渐变节流液压缓冲器特性分析与结构优化

2015年10月机床与液压Oct.2015第43卷第19期MACHINET00L2HYDRAULICSVol.43No.19DOI:10.3969/j.issn.1001-3881.2015.19.023渐变节流液压缓冲器特性分析与结构优化马星国2!吴琼2!尤小梅2!魏来生2!陈轶杰2(1.沈阳理工大学机械工程学院，辽宁沈阳110159;2.北京北方车辆集团有限公司，北京100072)摘要：为研究渐变节流液压缓冲器工作特性的影响因素，分析了其结构以及工作原理，基于流体力学以及运动学建立数学模型，利用MATLAB进行求解，得到了缓冲特性曲线；为达到更加理想的缓冲效果，利用遗传算法对缓冲器进行优化，以阻尼孔的半径与长度以及针形节流杆的最小半径作为优化变量，将理想缓冲效率与实际缓冲效率的差值设为目标函数。结果表明：优化后的缓冲器缓冲效率增加，最大缓冲力降低。关键词！液压缓冲器；MATLAB;遗传算法；特性曲线；结构优化中图分类号：TH137文献标志码：A文章编号！1001-3881(2015)19-100-5PerformanceAnalysisandStructuralOptimizationofGradualThrottlingHydraulicBufferMAXingguo1，WUQiong1，YOUXiaomei1，WEILaisheng2，CHENYijie2(1.SchoolofMechanicalEngineering，ShenyangLigongUniversity，ShenyangLiaoning110159,China;2.BeijingNorthVehicleGroupCorporation，Beijing100072，China)Abstract：Inordertostudytheinfluenccfactorsofworkingcharacteristicsofgradualthrottlinghydraulicbuffer，itsstructureandworkingprinciplewereanalyzed.Amathematicalmodelwasestablishedbasedonfluidmechanicsandkinematics，andcharacteristicscurveofthebufferwasobtainedaftersolvedbyMATLAB.Inordertoachievethebettercushioningeffect，thebufferwasoptimizedbygeneticalgorithm.Theradiusandlengthofdampingholeaswellastheminimumradiusofneedlethrottlebarweresetasoptimizationvariables，andthedifferencevaluebetweentheidealbufferefficiencyandtheactualbufferefficiencywassetasobjectivefunction.Theresultsshowthatthebufferefficiencyisincreasedandthemaximumbufferforceisreducedafteroptimization.Keywords：Hydraulicbuffer;MATLAB;Geneticalgorithm;Characteristicscurve;Structuraloptimizationn〇前言液压缓冲器依靠液压阻尼对作用在其上的物体进行缓冲，使物体减速至停止，并且将吸收的能量通过热能的形式散发掉。液压缓冲器在车辆、建筑等行业有着广泛的应用，将其应用于车辆悬挂系统中，具有很好的缓冲吸振作用，可以有效改善车辆悬挂系统的性能。