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        漸變節(jié)流液壓緩沖器特性分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

        2015-11-26 09:28:24馬星國(guó)吳瓊尤小梅魏來(lái)生陳軼杰
        機(jī)床與液壓 2015年19期
        關(guān)鍵詞:油腔緩沖器節(jié)流

        馬星國(guó),吳瓊,尤小梅,魏來(lái)生,陳軼杰

        (1.沈陽(yáng)理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,遼寧沈陽(yáng)110159;2.北京北方車輛集團(tuán)有限公司,北京100072)

        0 前言

        液壓緩沖器依靠液壓阻尼對(duì)作用在其上的物體進(jìn)行緩沖,使物體減速至停止,并且將吸收的能量通過(guò)熱能的形式散發(fā)掉。液壓緩沖器在車輛、建筑等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用,將其應(yīng)用于車輛懸掛系統(tǒng)中,具有很好的緩沖吸振作用,可以有效改善車輛懸掛系統(tǒng)的性能。

        目前緩沖器的研究主要方式是在建立數(shù)學(xué)模型后利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真,數(shù)學(xué)模型的建立主要根據(jù)力平衡方程、流量連續(xù)性方程及節(jié)流處的流量方程,但流量方程建立方式存在不同。

        文獻(xiàn)[1]所研究的液壓緩沖器采用球面活塞,作者采用的流量計(jì)算方法是基于微積分原理,將節(jié)流縫隙視為無(wú)數(shù)個(gè)平行板間縫隙的累加,每個(gè)部分的流量根據(jù)平行板壓差縫隙流方程計(jì)算,為將繁瑣公式簡(jiǎn)明化、通用化,作者用FLUENT軟件的計(jì)算結(jié)果對(duì)公式進(jìn)行修正。

        文獻(xiàn)[3]研究了4種不同型號(hào)的液壓緩沖器,其中YSRW型液壓緩沖器與文中所研究的緩沖器同樣屬于漸變節(jié)流式,工作原理比較接近,作者在建立流量方程時(shí),把節(jié)流斷面近似成同心圓環(huán)面,利用傾斜平板壓差縫隙流方程簡(jiǎn)化了計(jì)算過(guò)程。

        文獻(xiàn)[4]同樣對(duì)YSRW型液壓緩沖器進(jìn)行了研究,作者在建立流量方程時(shí),將節(jié)流縫隙簡(jiǎn)化成同心圓環(huán)縫隙,根據(jù)N-S方程,在圓柱坐標(biāo)系下推導(dǎo)出流量方程。為優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,作者從實(shí)驗(yàn)獲取液壓緩沖器各種緩沖特性數(shù)據(jù),應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),使數(shù)學(xué)模型仿真數(shù)據(jù)與液壓緩沖器實(shí)驗(yàn)特性數(shù)據(jù)更加接近。

        為得到緩沖器相關(guān)特性數(shù)據(jù),以MATLAB為仿真軟件是目前比較普遍的做法,文獻(xiàn) [3,6-7]均采用此方式,而為使緩沖器有更加優(yōu)越的緩沖性能,優(yōu)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與遺傳算法,文獻(xiàn) [6]利用粒子群法對(duì)緩沖器進(jìn)行優(yōu)化,使最大緩沖力大大降低并使吸收量和緩沖效率都提高了20%左右;文獻(xiàn) [7],則采用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化,使緩沖過(guò)程更加平穩(wěn),吸能效率更高,達(dá)到了優(yōu)化目標(biāo)。

        文中研究一種在工程上有較多應(yīng)用的變節(jié)流式液壓緩沖器,其節(jié)流孔的有效截面積隨著緩沖行程的變化而變化。研究阻尼孔參數(shù)及針形節(jié)流桿的軸剖面輪廓等對(duì)緩沖器工作性能的影響是緩沖器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。論文利用MATLAB對(duì)所建立的數(shù)學(xué)方程求解,研究了不同因素對(duì)其工作特性的影響,為達(dá)到更好的緩沖效果,采用遺傳算法對(duì)緩沖器進(jìn)行了優(yōu)化。

