全液压制动系统充液阀性能仿真与结构优化研究.pdf

第 1期 2 0 1 5年 1月 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 4 3 全液压制动 系统充液阀性能仿真与结构优化研 究 张振东， 石楠楠， 姜文平， 胡波 上海理工大学 机械工程学院， 上海 2 0 0 0 9 3 摘要 充液阀作为全液压制动 系统 中的关键部件 ， 其 充液速度 、 充液压 力等特性对整个系统的性 能有直接 的影响 ， 为了 系统研究结构参数对充液阀工作特性的影响， 借助AM E S i m软件平台建立了全液压制动系统的仿真模型， 并利用所搭建 的全液压制动系统试验台， 验证了仿真模型的有效性。在此基础上， 分析了充液阀不同结构参数对充液特性的影响规律， 结果表明， 主阀弹簧刚度和阀芯节流孔径的改变会影响充液响应时间； 控制阀的阀套夹角、 钢球直径及调压弹簧刚度是 决定充液压力上、 下限的暮键参数。依据上述结果， 利用遗传算法对充液阀的主要结构参数进行了优化， 结果表明， 优化 后的充液时间由2 ． 8 s 缩短至 2 ． 0 s ， 充液响应特性得到较大改善。 关键词 全液压制动系统； 充液阀； A ME S i m仿真； 优化设计 ； 遗传算法 中图分类 号 T H 1 6 ； T H1 3 7 ． 5 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 5 0 l 一 0 0 4 3 0 5 Pe r f o r ma n c e s Si mu l a t i o n a n d S t r u c t u r e Op t i m i z a t i o n o f t h e Ch a r g i n g Va l v e i n F u l l y Hy d r a u l i c Br a k i n g Sy s t e m Z HANG Z h e n d o n g ，S HI Na n n a n， J I ANG We n p i n g ，HU B o S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， U n i v e r s i t y o f S h a n g h a i f o r S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 3 ， C h i n a Ab s t r a c t C h a r g i n g v a l v e i s o n e o ft h e k e y c o m p o n e n t s i n t h e h y d r a u l i c b r a k i n g s t e m， w h o s e c h a r gin g r a t e a n d c h argin g p r e s s u r e h a v e a d i r e c t i n flu e n c e o n t h e s t e m p e ff o r m a n c e ． I n o r d e r t o a n a l y z e t h e w o r k i n g p e ff o r manc e o ft h e c h a r gin g v a l v e ． a s i m u l ati o n m o d e l oft h e b r aki n g s y s t e m ∞s e t u p b y u s i n g A M E S i m S O j w are ． T h e e ffe c t i v e n e s s oft h e m o d e l w a s v ali d at e d b y t h e t e s t d at a ofh y d r a u l i c b r a k i n g s t e m ． B a s e d o n t h e m o d e l ， t h e i n flu e n c e s oft h e ma i n v al v e s p r i n g r at e ， t h e d i a me t e r ofm a i n v alv e s p o o l o r ific e ， t h e a n g l e ofc o n t r o l v al v e s l e e v e ， t h e d i a m e t e r o fc o n t r o l v a l v e b a l l a n d t h e r at e o fc o n t r o l p r e s s u r e a d j ust i n g s p r i n g o n c h arg i n g c h a r a c t e r i s t i c s w e r e anal y z e d ． The r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e s t if f n e s s of m a i n v al v e s p r i n g a n d t h e d i a me t e r ofs p o o l o r ific e f o r m ain v a l v e m a i n l y i n flu e n c e t h e c h argin g r e s p o n s e c h a r act e r is t i c ，a n d t h e a n g l e of c o n t r o l v alv e s l e e v e ． k d i a m e t e r of c o n t r o l v a l v e b a l l a n d t h e s t if f nes s o f c o n t r o l v al v e p r e s s u r e adj u s t i n g s p r i n g h ave a d o mi n a n t i n fl u e n c e o n t h e c h argin g p r e s s u r e l i mi t ．