目前缓冲器的研究主要方式是在建立数学翻后利用计算机进行仿真，数学模型的建立主要根据力平衡方程、流量连续性方程及节流处的流量方程，但流量方程建立方式存在不同。文献[1]所研究的液压缓冲器采用球面活塞，作者采用的流量计算方法是基于微积分翻，将节流缝隙视为无数个平行板间缝隙的累加，每个部分的流量根据平行板压差缝隙流方程计算，为将繁琐公式简明化、通用化，作者用fluent软件的计算结果对公式进行修正。文献[3]研究了4种不同型号的液压缓冲器，其中YSRW型液压缓冲器与文中所研究的缓冲器同样属于渐变节流式，工作原理比较接近，作者在建立流量方程时，把节流断面近似成同心圆环面，利用倾斜平板压差缝隙流方程简化了计算过程。文献[4]同样对YSRW型液压缓冲器进行了研究，作者在建立流量方程时，将节流缝隙简化成同心圆环缝隙，根据N-S方程，在圆柱坐标系下推导出流量方程。为优化数学模型，作者从实验获取液压缓冲器各种缓冲特性数据，应用神经网络，使数学模型仿真数据与液压缓冲器实验特性数据更加接近。为得到缓冲器相关特性数据，以MATLAB为仿真软件是目前比较普遍的做法，文献[3,6-7]均采用此方式，而为使缓冲器有更加优越的缓冲性能，优化的研究是非常有必要的。目前采用的方法主要有粒子群法与遗传算法，文献[6]利用粒子群法对缓冲器进行优化，使最大缓冲力大大降低并使吸收量和缓冲效率都提高了20%左右；文献[7]，则采用遗收稿日期！2014-07-25作者简介：马星国（1963—)，男，教授，博士，研究方向为机械设计及理论。E-mail:[e-mail]。第19期马星国等：渐变节流液压缓冲器特性分析与结构优化•101-传算法进行优化，使缓冲过程更加平稳，吸能效率更高，达到了优化目示。文中研究一种在工程上有较多应用的变节流式液压缓冲器，其节流孔的有效截面积随着缓冲行程的变化而变化。研究阻尼孔参数及针形节流杆的轴剖面轮廓等对缓冲器工作性能的影响是缓冲器设计的关键。论文利用MATLAB对所建立的数学方程求解，研究了不同因素对其工作特性的影响，为达到更好的缓冲效果，采用遗传算法对缓冲器进行了优化。1缓冲器结构及工作原理缓冲器剖面结构示意图如图1所示，当其左侧受到质量为L的冲击块冲击时，活塞杆向右侧运动，从而引起油腔I内的油液压强瞬间升高，高于油腔0压强，致使阻尼孔两侧油液产生压强差，油液向左侧运动，通过阻尼孔时产生阻尼作用和缓冲力，此时弹簧受力压缩，当活塞杆速度为零时，缓冲结束，弹簧复位，推动油液向右流动，在油液压力作用下，使活塞杆回到初始位置。图1液压缓冲器剖面结构示意图2缓冲过程的建模及仿真2.1前提假设⑴假设油液的体积弹性模量是常数，流体的质量影响忽略不计，油液通过阻尼孔的流动为层流运动。(2)由于活塞杆及其内部构件质量和远小于冲击块质量l，故忽略掉前者质量；并假设二者在撞击发生后以相同的初速度向右侧运动。⑶液压缓冲器中除弹簧外，其他构件均为刚体。(4)忽略缓冲器内部构件间的摩擦及冲击块与活塞杆碰撞所产生的能量损失。(5)缓冲器密封情况理想，无油液泄漏。2.2数学模型的建立及解析⑴缓冲活塞的力平衡方程活塞杆的受力情况如图2所示，相应的力平衡方程为dHL石=(1k02$^-(1+1l$Sl-(1+12$^3(1$式中：H为冲击速度；I、I分别为图1中油腔I'0初始压强；,1、,2分别为阻尼孔右侧与左侧面积;,3为油腔0的截面积；1、i分别为油腔I、0压强相对于初始压强的增加值；@为弹簧刚度；5为弹簧当前压缩量。流体在液压缓冲器的阻尼孔与针形节流杆之间的缝隙流过时会产生阻尼。阻尼孔部分的示意图如图3所示，节流面是由阻尼孔与针形杆形成的同心环形截面，根据文献[8]，流体通过阻尼孔的流量公式为：式中：（为阻尼孔周长；M为油液动力黏度；#为阻尼孔两端的压强差。⑶流量连续性方程根据运动流体的质量守恒定律，建立油腔I与油腔0内的流量连续性方程。寸间内：油腔I:;1Vh其中：A;jW#,i;;j(4i-K,i。