基于改进遗传算法的盘式制动器的优化设计

优 解 的 一 种 优 化 方 法 ， 基 本 流 程 如 图 ３所 示 。 其
１
：
Ｒ ｍ
一
图 ２ 盘 式 制 动 器 摩 擦 闸衬 受 力 简 图
则通过 计 算可 得 到单 只制动 器制 动 力矩 Ｍ 的表
达式为 ：
：
！：
塑二 ： ！
４
二
ｄ 而 ｒ ｒ、 ｄ ｙ
所以，
Ｐ ≤ Ｊ Ｐ ｐ≤
…
取供 油 压力 Ｐ， 压 缸 直 径 Ｄ， 塞 杆 直 径 ｄ为 液 活 设 计 变量 ：
Ｘ＝（ ，２ ） ＝（ Ｄ， 】 ，３ Ｐ， ｄ）
（ ） 件尺 寸 的约束 ２零 查 手 册 （ Ｂ Ｔ ９ ２—９ ） 考 弹 簧 系 列 ， Ｇ ／ １７ ２参 选取 弹
ｓ ａｅｙ ｗａ ｐ ｏ ｏ ｅ ｈｌ ｊｄ ｎ ｄｐ ｉ ｔ ｏ ｄ ｉ ． ｏ ｐ ｒｄｗｉ ｉ ｐｅｇｎ ｔ ｌ ｒｈ ｔｅ ｔ ｔｇ ｓ ｒｐ ｓｄ ｗ ｉ ￣ ｇａａ ｔ ｉ ｃｎ ｉｏ Ｃ ｍ ａ ｔ ｓ ｌ ｅ ｅ ｃａ ｏｉ ｍ，ｈ ｒ ｅｕ ｖｙ ｔｎ ｅ ｈ ｍ ｉ ｇ ｔ
ｌｍ ｓ Ｆｉ ａｌ ｅ ． ｎｌ ｙ，ａ ａｃ ａ ｉｎ ｅ ａ ｎｄ ｃ ｔ ｄ ｔ ａ ｈ ｔ ｏ ｓｅ ｃｅ ｔａ ｕ ｃ ｓ ｆ ， ｐｔｍ ｉ ｔｏ ｅ ｎ ｃ ｌｕｌｔｏ ｘ ｍｐｌ ｉ ｉａ ｅ ｈ ｔｔ ｅ ｍｅ ｈ ｄ ｉ ｆ ｉｎ ｎｄ ｓ ｃ ｅ ｓｕｌ ｏ ｚａｉ ｎ ｒ－ ｅ ｉ ｉ
ｅ ｔ ｂｌ ｈ ｄ ａ ａｌ ｉ ｐｒ ｅ ｅ ｅ ｉ ｌｏ ｉｈ ｗ ａ ｏ ｓ ｄ ｆ ｒ ｐｔｍ ｉ ａ ｉｎ ｄ ｓｇ ｓ ａ ｉ ｅ ｎｄ ｌ ｍ ｏｖ ｄ ｇ ｎ ｔｃ ａｇ ｒｔ ｍ ｓ ｓ ｐｒ ｐｏ ｅ ｏ ｏ ｉ ｚ ｔｏ ｅ ｉｎ．Ｔｈ ｓ ｅｈ ｓ ｉ ｍ ｔ ｏｄ ｈａ
Ｑ Ｎ Ｇ ａ ｇｌ，ＷＡＮ ａ— ｉｇ ＨＥ ｉｏｈ ｉ Ｉ ｕ ｎ — ｅ Ｇ Ｄ ｏｍ ｎ ，Ｃ Ｎ Ｘ ａ —ｕ （ ｏｌ ｅｏ ｃ ａ ｉ ｌ ｎ ｌ ｔｃｌ ｎｉｅｒ ｇ ｈｎ ｎｖｒｉ ｆ ｎｎ ｎ ｅｈ ｏｏｙ ｕｈ ｕ Ｃ ｌ ｇ ｆＭｅｈ ｎｃ ｄＥ ｅ ｒ ａ Ｅ ｇ ｅｉ ，Ｃ ｉａＵ ｉｅｓｙｏ ｉｇａ ｄＴ ｃｎ ｌ ，Ｘ ｚｏ ｅ ａａ ｃｉ ｎ ｎ ｔ Ｍｉ ｇ Ｊ ｎ ｓ ２ １ ，Ｃ ｉａ ｉ ｇｕ２ １ ａ １ ６ ｈｎ ）
ｂ ｅ ｍｐｒ ｖ ｄ ｉ ｏ ｅｎ ｉ ｏ ｅ ｎ ｃ ｍｐａｉｏ ｏ ｉ ｐｌ ｅ ｅ ｉ ｌｏ ｉｈ ，ｕｓｎｇ ｒ ａ ｏ ｉ ｎｄ ｌ ｃ ｌｏ ｉ ａ ａ ｅｉ ｇ ｒｓ ｎ ｔ ｓｍ ｅ ｇ ｎ ｔｃ ａｇ ｒｔ ｍ ｉ ｅ ｌｃ ｄｎｇ ａ ｏ ａ ｐｔｍ ｌｗ ｎｄ ｒｎ
图 ３ 简 单遗 传 算 法 的 基本 流 程
第 ７期
２１ ０ １年 ７月