        1 緩沖器結(jié)構(gòu)及工作原理

        緩沖器剖面結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,當(dāng)其左側(cè)受到質(zhì)量為m的沖擊塊沖擊時(shí),活塞桿向右側(cè)運(yùn)動(dòng),從而引起油腔Ⅰ內(nèi)的油液壓強(qiáng)瞬間升高,高于油腔Ⅱ壓強(qiáng),致使阻尼孔兩側(cè)油液產(chǎn)生壓強(qiáng)差,油液向左側(cè)運(yùn)動(dòng),通過(guò)阻尼孔時(shí)產(chǎn)生阻尼作用和緩沖力,此時(shí)彈簧受力壓縮,當(dāng)活塞桿速度為零時(shí),緩沖結(jié)束,彈簧復(fù)位,推動(dòng)油液向右流動(dòng),在油液壓力作用下,使活塞桿回到初始位置。

        圖1 液壓緩沖器剖面結(jié)構(gòu)示意圖

        2 緩沖過(guò)程的建模及仿真

        2.1 前提假設(shè)

        (1)假設(shè)油液的體積彈性模量是常數(shù),流體的質(zhì)量影響忽略不計(jì),油液通過(guò)阻尼孔的流動(dòng)為層流運(yùn)動(dòng)。

        (2)由于活塞桿及其內(nèi)部構(gòu)件質(zhì)量和遠(yuǎn)小于沖擊塊質(zhì)量m,故忽略掉前者質(zhì)量;并假設(shè)二者在撞擊發(fā)生后以相同的初速度向右側(cè)運(yùn)動(dòng)。

        (3)液壓緩沖器中除彈簧外,其他構(gòu)件均為剛體。

        (4)忽略緩沖器內(nèi)部構(gòu)件間的摩擦及沖擊塊與活塞桿碰撞所產(chǎn)生的能量損失。

        (5)緩沖器密封情況理想,無(wú)油液泄漏。

        2.2 數(shù)學(xué)模型的建立及解析

        (1)緩沖活塞的力平衡方程

        活塞桿的受力情況如圖2所示,相應(yīng)的力平衡方程為

        式中:v為沖擊速度;p01、p02分別為圖1中油腔Ⅰ、Ⅱ初始?jí)簭?qiáng);S1、S2分別為阻尼孔右側(cè)與左側(cè)面積;S3為油腔Ⅱ的截面積;p1、p2分別為油腔Ⅰ、Ⅱ壓強(qiáng)相對(duì)于初始?jí)簭?qiáng)的增加值;k為彈簧剛度;y為彈簧當(dāng)前壓縮量。

        圖2 活塞桿受力圖

        (2)流量方程

        流體在液壓緩沖器的阻尼孔與針形節(jié)流桿之間的縫隙流過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生阻尼。阻尼孔部分的示意圖如圖3所示,節(jié)流面是由阻尼孔與針形桿形成的同心環(huán)形截面,根據(jù)文獻(xiàn) [8],流體通過(guò)阻尼孔的流量公式為:

        式中:b為阻尼孔周長(zhǎng);μ為油液動(dòng)力黏度;Δp為阻尼孔兩端的壓強(qiáng)差。

        圖3 阻尼孔部分的示意圖

        (3)流量連續(xù)性方程

        根據(jù)運(yùn)動(dòng)流體的質(zhì)量守恒定律,建立油腔Ⅰ與油腔Ⅱ內(nèi)的流量連續(xù)性方程。

        Δt時(shí)間內(nèi):

        油腔Ⅰ:

        其中:ΔV1=vΔtS1;V1=(x1-s)S1。

        將式 (2)代入式 (3),經(jīng)過(guò)整理,得出:

        油腔Ⅱ:

        將式 (2)代入式 (5),經(jīng)過(guò)整理,得出:

        式中:V1、V2分別為油腔Ⅰ、Ⅱ當(dāng)前的體積;ΔV1、ΔV2分別為油腔Ⅰ、Ⅱ體積的變化量;x1、x2分別為油腔Ⅰ、Ⅱ的初始長(zhǎng)度;Δp1、Δp2分別為油腔Ⅰ、Ⅱ的壓強(qiáng)變化量;s為緩沖行程;Eh為體積彈性模量;Δx2為彈簧長(zhǎng)度變化量。

        綜合以上分析,得到緩沖器緩沖過(guò)程的方程組如下:

        用MATLAB軟件,采用龍格庫(kù)塔算法解此微分方程組,求解流程如圖4所示。

        圖4 龍格-庫(kù)塔法解微分方程流程圖

        2.3 數(shù)學(xué)仿真結(jié)果

        設(shè)定沖擊塊的初始速度v0=2 m/s,沖擊塊質(zhì)量m=600 kg,油腔Ⅰ、Ⅱ初始?jí)簭?qiáng) p01=p02=1 MPa,經(jīng)過(guò)MATLAB仿真,得出行程s、速度v與時(shí)間t以及緩沖力F與行程s的變化曲線,分別如圖5—7所示。

        圖5 行程-時(shí)間曲線

        圖6 速度-時(shí)間曲線

        圖7 緩沖力-行程曲線

        緩沖開(kāi)始時(shí)兩側(cè)油液壓差為零,在緩沖器受到撞擊瞬間,緩沖力急劇增大,如圖7所示,由于隨著行程的增大,針形桿半徑逐漸增大,節(jié)流縫隙變小,所以緩沖力逐漸增大。緩沖力在緩沖前程一直保持比較均勻的升高值,在緩沖后程緩沖力達(dá)到最高值后急速下降。

        緩沖器針形節(jié)流桿的軸剖面輪廓如圖8所示,節(jié)流桿半徑是行程的冪函數(shù)。節(jié)流桿最小半徑及半徑隨行程的變化規(guī)律對(duì)緩沖器性能具有重要影響。

        圖8 針形節(jié)流桿輪廓曲線

        2.4 主要仿真參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響分析

        為分析仿真參數(shù)對(duì)緩沖器系統(tǒng)的影響,從最大緩沖力、緩沖行程和緩沖器容量等方面入手。緩沖器容量是緩沖器性能評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)之一,是指緩沖器在緩沖過(guò)程中吸收的沖擊能量W的大小,即緩沖力F在緩沖過(guò)程所做的功。以下具體分析一些仿真參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響。

        (1)沖擊工況的影響

        沖擊塊初速度v0和沖擊塊質(zhì)量m對(duì)緩沖特性的影響分別如圖9和圖10所示。

        圖9 沖擊塊初速度對(duì)緩沖特性的影響

        圖10 沖擊塊質(zhì)量對(duì)緩沖特性的影響

        (2)油液特性的影響

        油液的體積彈性模量Eh對(duì)緩沖特性的影響如圖11所示。

        圖11 體積彈性模量對(duì)緩沖特性的影響

        由圖可知,油液體積彈性模量的值越大,油液的可壓縮性越低,剛性越大,緩沖器受到撞擊瞬間的加速度就越大。還可以從中看出,體積彈性模量越大,緩沖力峰值越小,但緩沖特性曲線形狀并無(wú)明顯變化,由此可見(jiàn),油液體積彈性模量對(duì)緩沖特性并無(wú)太大影響。

        (3)結(jié)構(gòu)特性的影響

        阻尼孔長(zhǎng)度l、半徑r和針形節(jié)流桿最小半徑rmin對(duì)緩沖特性的影響分別如圖12—14所示。

        圖12 阻尼孔長(zhǎng)度對(duì)緩沖特性的影響

        圖13 阻尼孔半徑對(duì)緩沖特性的影響

        圖14 針形節(jié)流桿最小半徑對(duì)緩沖特性的影響

        由圖12與圖14可以看出,其他條件一定時(shí),阻尼孔長(zhǎng)度與針形節(jié)流桿最小半徑的改變對(duì)初始狀態(tài)造成較明顯影響,但曲線形狀變化并不是很明顯,而且它們都與緩沖力峰值成正比,與行程成反比;要想達(dá)到較平緩的緩沖效果,可以適當(dāng)加大阻尼孔長(zhǎng)度或最小針形桿直徑,但會(huì)造成行程增加。

