液压油缸圆柱形缓冲装置缓冲过程仿真与参数优化研究.pdf

2 0 1 2年2月 第 4 0卷 第 3期 机床与液压 MAC HI NE TOOL ＆ HYDRAULI CS F e b．2 0 1 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 3 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 0 3 ． 0 4 1 液压油缸圆柱形缓冲装置缓冲过程仿真与参数优化研究 高钦和， 第二炮兵工程学院， 宋海洲 陕 西西安 7 1 0 0 2 5 摘要 研究了液压油缸缓冲装置的工作机理，建立了液压油缸圆柱形缓冲装置缓冲过程的数学模型和 S i m ul i n k 仿真模 型 ；针对缓冲装置的结构参数对活塞末速度和缓冲腔最大压力的影响，建立了优化 目标函数 ，进行了结构参数寻优。研究 成果可用于液压油缸圆柱形缓冲装置的设计和结构优化。 关键词液压油缸；缓冲；仿真；参数优化 中图分类号T H 1 3 7 ． 5 1 文献标识码A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 31 4 53 S t u d y o n Pa r a me t e r Op t i mi z a t i o n a n d S i mu l a t i o n o n Bu ffe r i n g P r o c e s s o f Hy d r a u l i c Cy l i n d e r Cy l i n d r i c a l Bu ffe r i n g De v i c e G A O Q i n h e ， S O N G Ha i z h o u T h e S e c o n d A r t i l l e r y E n g i n e e r i n g C o l l e g e ， X i ’ a n S h a a n x i 7 1 0 0 2 5，C h i n a Ab s t r a c t T h e ma t h e ma t i c a l mo d e l a n d S i mu l i n k s i mu l a t i o n mo d e l o f h y d r a u l i c c y l i n d e r c y l i n d r i c a l b u ff e r i n g d e v i c e w e r e s e t u p b a s e d o n t h e s t u d y o f b u ff e tin g me c h a n i s m．T h e p a r a me t e r s o f b u ffe ti n g d e v i c e we r e o p t i mi z e d t h r o u g h e s t a b l i s h o p t i mi z i n g f u n c t i o n a i me d a t t h e i n f l u e n c e t o b u ff e ti n g e ff e c t O n ma x i mu m b u ffe rin g p r e s s u r e a n d e n d s p e e d o f p i s t o n ．T h e r e s e arc h r e s ult s C an b e u s ed i n t h e d e s i g n a n d t h e s t r u c t u r e o p t i mi z a t i o n o f c y l i n d ric al b u f f e ti n g d e v i c e i n h y dra u l i c c y l i n d e r ． Ke y wo r d s Hy dra u l i c c y l i n d e r ；Buff e r ；S i mu l a t i o n；P a r a me t e r o p t i mi z a t i o n 液压系统工作过程中的瞬时冲击压力可能高于正 常工作压力的3 4倍 ，对系统的性能稳定性和工 作可靠性产生较大影响，所以需采用必要的液压缓冲 装置来减小液压冲击的影响。作者针对液压油缸圆柱 形末端缓冲装置建立了数学和仿真模型，研究了结构 参数的优化问题。 