组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术
Ｍ ｏ ｄｕｌ ａ ｈ ｎｅ Ｔｏ ｌ＆ Ａ ｕ ｏ ａｔｃ Ｍ ａ ｆ ｃ ｕｒｎｇ Ｔｅ ｈ ｑ ａｒ Ｍ ｃ ｉ ｏ ｔ ｍ ｉ ｎｕ ａ ｔ ｉ ｃ ｎｉ ｕｅ
ＮＯ ７ ．
Ｊｕ ．２ １ １ ０１
有 效性 。 最后 通过 实例 计算 分析 表 明该 方法 高效 可行 ， 优化 结 果可 直接 作为 工程 设计 的参 考 。
关键 词 ： 改进 遗 传算 法 ； 式 制动 器 ； 动 性能 ； 盘 制 优化 设计
中 图 分 类 号 ： Ｈ１４ Ｔ ２ 文献标 识 码 ： Ａ
Ｏ ｐｔｍ ｉａ ｉ ｎ Ｄ ｅ ｉ ｎ ｏ ｓ ａ ｓ ｄ ｏ ｎ Ｉ ｐｒ ｖｅ ｎｅ ｉ ｇ ｉｈｍ ｉ ｚ ｔｏ ｓｇ ｆＤｉｋ Ｂｒ ｋｅ Ｂａ ｅ ｎ ａ ｍ ｏ ｄ Ｇｅ ｔｃ Ａｌ ｏｒｔ
摘 要 ： 了提 高盘式 制动 器 的制 动效 果 ， 为 建立起 制 动 力矩的 数 学模 型 ， 并使 用一 种 改进 遗传 算 法进 行 优 化设 计 。该 方法较 简单遗 传 算法作 了改进 ， 用 实数 编码 ， 判 断个 体适 应 度 时提 出 了最优 保 存 采 在 策 略 。与 简单遗 传 算法相 比 ， 改进 后 的 遗传 算 法在 解 决 有 约束 非 线性 问题 时 ， 现 出 良好 的速 度 和 表
・
根据 以下 的关系 ： 闸衬 安装 位 置不 应超 过制 动 ① 盘之外 ； 闸衬 与轮毂不应发 生干涉 ； ② ③油缸 与轮毂 不
应发生干涉 。 。得到安装条件 下 的约束条件 为 ： 。
ｒ＋ —
１ ６
＋Ｒｄ≤ ０
ｒ一
６一Ｒ ≥ ０
ｒ一— ， Ｊ—
— Ｒｈ≥ ｏ
ｓ ｌｓ ｃ ｎ ｂ ｒ ｃ ｌ ｅ ｓ ａ ｒ ｆｒ ｎ ｅ ｆ ｒｅ ｉ ｅ ｉｇ ｄ ｓｇ ． ｕ ｔ ａ ｅ ｄｉ ｔｙ ｕｓ ｄ ａ ｅ ｅ ｅ ｃ ｎｇｎｅ ｒｎ ｅ ｉ ｅ ｏ ｎ Ｋ ｅ ｒ ｓ：ｄｉｋ ｂ ａ ；ｉ ｐｒ ｖ ｄ ｇ ｎ ｔｃ ａｇ ｉｈ ； ｒ ｉ ｇ ｐｅ ｆ ｒ ａ ｃ ；ｏ ｉ ｚ ｔｏｎ ｄ ｓｇ ｙ ｗｏ ｄ ｓ ｒ ｋｅ ｍ ｏ ｅ ｅ ｅ ｉ ｌｏｒｔ ｍ ｂ ａ ｎ ｒｏ ｍ ｎ ｅ ｐｔｍｉ ａ ｉ ｅ ｉ ｋ ｎ
通 常情 况下 ， 盘式 制 动 器采 用 常 闭式 ， 即无 油 压 时 制动 器 的闸衬 ３靠碟 形 弹簧 ２紧压在 制动 盘 ４上 ， 提供 最大 的 摩 擦 制 动 力 ， 过 改 变 进 入 油 缸 中 的油 通
压 Ｐ来 调 节 制 动 力 矩 。
目前对 盘式制动器 的研究主要 集 中于结构 的优化 设计 、 热应 力耦合场分 析 以及制 动抖动和 噪声分析 等 。 黄飞等 建 立 了盘 式制动 器 中碟 形 弹簧 的数 学模 型 ，