将式⑵代入式（3$，经过整理，得出:(3$A/i=-^(V-—-)A：⑷1,1油腔0:;2MA:_A;2_.Apj0(5$VkA12,3其中：A;2=(rA:A-2),3;A-2=-；;2=(-2+Ky),3。•102-机床与液压第43卷将式（2)代入式（5)，经过整理，得出！1(QA1圣+-+丄+1,:侵-)A:(6)VhVh^Vh式中！；1、；2分别为油腔I、0当前的体积#A；'A；分别为油腔I、0体积的变化量#-1、-2分别为油腔I、0的初始长度；Ai、A1分别为油腔I、0的压强变化量；K为缓冲行程；Vh为体积弹性模量；A-2为弹簧长度变化量。综合以上分析，得到缓冲器缓冲过程的方程组如下：dkdvd^'d1=Vhd:-2—Kd1=dt,L17=(1+02$^_(1+01$Sl_(1+02$^K)1(f-)+2S—+—+—+---VhVh^Vh用MATLAB软件，采用龙格库塔算法解此微分方程组，求解流程如图4所示。图4龙格-库塔法解微分方程流程图2.3数学仿真结果设定冲击块的初始速度v0=2ms，冲击块质量l=600kg，油腔I、0初始压强iji2=1MPa，经过MATLAB仿真，得出行程k速度v与时间：以缓冲力B与行程K勺变化曲线，分别如图5—7所示。00.020.040.060.080.1u00.020.040.060.080.1时向/s时向/s图5行程-时间曲线图6速度-时间曲线缓冲开始时两侧油液压差为零，在缓冲器受到撞击瞬间，缓冲力急剧增大，如图7所示，由于随着行程的增大，针形杆半径逐渐增大，节流缝隙变小，所以缓冲力逐渐增大。缓冲力在缓冲前程一直保持比较均匀的升高值，在缓冲后程缓冲力达到最高值后急速下降。缓冲器针形节流杆的轴剖面轮廓如图8所示，节流杆半径是行程的幂函数。节流杆最小半径及半径随行程的变化规律对缓冲器性能具有重要影响。图8针形节流杆轮廓曲线2.4主要仿真参数对系统的影响分析为分析仿真参数对缓冲器系统的影响，从最大缓冲力、缓冲行程和缓冲器容量等方面入手。缓冲器容量是缓冲器性能评价的重要指标之一，是指缓冲器在缓冲过程中吸收的冲击能量C的大小，即缓冲力B在缓冲过程所做的功。以下具体分析一些仿真参数对系统的影响。⑴冲击工况的影响冲击块初速度V。和冲击块质量L对缓冲特性的影响分别如图9和图10所示。s/_d第19期马星国等：渐变节流液压缓冲器特性分析与结构优化•103-6〇L0.020.040.060.080.1行程/m图12阻尼孔长度对缓冲特性的影响图13阻尼孔半径对缓冲特性的影响0.020.040.060.080.10.12行程/m图1。冲击块质量对缓冲特性的影响缓冲器在缓冲过程中吸收的能量的表达式为V=C=j腳0&由图9、10可以看出，当其他条件一定时，冲击块质量与速度的增加都会引起缓冲力峰值与缓冲行程的增加，缓冲器的容量变大。⑵油液特性的影响油液的体积弹性模量V对缓冲特性的影响如图11所示。图11体积弹性模量对缓冲特性的影响由图可知，油液体积弹性模量的值越大，油液的可压缩性越低，刚性越大，缓冲器受到撞击瞬间的加速度就越大。还可以从中看出，体积弹性模量越大，缓冲力峰值越小，但缓冲特性曲线形状并无明显变化，由此可见，油液体积弹性模量对缓冲特性并无太大影响。⑶结构特性的影响阻尼孔长度？、半径r和针形节流杆最小半径rmm对缓冲特性的影响分别如图12-14所示。图14针形节流杆最小半径对缓冲特性的影响由图12与图14可以看出，其他条件一定时，阻尼孔长度与针形节流杆最小半径的改变对初始状态造成较明显影响，但曲线形状变化并不是很明显，而且它们都与缓冲力峰值成正比，与行程成反比；要想达到较平缓的缓冲效果，可以适当加大阻尼孔长度或最小针形杆直径，但会造成行程增加。由图13可以看出，在其他条件一定的情况下，阻尼孔半径对缓冲特性的影响较大，即使在孔径改变很小的情况下，特性曲线依然会产生较大的变化。孔径与缓冲力峰值成反比，与缓冲行程成正比，半径越大，缓冲就越平稳，但必须同时考虑到最大行程的限制。3缓冲器的结构优化3.1优化模型缓冲效率是指实际吸收能量与理想