B y use of g e n e t i c al g o r i t h m，t h e s t r u c t u r e p ara m e t e r s of t h e c h arg i n g v al v e w e r e o p t i miz e d ．C o m p are d w i t h t h e f o r me r ，t h e c h a r gi n g t i m e W H r e d u c e d f r o m 2 ． 8 s t o 2 ． 0 s a n d t h e c h arg i n g r e ho use c h ara c t e r i s t i c s w e r e e ff e c t i v e l y p r o mo t e d ． K e y Wo r d s F u l l y Hy d r a u l i c B r a k i n g S y s t e m； Ch a r n g V a l v e ； A ME S i mS i mu l a t i o n ； Op t i mi z a t i o n De s i g n ； Ge n e t i c AI - g or i t hm 1 引言 全液压制动系统与目前国内普遍采用的气液式制动系统相 比具有更突出的制动压力输出性能及更高的制动安全J生[1 j。 目前， 国内外对于液压制动系统的研究主要包括对电液制动系统控制 策略的研究 ； 借助数学方法对液压系统进行故障诊断及可靠性 的评估 ； 利用数学算法和仿真软件， 对液压系统中的相关电磁阀 或蓄能器进行分析和优化 ；以及对全液压制动系统的工作特 性、 动态特『生等进行分析 。 与全液压制动系统的整体l生能研究 相比， 从充液阀的结构人手， 对其工作机理以及不同参数对工作 性能的影响规律 ， 开展深入细致的研究工作。以 A ME S i m软件平 台为基础， 针对某款全液压双回路制动系统的充液阀建立了仿真 模型， 并利用所建立的全液压制动系统试验台对仿真结果进行了 验证，并分析了不同充液阀结构参数对其充液特性的影响规律， 在此基础上， 利用遗传算法对充液阀结构参数进行了优化， 所开 展的研究工作对于推动充液阀的国产化开发具有一定的借鉴意 义。 2充液阀的结构及工作原理 充液阀主要由主阀、 单向阀组件、 控制阀及梭阀等组成， 如 来稿 日期 2 0 1 4 0 7 0 4 基金项 目 上海市科技兴农重点攻关项 目[ 沪农科攻字 2 0 1 2 第 5 _ 4号 ] 作者简介 张振东 ， 1 9 6 8 一 ， 男 ， 上海人 ， 博士 ， 教授 ， 博士生导师 ， 主要研究方 向 汽车发动机燃烧与排放控制 、 汽车系统仿真和控制技术等 ； 石楠楠， 1 9 9 0 一 ， 女， 河南人， 研究生， 主要研究方向 汽车系统仿真与控制技术， 全液压制动系统开发与设计 机 械 设 计与 制造 No ． 1 J a n ． 2 0 1 5 持不变的情况下， 作用在钢球的单位面积下的压力减小， 因此左 右钢球开启的压力减小 ， 充液压力上、 下限也相应减小。 4 ． 5控制阀调压弹簧刚度 控制阀调压弹簧刚度对充液阀充液特性的影响， 如图 1 O所 示。 随着调压弹簧刚度的增加， 控制阀左端的预紧力增大， 左右钢 球开启的压力也相应增加， 因此充液压力上下限增加。 l 5． 5 1 5． O 1 4． 5 1 4． 0 1 3 ．5 皇1 3 ．o R 1 2 ．5 出 1 2 ．0 l1 ． 5 11 ． 0 1 O． 5 1 0 ． 0 调压弹簧刚度 K , N ／ m m 图 1 0控制阀调压弹簧对充液压力上下限的影响 F 培1 0 I n fl u e n c e o f C o n t r o l V a l v e P r e s s u r e Ad j u s t i n g S p rin g S t i f f n e s s 0 n Ch a r g i n g P r e s s u r e L i mi t 通过对充液阀相关结构的变参数仿真分析， 可以发现， 主阀 的结构对充液阀的充液时间有较大的影响， 而控制阀的结构对充 液阀的充液压力上、 下限起关键性的作用。由于主阀与控制阀两 者的结构参数共同决定了充液阀的性能特性， 因此 ， 有必要对充 液阀的关键参数进行优化研究。 5结构参数优化 遗传算法 t 怍为一种有效的自适应全局搜索方法 ， 目前已 在组合优化、 机器学习等方面得到较多应用， 并取得了较理想的 优化效果。利用 A ME S i m软件中提供的遗传算法优化模块， 对充 液阀的关键结构参数进行了优化。 