基于遺傳算法的旋塞閥液壓缸緩沖優化研究

， ， 　， (華中科技大學 機械科學與工程學院， 湖北 武漢　430074)

引言

電液操縱旋塞閥是蓄電池室的重要組成部分，可用于改變蓄電池室水冷管路中蒸餾水的流向。旋塞閥通過液壓缸兩端液壓油推動缸內活塞齒條運動，帶動四通塞芯上端的齒輪軸旋轉，從而實現旋塞閥兩個流向的轉換。原旋塞閥方案在塞芯換向過程中液壓缸活塞緩沖不充分，撞擊噪聲較大，對環境舒適性有很大影響。Simulink可對液壓缸活塞運動學方程進行求解，得到活塞在緩沖過程中的運動學狀態[1]。遺傳算法運用生物進化的理念，對活塞緩沖的結構進行全局優化概率搜索，最終得到適應該工況且噪聲低的緩沖結構。

1　旋塞閥液壓驅動原理

液壓缸活塞的緩沖方式采用在液壓缸內部設計節流緩沖結構來實現緩沖，工作中，當活塞運動到節流孔中時，在活塞與節流孔之間形成環形間隙，排油腔內的液壓油只能從環形間隙中流出，由于節流阻尼的作用，在排油腔內形成局部高壓流體，活塞運動動能轉換成油液壓力勢能從而迫使活塞減速達到緩沖的目的。緩沖原理圖如圖1所示，當該腔作為排油腔時，油液從節流縫隙中流出；而當該腔作為入油腔時，油液主要從單向閥中流過。

在活塞的運動過程中， 由于緩沖活塞和節流孔之間的距離不同從而造成的環形間隙不同，活塞緩沖根據不同的環形間隙得到不同的緩沖運動方程，將緩沖過程中的節流方式分為銳緣節流和縫隙節流[2]。緩沖節流過程如圖2所示。

圖1　緩沖原理圖

圖2　緩沖節流過程

針對液壓缸活塞的緩沖工況，忽略油液的粘性阻尼和壓縮性，得到液壓缸的緩沖活塞的力學平衡方程以及流量方程[3]。力學平衡方程如下：

流量方程如下：

(1) 在緩沖活塞距離節流孔距離較遠時，壓力損失處于局部壓力損失階段:

(2) 緩沖活塞與節流孔之間的間隙逐漸變小，緩沖活塞進入銳緣節流階段，當活塞未進入節流孔時:

當活塞進入節流孔時:

(3) 在活塞處于縫隙節流階段時，分為錐形面節流和圓柱形面節流，當活塞處于錐形面節流時流量方程為：

在活塞處于固定節流口的圓柱形節流口時的流量方程為:

式中：m為活塞質量；v為緩沖活塞運動速度；p為液壓缸供油壓力；p0為液壓缸進油腔內壓力(p0=p-Δp)；p1為排油腔內壓力(p1=Δp)；p2為緩沖腔內壓力(p2=p1+Δp′)；A1為系統油腔活塞截面積；A2為系統緩沖腔面積；A3為進出油孔面積；F為負載力；d為節流孔直徑；δ為緩沖活塞與節流孔之間的間隙；Cd為流量系數；ρ為油液密度；μ為油液動力黏度。

2　Simulink仿真分析

針對活塞緩沖過程中的速度、加速度以及位移變化，采用MATLAB[4，5]軟件中的Simulink軟件包進行建模、仿真和分析，對緩沖過程中的流體速度、加速度運動微分方程進行仿真分析及求解。在Simulink模塊中同時采用方塊圖輸入和MATLAB語言編寫M文件輸入仿真模型，并且可以方便的修改仿真參數進行不同仿真過程的動態仿真。

建立力平衡方程和流量方程后，利用MATLAB/Simulink軟件創建活塞緩沖模型方框圖，如圖3所示。由于活塞的緩沖速度，回油腔的壓力對整個緩沖系統的動態特性有著很大的影響，因此對其階躍響應進行仿真分析。

對于旋塞閥選擇合適的緩沖結構需確定其緩沖縫隙、緩沖圓錐錐度、緩沖柱塞直徑等設計參數。他們具有非線性、多目標、多約束的特點，利用遺傳算法的全局搜索能力，簡單通用、魯棒性強的優點，以下對緩沖結構的參數進行遺傳算法優化選擇合適的設計尺寸，觀察緩沖過程曲線。

如圖4仿真結果所示，旋塞閥緩沖活塞直徑一定d=20 mm 以及緩沖活塞圓錐段錐角一定δ1=0.9 mm，緩沖活塞和節流孔之間的縫隙不同時， 縫隙越小緩沖時間越長，緩沖末速度越小。但縫隙過小，緩沖時間太長不利于快速響應，緩沖末速度基本為0 ，可能出現緩沖活塞爬行現象，產生抖動。

圖3　驅動方案的數學模型圖

圖4　液壓缸緩沖速度-行程圖

3　遺傳算法求解優化

遺傳算法[6,7]是基于生物進化過程中優勝劣汰的自然選擇過程而形成的隨機優化搜索算法。在計算過程中，遺傳算法需要進行選擇，以挑選滿足目標條件的最佳適應度[8]。根據算子的適應度選擇相適應的交叉變異。迭代收斂后得到近似最優解。

在緩沖過程中希望得到較低的末速度、合適的緩沖時長，平穩的緩沖過程以降低液壓缸驅動過程中的噪聲。運用此圓柱圓錐緩沖柱塞時，結構示意圖如圖5所示，緩沖過程中的變量包括緩沖柱塞的直徑d、緩沖柱塞和節流孔間的間隙δ以及緩沖柱塞圓錐段的斜度高度差δ1，設定目標函數為緩沖時長t為最接近1 s以及末速度v最接近0。

圖5　圓柱圓錐緩沖結構示意圖

根據所建立的Simulink仿真模型，運用MATLAB軟件中的M語言，打開其中的遺傳算法模塊，設置優化算法的各參數取值區間為：

0.8 mm<δ1<3 mm

0.05 mm<δ<0.25 mm

15 mm

通過51次迭代計算得到遺傳算法的優化結果為:

δ1=0.8 mm,δ=0.118 mm,d=20 mm

通過遺傳算法求得的結果是近似最優解，多次求得的結果與其初始值范圍有關，但都相差不大。多次執行該遺傳算法求解，綜合得到近似最優解[9]。

根據所得到的數學模型可以求得原方案下的以及新方案下的某一任意參數下的速度-時間曲線如圖6和速度-位移曲線如圖7。

圖6　緩沖活塞速度-時間曲線

圖7　緩沖活塞速度-位移曲線

根據緩沖計算所得到的緩沖時間為1.0076 s，緩沖末速度為0.0097 m/s。緩沖在一定時間內有效的降低了緩沖末速度，使得最終噪聲減小。

4　結論

基于旋塞閥的液壓缸緩沖，運用MATLAB軟件中的Simulink進行仿真分析，運用遺傳算法的方法進行最優化分析，得到了旋塞閥中的優化算法的分析結果。從仿真曲線可以得出該錐形和圓柱形的組合緩沖方式可有效地降低活塞運動末速度、減小緩沖過程中的壓力峰值，具有良好的緩沖效果。遺傳算法在液壓缸緩沖優化中得到良好的運用，對工程實例有普遍性，具有良好的推廣價值。

參考文獻：

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