«Провести оптимизацию» означает «найти наилучшее решение из множества возможных» [20]. В процессе проектирования экскаваторов решают большой круг задач по определению оптимальных значений параметров с использованием различных критериев. Универсальным критерием будет критерий реализации главной функции экскаватора — добычи полезного ископаемого с наименьшими затратами. По такому критерию определяют основные параметры (вместимость ковша, размеры рабочего оборудования, время цикла) с учетом работы всего горного предприятия. В целевую функцию по этому критерию входят все затраты на добычу полезного ископаемого, включая и транспорт.
Наряду с таким сложным критерием при проектировании отдельных узлов экскаватора используют и другие критерии: массу, энергозатраты, время цикла и т. п. Так, при проектировании металлоконструкций рабочего оборудования применяют критерий массы и в процессе подбора сечений элементов, выбора схемы исполнения добиваются получения минимальной массы с учетом ограничений по надежности и безопасности.
Оптимизацию проводят на ЭВМ с использованием универсальных программ (например, для расчета напряжений металлоконструкций может быть применен пакет российской разработки АРМ WinMachine) или предлагают собственные специальные программы для решения конкретных задач.
Рассмотрим создание программы для оптимизации поворотного механизма экскаватора.
Оптимизация параметров поворотного механизма одноковшового экскаватора
При проектировании механизма поворота выполняют структурную и параметрическую оптимизацию.
Оптимизация структуры исполнения механизма заключается в выборе типа привода (электрического постоянного или переменного тока, гидравлического вращательного или поступательного действия и т. п.), в определении числа двигателей, выборе передаточного механизма (с редуктором или без него).
При параметрической оптимизации определяют значения максимального движущего момента, максимальной скорости поворота, передаточного отношения механизма.
То, что механизм поворота не является самостоятельным, а входит в техническую систему, включающую в себя и другие механизмы (подъемный, тяговый или напорный), налагает на процесс определенные ограничения. При выполнении рабочего процесса работают одновременно все главные механизмы: перенос ковша в точку разгрузки и обратно в точку копания обеспечивается подъемным, напорным и поворотным механизмами. Чтобы, например, уменьшить время цикла, необходимо изменять параметры всех механизмов, поэтому решение такой задачи, как определение оптимальной мощности привода поворота, не может быть выполнено самостоятельно. Другие же задачи, такие, как определение числа и типа двигателей, передаточного отношения, решают самостоятельно при заданной мощности привода поворота. В качестве самостоятельной решают также задачу оптимизации передаточного отношения механизма поворота [20].
Оптимизация передаточного числа механизма поворота
При варьировании передаточного числа изменяется движущий момент, прикладываемый к поворотной платформе:
Скорость установившегося движения также будет зависеть от передаточного числа, поскольку номинальная скорость двигателя неизменна: 
Вид возможных графиков изменения скорости во времени показан на рис. 3.6.23.
При увеличении передаточного числа ускорения разгона и торможения возрастают, а скорость установившегося движения уменьшается, время же поворота может как увеличиться (кривая /), так и уменьшиться (кривая 2), все зависит от угла поворота и момента инерции поворотной части. Поэтому необходимо провести поиск такого передаточного числа, при котором время поворота будет наименьшим.
Что еще следует учитывать при оптимизации? При варьировании передаточного числа изменяется продолжительность операций разгона и торможения, в течение которых действует максимальный момент и, соответственно, по обмоткам двигателя протекает большой ток. Это может привести к перегреву двигателя, поэтому в процессе оптимизации надо проводить проверку по коэффициенту загрузки и определять допустимый максимальный момент привода.
Изменение передаточного числа в допустимых пределах практически не влияет на стоимость механизма, а сказывается на продолжительности цикла и, соответственно, на производительности, поэтому в качестве критерия принята продолжительность цикла.
Целевой функцией в этой задаче будет математическая модель, позволяющая определять время цикла через передаточное отношение. Кроме того, в модель должны войти и все зависимости для поиска максимального момента привода.
Время цикла будет зависеть от передаточного отношения и максимального момента привода:
Последнее слагаемое не зависит от параметров поворотного движения и является величиной постоянной, но его надо обязательно вводить в целевую функцию, так как для расчета коэффициента загрузки привода необходимо полное время цикла. За время погрузки-разгрузки привод поворота отключен и двигатель охлаждается.
Выражения для расчета продолжительности поворотного движения представлены выше.
Параметры статической характеристики привода. Статическая характеристика (см. рис. 3.6.19) задается моментом отсечки и стопорным моментом, скоростями отсечки и холостого хода. Эти параметры определяют по номинальному моменту и номинальной скорости привода через задаваемые коэффициенты. Для первого цикла расчетов при оптимизации параметры находят по следующим зависимостям.
Выражения приведения параметров и продолжительности поворота представлены выше.
Структурная схема построения программного обеспечения для оптимизации приведена на рис. 3.6.24.
Структурные схемы алгоритмов расчета коэффициента загрузки, максимального момента привода и продолжительности цикла представлены на рис. 3.6.20 и 3.6.21.
По разработанной программе были проведены расчеты для экскаватора ЭКГ-12 при изменении передаточного числа в пределах 200...600. Результаты расчетов влияния передаточного числа на время цикла показаны в виде графика на рис. 3.6.25.
Таким образом, программа позволяет определять оптимальное значение передаточного числа механизма поворота, обеспечивающего при выбранных двигателях наименьшую продолжительность цикла.