优化过程中， 选择充液时间 t 作为优化 目标， 以充液阀主要 结构参数作为优化参数 ， 构建了式 3 所示的优化目 标函数 ㈦ 【 f l ， 2 ， 3 ， 4 ， 5 ， 6 ， 7 ， 8 】 ‘ 根据变参数仿真结果， 确定主阀弹簧刚度 、 主阀阀芯节流 孔直径 d 、 控制阀两端阀套夹角 及口 、 控制阀钢球直径 D、 控制 阀调压弹簧刚度 、 充液压力上限 及充液压力下限 ， 共 8 个 参数作为优化参数， 如表 1 所示。 表 1优化参数及其约束条件 T a b ． 1 Op t i mi z e dP a r a me t e r s a n d Co n s t r a i n t Con d i t io n 依据目标函数， 确定遗传算法的种群规模 N I O 0 、 复制概率 0 ． 5 ， 交叉概率 0 ． 5 ， 变异概率 P m -- 0 ． 1 ， 在此基础上， 对结构参 数进行了优化， 结果如图 1 1 、 表 2 所示。 0 2 4 6 8 1 O 时间 t s 图 1 1优化前后充液阀充液特性对比 F i g ． 1 1 Op t i mi z a t i o n Be f o r e a nd Af t e r 0 n Ch a r g i n g Pe rfo r ma n c e of Ch arg i n g Va l v e 表 2优化前后充液阀参数对 比 Ta b ．2 Op t i mi z a t ion B e f or e a n d A f t e r o n P a r a me t e r s o f Ch a r g i n g Valv e S t r u c t u r e 由图 1 1 和表 2可见， 优化后的充液压力上、 下限变化不大， 充液阀的动态响应速度得到较大提高，充液时间缩短了0 ．8 s ， 充 液性能得到显著改善。 6结论 1 利用 A ME s i m软件平台建立了全液压制动系统仿真模 型， 并通过实验验证了模型的有效性。 2 通过变参数仿真， 分析了影响系统充液时间和充液压力 上、 下限的关键结构参数 ， 为开展结构优化奠定了基础。 3 利用遗传算法对充液阀的关键结构参数进行了优化， 优 化后充液时问缩短了 0 ． 8 s ， 充液响应特性得到较大提高。 参考文献 [ 1 ] 刘海丽． 基于 A M E S i m的液压系统建模与仿真技术研究[ D ] ． 西安 西 安工业大学 ， 2 0 0 6 ． L i u H a i l i ．Hy d r a u l i c s y s t e m m o d e l i n g a n d s i mu l a t i o n b a s e d o n A ME S i m [ Dj ．Xi ’ a n N o r t h w e s t e r P o l y t e c h n i c alU n i v e r s i t y ， 2 0 0 6 ． [ 2 ] 周之光 ， 张桂香 ， C h u n t i n g M．基于带切换增益模糊调节 的滑模控制算 法的车辆电液制动系统[ J ] ． 汽车工程， 2 0 1 0 ， 3 2 3 2 2 8 2 3 3 ． Z h o u Z h i g u a n g ， Z h a n g G u i x i a n g ， C h u n t i n g M． V e h i c l e E H B s y s t e m ba s e d O n s l i d i n g mo de c o n t r o l alg o r i t h m wi t h s wi t c h g a i n f u z z y mo d u l a t i o n [ J J ． A u t o m o t i v e E n g i n e e ri n g ， 2 0 1 0 ， 3 2 3 2 2 8 - 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n c e o n Ro b o t i c s Au t o ma t i o n， 2 0 0 3 1 4 9 7 1 5 0 2 ． [ 5 ] 苏高利， 邓芳萍． 论基于M A T L A B 语言的B P 神经网络的改进算法[ J I _ 科技通报， 2 0 0 3 ， 1 9 2 1 3 0 1 3 5 ． S uGa 0 _ l i 。 De n gF a ng - p i n g, Ont h ei mp r o v i n g b a c k p r o p a g a t i o na l g o rit h ms o f t h e n e u r al n e t w o r k s b a s e d o n ma t l a b l a n g u a g e A R e v i e w[ J ] ．B u l l e t i n o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o gy， 2 0 0 3 ， 1 9 2 1 3 0 - 1 3 5 ． [ 6 ]F ．H．Y ．C h a n ， Y． - S ．Y a n g ， F ．K ．L a m， Y- T Z h a n g ， a n d P ． A ．P a r k e r ， F u z z y E MG c l a s s i f i c a t i o n f o p r o s t h e s i s c o n t r o l l J ] ．