基于AMESim的液壓沖擊器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

陳家林 田英真 楊曉東 曹 明 胡躍飛

（北京華德液壓工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100176）

0 引言

液壓沖擊器是繼氣動(dòng)沖擊器后對(duì)液壓技術(shù)的引入。它以液壓油為媒介進(jìn)行能量傳遞，通過(guò)配流換向系統(tǒng)控制活塞運(yùn)動(dòng)方向，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)沖擊釬桿進(jìn)行周期往復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)完成沖擊破巖作業(yè)，充分發(fā)揮了液壓系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、噪聲低、效率高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于鑿巖機(jī)、挖掘機(jī)等現(xiàn)代工程機(jī)械，同時(shí)也成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者競(jìng)相探索研究的焦點(diǎn)之一。遺傳算法是一種通過(guò)模仿自然選擇和遺傳機(jī)理來(lái)尋求最優(yōu)解的方法。它有三個(gè)基本算子：選擇、交叉和變異，可以很好地克服傳統(tǒng)優(yōu)化方法易于陷入局部?jī)?yōu)化陷阱而使搜索進(jìn)入“死循環(huán)”，進(jìn)而無(wú)法找到最優(yōu)解的缺點(diǎn)。對(duì)一些復(fù)雜的非線性、多模型、多目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化問(wèn)題，遺傳算法可以快速、簡(jiǎn)單地獲得優(yōu)化結(jié)果。因此該文將嘗試?yán)眠z傳算法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓沖擊器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，對(duì)其性能優(yōu)化具有重要的實(shí)際意義。

1 液壓沖擊器工作原理

液壓沖擊器的基本結(jié)構(gòu)主要有沖擊機(jī)構(gòu)、配流換向機(jī)構(gòu)、蓄能器及其他結(jié)構(gòu)。如圖1所示，活塞作為液壓沖擊器沖擊機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件，其運(yùn)動(dòng)特性對(duì)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(jī)構(gòu)的重要部件，其工作特性影響著活塞的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)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(yōu)化，應(yīng)通過(guò)對(duì)其活塞、換向閥的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，改變活塞、換向閥主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，選擇適當(dāng)?shù)膬?yōu)化算法，完成液壓沖擊器的性能優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)活塞的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，液壓沖擊器的工作周期可被分為沖程、回程兩個(gè)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?dú)馐覛怏w壓力的作用向下做沖擊加速運(yùn)動(dòng)，并將其所獲得的動(dòng)能以應(yīng)力波的形式通過(guò)釬桿傳遞到巖石等被沖擊對(duì)象；在回程階段，活塞運(yùn)動(dòng)方向與沖程階段相反，此時(shí)，活塞下腔為高壓油液，上腔為低壓回油，氮?dú)馐覂?nèi)氣體處于被壓縮狀態(tài)。工作過(guò)程中，活塞沖程與回程的轉(zhuǎn)換通過(guò)配流換向閥的控制來(lái)完成，同時(shí)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(huán)反饋控制回路，實(shí)現(xiàn)液壓沖擊器周期往復(fù)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)液壓沖擊器的結(jié)構(gòu)及基本工作原理，建立其理想狀態(tài)下的數(shù)學(xué)模型如公式（1）～公式（4）所示。

圖1 液壓沖擊器結(jié)構(gòu)圖

（1）活塞動(dòng)力學(xué)方程

（2）換向閥閥芯動(dòng)力學(xué)方程

（3）氮?dú)馐覛怏w狀態(tài)方程

（4）沖擊能

2 遺傳算法及其MATLAB實(shí)現(xiàn)

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(xué)J.H.HOLLAND教授開(kāi)始對(duì)遺傳算法GA機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)的研究。遺傳算法是對(duì)達(dá)爾文生物進(jìn)化理論的模擬，并利用數(shù)學(xué)運(yùn)算方式來(lái)求解。遺傳算法現(xiàn)今已被人們廣泛地應(yīng)用于航空航天、工程機(jī)械等領(lǐng)域。

運(yùn)用遺傳算法解決函數(shù)優(yōu)化問(wèn)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(shí)現(xiàn)

對(duì)液壓沖擊器而言，其性能指標(biāo)主要為沖擊能、沖擊效率。在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)參數(shù)與性能指標(biāo)之間的聯(lián)系。不同取值的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)液壓沖擊器性能的影響應(yīng)通過(guò)選定的優(yōu)化目標(biāo)充分反映。根據(jù)液壓沖擊器數(shù)學(xué)模型，鑒于沖擊能與各結(jié)構(gòu)參數(shù)之間存在緊密的數(shù)學(xué)關(guān)系，故將沖擊能選定為優(yōu)化目標(biāo)。

