基于AMESim的液壓沖擊器結構參數優化

陳家林 田英真 楊曉東 曹 明 胡躍飛

（北京華德液壓工業集團有限責任公司，北京 100176）

0 引言

液壓沖擊器是繼氣動沖擊器后對液壓技術的引入。它以液壓油為媒介進行能量傳遞，通過配流換向系統控制活塞運動方向，進而驅動沖擊釬桿進行周期往復運動來完成沖擊破巖作業，充分發揮了液壓系統運動平穩、噪聲低、效率高等特點，被廣泛應用于鑿巖機、挖掘機等現代工程機械，同時也成為國內外學者競相探索研究的焦點之一。遺傳算法是一種通過模仿自然選擇和遺傳機理來尋求最優解的方法。它有三個基本算子：選擇、交叉和變異，可以很好地克服傳統優化方法易于陷入局部優化陷阱而使搜索進入“死循環”，進而無法找到最優解的缺點。對一些復雜的非線性、多模型、多目標函數優化問題，遺傳算法可以快速、簡單地獲得優化結果。因此該文將嘗試利用遺傳算法來實現對液壓沖擊器的結構改進，對其性能優化具有重要的實際意義。

1 液壓沖擊器工作原理

液壓沖擊器的基本結構主要有沖擊機構、配流換向機構、蓄能器及其他結構。如圖1所示，活塞作為液壓沖擊器沖擊機構的關鍵部件，其運動特性對液壓沖擊器沖擊性能的好壞起決定性作用；換向閥作為配流換向機構的重要部件，其工作特性影響著活塞的運動狀態，進而影響液壓沖擊器的工作性能。因此，為使液壓沖擊器性能得到優化，應通過對其活塞、換向閥的結構進行研究，改變活塞、換向閥主要結構參數，選擇適當的優化算法，完成液壓沖擊器的性能優化設計。根據活塞的運動狀態，液壓沖擊器的工作周期可被分為沖程、回程兩個階段。其中沖程包括沖程加速、沖擊停頓；回程包括回程加速、回程減速。在沖程階段，活塞受到上、下腔高壓油壓差以及氮氣室氣體壓力的作用向下做沖擊加速運動，并將其所獲得的動能以應力波的形式通過釬桿傳遞到巖石等被沖擊對象；在回程階段，活塞運動方向與沖程階段相反，此時，活塞下腔為高壓油液，上腔為低壓回油，氮氣室內氣體處于被壓縮狀態。工作過程中，活塞沖程與回程的轉換通過配流換向閥的控制來完成，同時換向閥的啟閉由活塞位移或各腔室油壓控制，活塞與換向閥形成閉環反饋控制回路，實現液壓沖擊器周期往復運動。根據液壓沖擊器的結構及基本工作原理，建立其理想狀態下的數學模型如公式（1）～公式（4）所示。

圖1 液壓沖擊器結構圖

（1）活塞動力學方程

（2）換向閥閥芯動力學方程

（3）氮氣室氣體狀態方程

（4）沖擊能

2 遺傳算法及其MATLAB實現

2.1 遺傳算法

1967年，BAGLEY J.D.首次提出遺傳算法。1975年，密歇根大學J.H.HOLLAND教授開始對遺傳算法GA機理進行系統的研究。遺傳算法是對達爾文生物進化理論的模擬，并利用數學運算方式來求解。遺傳算法現今已被人們廣泛地應用于航空航天、工程機械等領域。

運用遺傳算法解決函數優化問題基本流程如圖2所示。

圖2 遺傳算法基本流程

2.2 遺傳算法MATLAB實現

對液壓沖擊器而言，其性能指標主要為沖擊能、沖擊效率。在進行優化設計時，應考慮結構參數與性能指標之間的聯系。不同取值的結構參數對液壓沖擊器性能的影響應通過選定的優化目標充分反映。根據液壓沖擊器數學模型，鑒于沖擊能與各結構參數之間存在緊密的數學關系，故將沖擊能選定為優化目標。