        由圖13可以看出,在其他條件一定的情況下,阻尼孔半徑對(duì)緩沖特性的影響較大,即使在孔徑改變很小的情況下,特性曲線依然會(huì)產(chǎn)生較大的變化??讖脚c緩沖力峰值成反比,與緩沖行程成正比,半徑越大,緩沖就越平穩(wěn),但必須同時(shí)考慮到最大行程的限制。

        3 緩沖器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

        3.1 優(yōu)化模型

        緩沖效率是指實(shí)際吸收能量與理想情況下吸收能量的比值。緩沖效率越大,說(shuō)明緩沖的效果越好,可以吸收的能量越多。結(jié)合文中的變量,液壓緩沖器效

        其中:F(i)、s(i)為調(diào)用龍格-庫(kù)塔求解器解微分方程組得到的一系列緩沖力與行程的數(shù)值解;Fmax、smax為最大緩沖力以及最大緩沖行程。

        文中采用英國(guó)Sheffield大學(xué)開(kāi)發(fā)的遺傳算法工具箱函數(shù),以阻尼孔的半徑r與長(zhǎng)度l以及節(jié)流針形桿的最小半徑rmin(即圖8中的b)作為優(yōu)化變量。變量的變化范圍如表1所示。

        表1 優(yōu)化變量及其變化范圍

        理想狀態(tài)下,緩沖效率為1,結(jié)合遺傳算法的要求,將目標(biāo)函數(shù)Obj設(shè)為理想緩沖效率與實(shí)際緩沖效率的差值,通過(guò)優(yōu)化使其達(dá)到最小值,其表達(dá)式為:Obj=1-

        在m=600 kg,v0=2 m/s的情況下,對(duì)液壓緩沖器進(jìn)行優(yōu)化。文中選擇二進(jìn)制編碼,種群中個(gè)體數(shù)目NIND=200,使用代溝GGAP=0.95,最大遺傳代數(shù)MAXGEN=25。圖15為采用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化的流程圖。

        圖15 遺傳算法優(yōu)化流程圖

        3.2 優(yōu)化過(guò)程與結(jié)果

        每代最優(yōu)值所對(duì)應(yīng)的緩沖效率如圖16所示,種群最優(yōu)值在21代后趨于穩(wěn)定,算法收斂,得到最優(yōu)值,優(yōu)化結(jié)構(gòu)變化如表2所示,表3說(shuō)明了優(yōu)化前后主要特性的變化,優(yōu)化前后的特性曲線對(duì)比如圖17所示。

        圖16 每代最優(yōu)值對(duì)應(yīng)的緩沖效率曲線

        表2 結(jié)構(gòu)變化

        表3 特性變化

        圖17 優(yōu)化前后對(duì)比圖

        優(yōu)化后的特性曲線變化更加平緩,緩沖效率提高了1.8個(gè)百分點(diǎn),緩沖力峰值降低了1.3 kN,緩沖容量提高了0.02 kJ,達(dá)到了優(yōu)化的目的。

        4 結(jié)論

        (1)當(dāng)沖擊塊的質(zhì)量與初速度增大時(shí),緩沖行程與緩沖力峰值會(huì)增大,緩沖器的容量隨之增加,吸收的沖擊能量增加。

        (2)油液的體積彈性模量對(duì)緩沖特性的影響不大,它的增大會(huì)導(dǎo)致緩沖力峰值略有減小。

        (3)緩沖特性與阻尼孔的半徑、長(zhǎng)度以及節(jié)流針形桿的最小半徑有關(guān),尤其對(duì)阻尼孔半徑以及針形節(jié)流桿最小半徑的變化比較敏感。通過(guò)優(yōu)化,可平衡3個(gè)變量的取值,達(dá)到更好的緩沖效果。

        [1]張宇,李曉雷.采用球面活塞的液壓緩沖器特性研究[J].液壓氣動(dòng)與密封,2003(3):5-7.

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