基于改进遗传算法的盘式制动器的优化设计

    0   引言

    盘式制动器因其构造简单、散热快、重量轻、调整方便，特别是高负载时耐高温性能好，制动效果稳定等特点，常用作矿井提升机和下运带式输送机的制动系统［1］，其结构简图如图1所示。

   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，通过改变进入油缸中的油压来调节制动力矩。

    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［2］建立了盘式制动器中碟形弹簧的数学模型，以体积最小为目标，运用遗传算法对其进行了优化设计黄健萌等［3］通过建立紧急制动工况下盘式制动器的三维瞬态热-结构耦合计算模型，运用ANSYS对制动过程进行数值模拟，揭示制动盘瞬态温度场/应力场的分布规律。侯俊等［4］应用UG和ANSYS建立盘式制动器的有限元模型，通过有限元分析寻找影响制动尖叫的各种因素，并对其作了详细的探讨。

    本文提出一种改进遗传算法，该方法采用实数编码，在判断个体适应度时使用最优保存策略，最后将它用于盘式制动器的优化设计中，实例计算表明该方法在求解有约束非线性问题时，表现出良好的速度和有效性，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

    取供油压力P，液压缸直径D，活塞杆直径d为设计变量:

    1.2  建立目标函数

为了便于建模，在建模过程中有如下几点假设［5］:

    (1)油缸内油压均匀分布且忽略油液的压缩量;

    (2)各运动部件运动时，油液粘滞力、滑动摩擦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，其中O为制动盘中心也即制动力矩的中心，r为制动盘与闸衬的中心距，闸衬宽为b，长为l。在闸衬上取一个dx·dy的微小单元，微元内任一点(x，y)的摩擦半径R=

    则通过计算可得到单只制动器制动力矩M的表达式为:

    根据优化的要求，为了提高盘式制动器的制动性能，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:

    1.3  建立约束条件