Ａｂｓｒ ｃ ：Ｔ ｉ ｐｒ ｖ ｈ ａ ｎ ｒｏ ｍ ａ ｃ ｆｄｉｃ ｂ ａ ｅ ａｈｅ ａ ｉａ ｏ ｅ ｆ ｂ ａ ｏ ｑ ｅ ｗ ａ ｔａ ｔ ｏ ｍ ｏ ｅ ｔ ｅ ｂｒｋｉｇ ｐｅ ｆ ｒ ｎ ｅ ｏ ｓ ｒ ｋ ，ａ ｍ ｔ ｍ ｔｃ ｌｍ ｄ ｌｏ ｒｋｅ ｔ ｒ ｕ ｓ
（ ） 压 Ｐ 的约束 ： １油 开启 压力 Ｐ
Ｐ ＝Ｆ ＡＰ＝４ 枷／ Ｆ加／Ｔ Ｄ 叮（ 一ｄ ）
速 度和有 效性 ， 使设 计 效果 得到 了很好 的提高 。
１ 数 学 模 型 的建 立
１ １ 设 计 变 量 ．
最高 油压 Ｐ … Ｐ 为 液压 系统 能够 提供 的最高 油压 ， ａ … ＭＰ 。
ｄ ｙ的微 小单 元 ， 元 内任 一点 （ Ｙ 的摩擦 半 径 Ｒ 微 ， ） 式 中 ： Ｒ —— 制动 盘半径 ， ｍ；
＋ Ｙ 。
Ｌ
＝
Ｒ —— 轮 毂半 径 ， ｍ；
— —
油 缸 内外 边缘 距离 ， ｍ。
—
． １●
ｂ
．
—
＿
妞 ．Ｉ 一
／
，
Ｏ 引 言
盘式 制动 器 因 其 构 造 简 单 、 热 快 、 量 轻 、 散 重 调
整方 便 ， 特别 是 高负 载 时 耐 高温 性 能 好 ， 动效 果 稳 制 定等 特点 ， 用 作 矿 井 提 升 机 和 下 运 带式 输 送 机 的 常
制动 系统 … ， 结构 简 图如 图 １ 示 。 其 所
（） ２ 各运 动 部 件 运 动 时 ， 液 粘 滞 力 、 动 摩 擦 油 滑
阻力 及惯性 力 均忽 略不计 ； （） ３ 闸衬 的摩擦 表 面与制 动 盘 完全 接触 ， 且各 处 单 位 面积压 力 分布 均匀 ； 图 ２为盘 式制 动器 的摩擦 闸衬受 力简 图 ， 中 Ｏ 其 为制 动盘 中心 也 即制 动 力矩 的 中心 ， 为 制 动 盘 与 闸 ｒ 衬 的 中心距 ， 闸衬 宽为 ｂ 长 为 。在 闸衬上 取一 个 ，
式 中 ： —— 摩擦 系数 ；
Ｆ — — 碟形 弹簧 预张 力 ， Ｎ。
根据 优化 的要 求 ， 了提 高 盘 式 制 动 器 的制 动 为 性能， 即在 同 等条 件 下尽 量 获 得 比较 大 的 制动 力 矩 ， 所 以 目标 函数 可 以表示 为 ：
Ｓ（ Ｘ）＝ 一ｍｉＭ ｆ ｎ ）
・
ｌ ２・ ０
组合机 床 与 自动 化加 工技 术
１ ３ 建 立 约 束 条 件 ．
第 ７期
编码 ， 在判 断个 体适 应 度 时 使用 最 优 保存 策 略 ， 后 最
将它 用 于盘 式 制 动 器 的优 化 设 计 中 ， 例 计 算 表 明 实 该 方 法在 求 解 有 约 束 非 线 性 问题 时 ， 现 出 良好 的 表
１ ２ 建 立 目标 函数 ．