1 缓冲过程的数学建模 如图 1 所示 ，液压油缸中活塞的端部具有圆柱形 缓冲柱塞，缓冲柱塞的直径为 d ；相应地在缸套的端 部具有圆柱形排油腔 ，排油腔的内径为 d ；缸套 的 内径为 D，缓冲柱塞的长度为 Z ；将工作腔连恒压油 源，排油腔连油箱。 捧 油 腔缓 冲 腔 工作 腔 图 1 液压油缸示意图 将圆柱形缓冲装置的缓冲过程分为 3个阶段， 局部损失阶段、锐缘节流阶段和缝隙节流阶段。设油 缸工作腔压力为P 。 ，缓冲腔压力为P ，排油腔压力为 P ，活塞杆所受外负载力为 F ，活塞位移为 。分别建 立各个缓冲阶段的力平衡方程和流量连续性方程，采 用流量比较法确定 3 个阶段的过渡点。可得到式 1 所示的液压油缸末端缓冲过程的数学模型 J 。 p 。 A o - P , I A l 一 ，一 一 ,l 1 ．d 2 g l p 1 g 2 p v 2 A 1 q 1 7 r 4 d 2 ， 告‘ dp vl O p -- d P 2 4 x ’ Cd pAv 1 式中m为活塞和负载折算到活塞上的总质量；A 。 为活塞工作腔受力面积；A ． 为活塞缓冲腔受力面积 ； 卢 为活塞和负载折算到活塞上的黏性阻尼系数； 为油液体积弹性模量；在局部损失阶段 q ， 1 ，q 0 ；在锐缘节流阶段和缝隙节流阶段 q 0 ，q 1 Q Q 。 为缓冲腔流向排油腔的流量； 为缓冲腔的 可变容积； 为排油腔 的可变容积 ；C d p 为排油腔后 断面突然收缩流量系数；A 为排油腔 回油 的过流面 即 积；P为油液密度。 收稿 日期2 0 1 1 0 1 2 0 作者简介高钦和 1 9 6 8 一 ，男，教授，博士生导师，研究方向为兵器发射理论与技术。E ma i l s h z s h z h o u 1 2 6 ． c o m。 1 4 6 机床与液压 第 4 0卷 2 缓冲过程的仿真 根据已建立的液压油缸末端缓 冲过程的数学模 型，按 3 个阶段分别建立各个阶段的仿真模型和各阶 段之间过渡点的仿真模型 ，如图2所示。设置仿 力 真模型的算法为 o d e 2 3 s ，仿真时间设置为1 s 。 的初 值为 1 0 m ／ s ， 的初值为0 ，缓冲柱塞离排油孔的初 始距离为 0 ． 0 3 m。 缝 隙节 流阶 段 图2 圆柱形缓冲装置的仿真模型 对模型中的参数进行赋值，如表 1 所示。 表 1 仿真模型的参数 p o ／ MP a 3 0 m／ k g 2 3 ． 3 5 AY ， 0 ． 01 1 Cd p 0 ． 6 7 A ,／ m 0 ． 0 0 0 5 d l m 0 ．O O 1 l fl e ／ M P a 7 0 0 d p ／ D 0 ． 2 4 卢 ／ N 8 i n 5 1 4 7 7 I ／ d p 2 参数赋值后 ，运行模型对缓冲过程仿真，仿真结 果如图3所示。从仿真结果来看，圆柱形缓冲装置能 使液压油缸达到较好的缓冲效果。 图3 缓冲装置的缓冲结果 3 缓冲装置结构参数优化 分析液压油缸的缓冲过程可知，影响缓冲效果的 主要结构参数有 3 个 缓冲柱塞和排油腔内径之间的 间隙6 d 。 一 d ／ 2 ；排油腔和缓冲腔的内径比 m d ／ D；缓冲柱塞长度与排油腔内径的长径比m 2 l ／ d 。 3 ． 1 优 化 目标 函数 决定液压油缸缓冲效果好坏的指标有两个 ，分别 是活塞的末速度和缓冲腔的最大压力。活塞的末速度 越小，缓冲效果越好；缓冲腔的最大压力越小，缓冲 效果越好。 优化 目标函数的确定以活塞末速度和缓冲腔最大 压力为因变量，其优化 目标函数如式 2 所示 。 m i f 1 f 1 、 1 ， 、 2 ， 2 式中 为不同参数下的活塞末速度； P , 1 为不同参 数下的缓冲腔最大压力；k ， 、k 分别为活塞末速度和 缓冲腔最大压力的权值，在这里，设置 k ， 1 ，k 4 。 上式的优化目标函数是寻找使活塞末速度和缓冲 腔最大压力的值都趋于其最小值的最佳结构参数。使 优化 目标函数的值在 [ 4 z ／ 3 ]之间的结构参 数为较佳结构参数。 针对 以上分析 出的 3个结 构参数 6 、d p ／ D和 l ／ d 。 ，分别研究它们对缓冲效果的影响。在已建立的 仿真模型和优化 目标 函数的基础上 ，运用 MA T L A B 软件编写 M文件实现优化 目标函数值的计算。 3 ． 2 间隙6对缓冲效果的影响 在 m 0 ． 2 4 ，／／ t 2的条件下分析缓冲间隙 6 对 缓冲效果的影响。分别得出对缓冲腔最大压力、活塞 末速度和优化 目标函数值 的影响曲线 ，如图 4 - - - 6所 示。 