根據上述液壓沖擊器數學模型可知：當給定系統流量和氮氣室氣體初始壓力時，釬桿沖擊能的大小與活塞質量、沖擊末速度直接相關。同時液壓沖擊器在工作時，換向閥閥芯存在一定的能量損失，如泄漏損失、液控能量損失、閥口節流損失等也會對釬桿沖擊能造成影響。由于活塞質量一定，因此選取決定活塞沖擊末速度的活塞上下腔有效工作面積、反饋孔位置和影響閥芯能量損耗的閥芯前后腔工作面積、閥芯換向信號口位置為設計變量。根據活塞、閥芯的結構特征、研究試驗及設計經驗確定各變量初值和取值范圍，見表1。

表1 各結構參數含義及取值范圍

設一維變量=[，，，，，，，]=[，，，，，，，]。

在求解函數極值問題時，通常將函數極小值設為求解目標，故確定目標函數為（）=1/→min。編寫遺傳算法文件GA.m。在編寫遺傳算法文件中選取種群大小和遺傳代數時不宜過大，否則將會出現迭代次數過多的情況，導致搜索速度過慢。此處將種群大小和遺傳代數設為100、交叉概率設為0.6、變異概率設為0.1、離散精度設為0.01進行求解，結果見表2。

表2 各結構參數優化值

3 AMESim仿真驗證

LMS Imagine.Lab AMESim即多學科領域復雜系統建模與仿真平臺，于1995年由法國Imagine公司首次提出，主要包括液壓元件設計庫（HCD）、機械庫、信號控制庫等。通過運用AMESim軟件，可以建立復雜的系統模型，人為設定系統變量，并進行仿真計算和深入分析。根據液壓沖擊器活塞、換向閥主體結構及沖擊器工作原理，利用液壓元件設計（HCD）庫、機械庫、氣動元件設計（PCD）庫等的相關元件模型建立液壓沖擊器系統模型，如圖3所示。

圖3 液壓沖擊器系統模型

根據已經建立的基于AMESim軟件的液壓沖擊器系統的整體模型，利用Simulink實現計算機自動控制開關閥的開關信號，該信號主要有以下作用：沖擊器在沖程狀態時氮氣室的壓力滿足模型給定的條件，開關始終置1，如果沖擊器在回程狀態時氮氣室的壓力不在給定的范圍內，則開關置0，以上為兩種狀態。滿足沖程狀態時，則給進油開關閥正值的力，給回油開關閥負值的力。滿足回程狀態時則為相反的力。通過計算機控制以便于調節活塞的沖擊以及回程時間。將建立好的液壓沖擊器系統AMESim模型塊和開關閥控制信號計算機控制系統同時放到MATLAB軟件的work工作目錄下進行仿真，設工作壓力為14MPa，氮氣室初始壓力為0.75MPa，回油背壓為2.15MPa。設置仿真模型輸入變量為優化后的結構參數值，設定步長為0.001s，總時長0.25s，仿真結果如圖4、圖5所示。

由圖4、圖5可知，液壓沖擊器的沖擊周期約為0.75s，沖擊位移約為69.37mm，沖擊末速度約為10.37mm/s，利用遺傳算法優化后，液壓沖擊器活塞末速度與位移均有不同程度的提高，優化前后對比數據見表3。

圖4 優化前后活塞速度曲線

圖5 優化前后活塞位移曲線

由表3可知，利用遺傳算法優化后，液壓沖擊器的沖擊能提高了近30.80%，顯著提高了液壓器長沖擊性能，證明了優化方法的可行性和有效性，可為液壓沖擊器結構改進和參數交互優化提供一種有效手段。

表3 優化前后液壓沖擊器性能

4 結論

該文通過建立液壓沖擊器活塞、換向閥閥芯動力學方程、沖擊能方程等，確定了影響液壓沖擊器性能的主要結構參數。同時運用遺傳算法可以方便、快速解決復雜函數最優解問題的特點，求解了在指定范圍內液壓沖擊器結構參數的優化值。利用AMESim仿真軟件分析驗證了遺傳算法所取得的優化值是可行的，并經優化且穩定工作后，液壓沖擊器沖擊能提升了132.49J，活塞沖擊末速度最高達11.86m/s，活塞位移變化6.38mm。一系列數據表明達到了性能優化的目的，為后續液壓沖擊器的制造和改進提供了一定的數據參考和方法指導。