I E E E T r a n s a c t i o n o n R e h a b i l i t a t i o n E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 0 ， 3 8 3 0 5 3 1 1 ． 1 7 ] O s k o e i M， HuH， S u p p o rt v e c t o r ma c h i n e b a s e d c l a s s i fi c a t i o n s c h e me for m y o e l e c t r i e c o n t r o l a p p l i e d t o u p p e r l i mb [ J ] ／ E EET r a n s a c t i o n s o nB i o m- e d i c al E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 8 ， 5 5 8 1 9 5 6 - 1 9 6 5 ． 【 8 ] Ra b i n e r L ．A t u t o ri a l o n h i d d e n Ma r k o v m o d e l s a n d s e l e c t e d a p p l i c a t i o n s i n s p e e c h r e c o g n i t i o n [ J ] ． P r o c e e d i n g s o f t h e I E E E ， 1 9 8 9 ， 7 7 2 2 5 7 _ 2 8 6 ． [ 9 ] 孟 明， 佘青山， 罗志增．H M M在下肢表面肌电信号步态识别中的应用 [ J ] ． 华 中科技大学学报 自然科学版 ， 2 0 1 1 ， 3 9 2 1 7 6 1 7 9 ． Me n g Mi n g ， S h e Q i n g - s h a n ， L u o Z h i z e n g ． The a p p l i c a t i o n o f HMM i n g a i t r e c o g n i t i o n u s i n g l o w e r l i mb S E MG[ J J J o u ma l o f Hu a z h o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o gy N a t u r e S c i e n c e ， 2 0 1 1 ， 3 9 2 1 7 6 - 1 7 9 ． [ 1 0 ] 彭启琮 ， 邵怀宗 ， 李明奇．信号分析 [ M] ． 北京 电子工业出版社 ， 2 0 0 6 ． P e n g Q i - z o n g ， S h a o H u a i - z o n g ， L i M i n g - q i ．S i gual a n a l y s i s [ M ] e i n g E l e c t r o n i c s I n d u s t ry P r e s s ， 2 0 0 6 ． [ 1 1 ] 谢锦辉． 隐Ma r k o v 模型 H M M 及其在语言处理中的应用[ M] ． 武汉 华中科技大学出版社， 1 9 9 5 ． X i e J i n - h u i ．Hi d d e nMa r k o v m o d e l HMM a n d i t s a p p l i c a t i o n i n s p e e c h p r o c e s s i n g l M J ．Wu h a n Hu a z h o n g u n i v e r s i t y o f s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y p r e s s ， 1 9 9 5 ． [ 1 2 ] 陆汝华．基于 H MM轴承故障音频诊断方法研究[ D j _长沙 中南大学， 2 0 0 7 5 ． L u Ru h u a ． B a s e d o n t h e HMM a u d i o b e a r i n g f a u l t d i a g n o s i s me t h o d l D] ．C h a n g s h a C e n t r alS o u t hU n i v e r s i t y ， 2 0 0 7 5 ． [ 1 3 ] 何庆华， 吴宝明， 彭承琳．表面肌电信号的分析与应用[ J ] _ 中国组织工 程研究与临床康复 ， 2 0 0 0 ， 2 3 5 2 9 9 3 0 3 ． H e Qi n g - h u a ， Wu B a o - mi n g ， P e n g C h e n g - l i n ．T h e d e t e c t i o n a n a l y s i s m e t h o d o f s u rf a c e E M G s i g n al a n d i t s a p p l i c a t i o n l J ] 3 o u r n a l o f C l i n i c al R e h a b i l i t a t i v e T i s s u e E n g i n e e ri n g R e s e a r c h ， 2 0 0 0， 2 3 5 2 9 9 - 3 0 3 ． [ 1 4 ] 黄德双神经网络模式识别系统理沦[ M] 京 电子工业出版社， 1 9 9 6 ． H a n g D e s h u a n g ．T h e o ry o