Optimized design of electric shovel working device structure based on BLISCO framework

WANG Xin; WU Juan

doi:10.16579/j.issn.1001.9669.2025.11.012

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Optimized design of electric shovel working device structure based on BLISCO framework

·Optimization·Reliability· | 更新时间：2025-11-26

- Optimized design of electric shovel working device structure based on BLISCO framework
- Journal of Mechanical Strength Vol. 47, Issue 11, Pages: 98-106(2025)
- 作者机构：
  
  1.太原理工大学机械与运载工程学院，太原 030024
  2.山西省矿山流体控制工程技术研究中心，太原 030024
  3.矿山流体控制国家地方联合工程实验室，太原 030024
- 作者简介：
  
  WU Juan, E-mail: wujuanz@163.com
- 基金信息：
  
  Surface Project of Basic Research Programme of Shanxi Province(20210302124060)
- DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.11.012
  CLC： TH112;TD422
- Received：29 December 2023，
  
  Revised：2024-04-19，
  
  Published：15 November 2025
- 稿件说明：
移动端阅览
王鑫，吴娟. 基于BLISCO框架的电铲工作装置结构优化设计［J］. 机械强度，2025，47（11）：98-106.

WANG Xin，WU Juan. Optimized design of electric shovel working device structure based on BLISCO framework［J］. Journal of Mechanical Strength，2025，47（11）：98-106.
王鑫，吴娟. 基于BLISCO框架的电铲工作装置结构优化设计［J］. 机械强度，2025，47（11）：98-106. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2025.11.012.

WANG Xin，WU Juan. Optimized design of electric shovel working device structure based on BLISCO framework［J］. Journal of Mechanical Strength，2025，47（11）：98-106. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2025.11.012.

摘要

为寻找一种能够满足所有性能要求，同时又能在不同目标之间最小化权衡的设计方案，将基于近似模型的双层集成系统协同优化（Bi-Level Integrated System Collaborative Optimization

BLISCO）方法应用于电铲结构优化设计。首先，建立电铲的参数化模型，使用试验设计采集样本点进行设计变量的筛选，并建立工作装置的近似模型；然后，将近似模型和BLISCO方法相结合建立多目标优化数学模型；随后，在此基础上系统级和子系统级分别使用第二代非支配遗传算法和序列二次规划法对电铲工作装置进行多目标优化设计。将优化后得到的参数再次仿真，结果表明，在解决上述问题的同时，提升力和推压力分别减小5.4%和6.13%，斗杆与钢丝绳夹角增大1.4%。最后，搭建优化前后的电铲工作装置试验台进行试验，验证了优化结果的正确性。

Abstract

In order to find a design solution that meets all the performance requirements while enabling the minimal trade-offs between different objectives

the bi-level integrated system collaborative optization (BLISCO) method based on approximate models is applied to the optimal design of the electric shovel structure. Firstly

a parametric model of the electric shovel was created

sample points were collected through a design of experiments that were used to screen design variables and approximate models of working devices

then a mathematical model for multi-objective optimization was developed by combining the approximate model with BLISCO method

multi-objective optimal design of the electric shovel working device was carried out at the second-generation non-dominated genetic algorithm and sequential quadratic programming were used at the system level and subsystem level

respectively. The optimized parameters were simulated again

and the results show that while solving the above problems

the hoist force and crowd force were reduced respectively by 5.4% and 6.13%

and the angle between the stick and the wire rope was increased by 1.4%. Finally

the electric shovel working device test platform before and after the optimization was built for testing and the correctness of the optimization results was verified.

关键词

Keywords

references

王丽，王瑞强，赵保亮，等 . 基于多目标结构参数优化的微创手术机器人设计［J］. 河北工程大学学报（自然科学版）， 2017 ， 34 （ 4 ）： 103 - 108 .

WANG Li ， WANG Ruiqiang ， ZHAO Baoliang ， et al . Design of minimally invasive surgical robot based on multi-objective structural parameter optimization ［J］. Journal of Hebei University of Engineering（Natural Science Edition）， 2017 ， 34 （ 4 ）： 103 - 108 . （In Chinese）

贺莹，王丹，高涵，等 . 基于AHP-FEA权重分配方法的码垛机器人腰部转台多目标结构优化［J］. 食品与机械， 2022 ， 38 （ 8 ）： 99 - 105 .

HE Ying ， WANG Dan ， GAO Han ， et al . Multi-objective structure optimization design of waist turntable of palletizing robot based on AHP-FEA weight distribution method ［J］. Food & Machinery ， 2022 ， 38 （ 8 ）： 99 - 105 . （In Chinese）

赵丽娟，范佳艺 . 基于遗传算法的掘进机截割头多目标优化设计［J］. 机械强度， 2018 ， 40 （ 6 ）： 1349 - 1355 .

ZHAO Lijuan ， FAN Jiayi . Multi-objective optimization design of roadheader’s cutting head based on the GA ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2018 ， 40 （ 6 ）： 1349 - 1355 . （In Chinese）

陈鹿，崔维成，潘彬彬 . 基于BLISCO的深海剖面浮标设计优化［J］. 海洋技术学报， 2018 ， 37 （ 5 ）： 1 - 8 .

CHEN Lu ， CUI Weicheng ， PAN Binbin . General design and optimization for deep ocean profiling float based on BLISCO ［J］. Journal of Ocean Technology ， 2018 ， 37 （ 5 ）： 1 - 8 . （In Chinese）

李源，黄华，郭润兰 . 基于响应面法的加工中心立柱结构多级多目标参数优化设计［J］. 机械设计， 2019 ， 36 （ 11 ）： 44 - 49 .