第 3 期 高钦和 等液压油缸圆柱形缓冲装置缓冲过程仿真与参数优化研究 ‘ 1 4 7 矗 2 8 2 6 2 4 豁 督 1 8 蠢 2 4 6 8 1 0 1 2 l 4 1 6 缓冲间隙， 1 0 m f 3 ； 2 ． 1 ． * 冀 o ． 图4 缓冲间隙 6 对缓冲 图 5 缓冲间隙 对活 腔最大压力的影响 塞末速度的影响 糕 圜 蠖 皿 8 图 6 缓冲间隙 8 对优化 目标函数值的影响 分析仿真结果可得 ，6越大缓 冲腔最大压力越 小，活塞末速度越大。而在 60 ． 0 0 0 9 5 8 m时优化 目标 函数值达到最小，缓 冲效果最优。6的值取在 [ 0 ． 0 0 0 7 m， 0 ． 0 0 1 2 m]之间时可使优化 目标函数值 在 [ z ， 4 z ／ 3 ]之间。所以，6的较佳取值范围为 [ 0 ． 0 0 0 7 m，0 ． 0 0 1 2 m] 。 3 ． 3 内径 比 m 对缓冲效果的影响 在8 0 ． 0 0 1 m，m 2的条件下分析内径比 m， 对缓冲效果的影响。分别得出对缓冲腔最大压力，活 塞末速度和优化 目标函数值的影响曲线 ，如图 7 - _ 9 所示 。 矗 2 5 3 ． 5 一 舶 3 雹 2 ． 5 越2 煅 1 ． 5 爨4 t“ 。 ． 1 O 图7 内径 比m。 对缓冲腔 图 8 内径比m 对活 最大压力的影响 塞末速度的影响 藜 2 图 9 内径比m 对优化函数值的影响 分析仿真结果可得 ，m 越大缓冲腔最大压力越 小，活塞末速度越大。而在 m。 0 ． 1 7 2时优化 目标函 数值达到最小 ，缓冲效果最优。m。 的值取在[ O ． 0 8 9 ， 0 ． 2 7 9 ] 之 间时可使优化 目标 函数值在 [ ， 4 z i ／ 3 ] 之间。所以，m 的较佳取值范围为[ 0 ． 0 8 9 ， 0 ． 2 7 9 ] 。 3 ． 4 长径 比 m， 对缓冲效果的影响 在 8 0 ． 0 0 1 m，m ， 0 ． 2 4的条件下分析长径比 m 对缓冲效果的影响。分别得出对缓冲腔最大压力、 活塞末速度 和优化 目标 函数值 的影 响 曲线 ，如 图 l O 一 1 2所示 。 o ． 5 1 1 ．S 2 2 。 S 3 3．5 4 4 ． 5 S 长径比J ， l 2 昌 越 瑙 怅 糊 螟 长径 比 2 图 1 O 长径比 m 对缓冲 图 1 1 长径比m 对活塞 腔最大压力的影响 末速度的影响 2 0 趔 l 8 凝 l 6 I茁 1 4 螈 l 2 r rr r 1 0 8 6 4 0 ． S 1 1 ． 5 2 2 ． S 3 3 ． 5 4 4 ． 5 5 长径比臃2 图 1 2 长径比m 对优化函数值的影响 分析仿真结果可得，m 越大活塞末速度越小。 缓冲腔最大压力随 m 的变化而变化，但不呈现单调 性。而在 m 1 ． 5 1 4时优化目标函数值达到最小，缓 冲效果最优。m 的值取在 [ 1 ． 3 2 5 ，2 ． 5 0 3 ]之间时 可使优化 目标函数值在 [ z ，4 z ／ 3 ]之间。所 以， m 的较佳取值范围为 [ 1 ． 3 2 5 ，2 ． 5 0 3 ] 。 4结论 液压油缸 圆柱形缓冲柱塞的结构参数 6 、m， 和 m 的确定是缓冲装置结构设计中的重要内容。仿真 结果表明，缓冲装置结构参数的取值对油缸活塞末速 度、缓冲腔最大压力变化有较大影响。在缓冲结构设 计中应根据实际工作情况合理确定各参数 的取值范 围，通过结构优化设计使液压油缸的缓冲效果达到较 佳 的状 态。 参考文献 【 1 】陆望龙． 液压系统使用与维修手册[ M] ． 北京 化学工业 出版社， 2 0 0 8 ． 1 ． 【 2 】 刘波． 液压缸缓冲结构和缓冲过程的研究[ D ] ． 浙江 浙 江大学， 2 0 0 4 ． 【 3 】黄永安， 李文成， 高小科． M a fl a b 7 ． O ／ S i m u l i n k 6 ． 0应用 实例仿真与高效算法开发[ M] ． 北京 清华大学出版社， 2 0 o 8 ． 6 ． 【 4 】张德丰． M A T L A B ／ S i m u l i n k 建模与仿真[ M] ． 北京 电子 工业出版社， 2 0 0 9 ． 6 ． 【 5 】 傅英定 ， 成孝予， 唐应辉． 最优化理论与方法[ M] ． 北京 国防工业出版社， 2 0 0 8 ． 6 ． 【 6 】 邓建中， 刘之行． 计算方法[ M] ． 西安 西安交通大学出 版社 。 2 0 0 1 ． 8 ．