and the corresponding mathematical models are set up. MATLAB tools are utilized to optimize the mechanism sizes in order to make the mechanism structure more compact.

semi-feeding combine harvester; MATLAB ；optimization design

2015-04-13

TH112；S225.3

A

1673-159X(2016)05-0103-5

10.3969/j.issn.1673-159X.2016.05.019

*通信作者：王强(1964—)，男，教授，博士，主要研究方向为农业机械、人工智能技术和康复机器人。E-mail：wq_py123@163.com