LI Yuan ， HUANG Hua ， GUO Runlan . Multi-level and multi-objective parameter optimization design of the machining center’s vertical column structure based on the responsesurface method ［J］. Journal of Machine Design ， 2019 ， 36 （ 11 ）： 44 - 49 . （In Chinese）

陈伟，谭旭瑞，杨阔，等 . 基于近似模型的重载仿生腿多目标优化［J］. 湖南大学学报（自然科学版）， 2023 ， 50 （ 6 ）： 80 - 89 .

CHEN Wei ， TAN Xurui ， YANG Kuo ， et al . Multi-objective optimization of heavy-duty bionic leg structure based on approximate model ［J］. Journal of Hunan University（Natural Sciences）， 2023 ， 50 （ 6 ）： 80 - 89 . （In Chinese）

陈新伟，范崇山，孙凤池，等 . 一种基于指数积的移动机械臂联合标定方法［J］. 控制与决策， 2023 ， 38 （ 6 ）： 1586 - 1592 .

CHEN Xinwei ， FAN Chongshan ， SUN Fengchi ， et al . A joint calibration method of mobile manipulator based on product of exponential ［J］. Control and Decision ， 2023 ， 38 （ 6 ）： 1586 - 1592 . （In Chinese）

张志远，朱祥龙，董志刚，等 . 基于多目标优化的砂轮杆结构轻量化设计研究［J］. 制造技术与机床， 2023 （ 10 ）： 72 - 76 .

ZHANG Zhiyuan ， ZHU Xianglong ， DONG Zhigang ， et al . Research on lightweight design of grinding wheel rod structure based on multi-objective optimization ［J］. Manufacturing Technology & Machine Tool ， 2023 （ 10 ）： 72 - 76 . （In Chinese）

张先萌，李翔龙，王友国 . 基于响应面法的反铲液压挖掘机工作装置多目标优化设计［J］. 机械强度， 2019 ， 41 （ 3 ）： 659 - 665 .

ZHANG Xianmeng ， LI Xianglong ， WANG Youguo . Multi-objective optimization design of backhoe hydraulic excavator working device based on response surface methodology ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2019 ， 41 （ 3 ）： 659 - 665 . （In Chinese）

庞晓平，聂东，陈进，等 . 基于机构和结构的液压挖掘机工作装置协同优化［J］. 机械研究与应用， 2017 ， 30 （ 3 ）： 49 - 53 .

PANG Xiaoping ， NIE Dong ， CHEN Jin ， et al . Cooperative optimization of hydraulic excavator working device based on mechanism parameters and structural parameters ［J］. Mechanical Research & Application ， 2017 ， 30 （ 3 ）： 49 - 53 . （In Chinese）

廉广社，崔达 . 大型矿用机械式挖掘机工作装置机构参数优化［J］. 建设机械技术与管理， 2018 ， 31 （ 7 ）： 58 - 62 .

LIAN Guangshe ， CUI Da . Parameter optimization for the working mechanism of heavy mechanical mining shovel mechanism ［J］. Construction Machinery Technology & Management ， 2018 ， 31 （ 7 ）： 58 - 62 . （In Chinese）

韩斌，高公如，丁荣诚，等 . 基于轨迹规划的挖掘机遥控系统研究与开发［J］. 现代制造技术与装备， 2022 ， 58 （ 1 ）： 1 - 8 .

HAN Bin ， GAO Gongru ， DING Rongcheng ， et al . Research and development of remote control system for excavator based on trajectory planning ［J］. Modern Manufacturing Technology and Equipment ， 2022 ， 58 （ 1 ）： 1 - 8 . （In Chinese）

ZHOU H ， JIANG P ， SHAO X Y ， et al . An Improved Bi-Level Integrated System Collaborative Optimization method for multidisciplinary design optimization ［C］// Proceedings of 2014 International Conference on Modelling ， Identification & Control . New York ： IEEE ， 2014 ： 365 - 370 .

ZHAO M ， CUI W C ， LI X . Multidisciplinary design optimization of a human occupied vehicle based on Bi-Level integrated system collaborative optimization ［J］. China Ocean Engineering ， 2015 ， 29 （ 4 ）： 599 - 610 .

王雷，王明，邢屹鹏 . 基于响应面模型与遗传算法的机床立柱优化［J］. 南京理工大学学报， 2018 ， 42 （ 4 ）： 453 - 458 .

WANG Lei ， WANG Ming ， XING Yipeng . Optimization on machine tool pillar based on response sueface model and genetic algorithm ［J］. Journal of Nanjing University of Science and Technology ， 2018 ， 42 （ 4 ）： 453 - 458 . （In Chinese）

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

MULTI-OBJECTIVE OPTIMIZATION DESIGN OF BACKHOE HYDRAULIC EXCAVATOR WORKING DEVICE BASED ON RESPONSE SURFACE METHODOLOGY

Vibration stability analysis and structural optimization of mountain geophysical electric drilling rigs

Study on energy absorption characteristics of biomimetic fractal sandwich plate core structure

PREDICTION AND OPTIMIZATION OF FATIGUE LIFE OF ELECTRIC DRIVE AXLE HOUSING FOR COMMERCIAL VEHICLE UNDER MULTIPLE CONDITIONS

Study on coupling performance of tail vertebra-earth sweep frequency vibration of oil and gas exploration geophone

Related Author

ZHANG XianMeng

LI XiangLong

WANG YouGuo

MA Yachao

ZHAO Haiquan

YANG Xuejun

HUANG Zhiqiang

YU Di

Related Institution

Sichuan Bonny Heavy Machinery Limited Liability Company

School of Manufacturing Science ＆ Engineering,Sichuan University

Key Laboratory for Oil and Gas Equipment, Ministry of Education, Southwest Petroleum University

School of Mechatronic Engineering, Southwest Petroleum University

School of Mechanical Engineering, Changchun Guanghua University

⁰