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簧为 系列 Ａ， 径 为 Ｄ簧， 大 小径 为 ｄ 则 簧，
『 ０＜ｄ ｄ ≤
为 了 便 于 建 模 ， 建 模 过 程 中 有 如 下 几 点 假 在
设 ：
【 ≤Ｄ≤Ｄ ｄ
（） １ 油缸 内油压 均匀 分 布且忽 略油 液 的压缩 量 ；
（ ） 装条 件 的约束 ３安
图 １ 盘 式 制 动 器 结 构 示 意 图
本文 提 出一 种 改进 遗 传 算 法 ， 方 法 采 用 实 数 该
收 稿 日期 ：０ ０—１ ２１ ２—１ ６ 作者简介 ： 广乐（９６ ）男 ， 苏连云港人 ， 秦 Ｉ８ 一 ， 江 中国 矿 业 大 学 机 电 工 程 学 院 硕 士 研 究 生 ， 要 研 究 方 向 为 机 械 产 品 动 态 设 计 ， 主 自动 化 仿 真 自动 控 制 ， Ｅ—ｍ ｉ ｋ ． ８ １ ３ ｃ ｒ。 （ ａ ） ８ ｋ ＠ ６ ．ｏ ｌ ｎ
Ｊ
２ 遗 传 算 法 的 基 本 原 理
遗 传算 法 （ ｅ ｅ ｃＡ ｇｒｈ Ｇ 是 模仿 生 物 遗 Ｇ ｎ ｔ ｌｏｉ ｍ， Ａ） ｉ ｔ
传进 化 过 程 中 的染 色 体 基 因配 对 、 换 、 异 过 程 ， 交 变
／ 一
Ｘ２
不断重 复循 环 产 生新 的 一 代 染 色 体 ， 获 得 全 局 最 以
文 章 编 号 ：０ １—２ ６ ２ １ ） ７—０１ １—０ １０ ２ ５（ ０ １ ０ ０ ３
基 于 改 进 遗 传 算 法 的盘 式制 动 器 的优 化 设 计
秦 广 乐 ， 道 明 ， 小辉 王 陈
（ 中国矿 业大 学 机 电工程 学 院 ， 苏 徐 州 ２ １ １ ） 江 ２ １ ６
ｉ ｐｒ ｅ ｅ ｔｃａｇ ｒｔ ｍ ｈ ｗ ｅ ｏ ｄ ｓ ｅ ｎｄ ｅ ｆ ｃ ｉｅ ｓ ｈｌ ｏｖｉｇ ｃ ｎｓｒ ｉ ｄ ｎｏ ｌ ｅ ｒｐｒ ｂ ｍ ｏｖ ｄ ｇ ｎｅｉ ｌｏ ｉｈ ｓ ｏ ｄ ｇ ｏ ｐｅ ｄ ａ ｆｅ ｔｖ ｎｅ ｓｗ ｉ ｓ ｌ ｎ ｏ ｔａｎｅ ｎ ｉ ａ ｏ ＿ ｅ ｎ
的分布规 律 。侯 俊等 应 用 Ｕ Ｇ和 Ａ Ｓ Ｓ建 立 盘式 ＮＹ 制动器 的有限元模 型 ， 过 有 限元分 析 寻找 影 响制 动 通
１ 油 缸 活 塞 ２ 碟 形 弹 簧 ３ 闸 衬 ４ 制 动 盘 ５ 轮 毂 ． ． ． ． ．
尖 叫的各 种 因素 ， 对其作 了详 细的探讨 。 并
以体积最 小为 目标 ， 用遗 传 算法 对其 进行 了优 化 设 运
计 。黄健 萌等 通 过建立紧急制 动工况下 盘式制动器
的三维 瞬态 热一 构 耦合 计 算 模 型 ， 用 Ａ Ｓ Ｓ对 制 结 运 ＮＹ
动 过 程 进 行 数 值 模 拟 ， 示 制 动 盘 瞬 态 温 度 场／ 力 场 揭 应