根據(jù)上述液壓沖擊器數(shù)學(xué)模型可知：當(dāng)給定系統(tǒng)流量和氮?dú)馐覛怏w初始?jí)毫r(shí)，釬桿沖擊能的大小與活塞質(zhì)量、沖擊末速度直接相關(guān)。同時(shí)液壓沖擊器在工作時(shí)，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(jié)流損失等也會(huì)對(duì)釬桿沖擊能造成影響。由于活塞質(zhì)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(hào)口位置為設(shè)計(jì)變量。根據(jù)活塞、閥芯的結(jié)構(gòu)特征、研究試驗(yàn)及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)確定各變量初值和取值范圍，見(jiàn)表1。

表1 各結(jié)構(gòu)參數(shù)含義及取值范圍

設(shè)一維變量=[，，，，，，，]=[，，，，，，，]。

在求解函數(shù)極值問(wèn)題時(shí)，通常將函數(shù)極小值設(shè)為求解目標(biāo)，故確定目標(biāo)函數(shù)為（）=1/→min。編寫(xiě)遺傳算法文件GA.m。在編寫(xiě)遺傳算法文件中選取種群大小和遺傳代數(shù)時(shí)不宜過(guò)大，否則將會(huì)出現(xiàn)迭代次數(shù)過(guò)多的情況，導(dǎo)致搜索速度過(guò)慢。此處將種群大小和遺傳代數(shù)設(shè)為100、交叉概率設(shè)為0.6、變異概率設(shè)為0.1、離散精度設(shè)為0.01進(jìn)行求解，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 各結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化值

3 AMESim仿真驗(yàn)證

LMS Imagine.Lab AMESim即多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模與仿真平臺(tái)，于1995年由法國(guó)Imagine公司首次提出，主要包括液壓元件設(shè)計(jì)庫(kù)（HCD）、機(jī)械庫(kù)、信號(hào)控制庫(kù)等。通過(guò)運(yùn)用AMESim軟件，可以建立復(fù)雜的系統(tǒng)模型，人為設(shè)定系統(tǒng)變量，并進(jìn)行仿真計(jì)算和深入分析。根據(jù)液壓沖擊器活塞、換向閥主體結(jié)構(gòu)及沖擊器工作原理，利用液壓元件設(shè)計(jì)（HCD）庫(kù)、機(jī)械庫(kù)、氣動(dòng)元件設(shè)計(jì)（PCD）庫(kù)等的相關(guān)元件模型建立液壓沖擊器系統(tǒng)模型，如圖3所示。

圖3 液壓沖擊器系統(tǒng)模型

根據(jù)已經(jīng)建立的基于AMESim軟件的液壓沖擊器系統(tǒng)的整體模型，利用Simulink實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制開(kāi)關(guān)閥的開(kāi)關(guān)信號(hào)，該信號(hào)主要有以下作用：沖擊器在沖程狀態(tài)時(shí)氮?dú)馐业膲毫M(mǎn)足模型給定的條件，開(kāi)關(guān)始終置1，如果沖擊器在回程狀態(tài)時(shí)氮?dú)馐业膲毫Σ辉诮o定的范圍內(nèi)，則開(kāi)關(guān)置0，以上為兩種狀態(tài)。滿(mǎn)足沖程狀態(tài)時(shí)，則給進(jìn)油開(kāi)關(guān)閥正值的力，給回油開(kāi)關(guān)閥負(fù)值的力。滿(mǎn)足回程狀態(tài)時(shí)則為相反的力。通過(guò)計(jì)算機(jī)控制以便于調(diào)節(jié)活塞的沖擊以及回程時(shí)間。將建立好的液壓沖擊器系統(tǒng)AMESim模型塊和開(kāi)關(guān)閥控制信號(hào)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)同時(shí)放到MATLAB軟件的work工作目錄下進(jìn)行仿真，設(shè)工作壓力為14MPa，氮?dú)馐页跏級(jí)毫?.75MPa，回油背壓為2.15MPa。設(shè)置仿真模型輸入變量為優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)值，設(shè)定步長(zhǎng)為0.001s，總時(shí)長(zhǎng)0.25s，仿真結(jié)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(yōu)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(yōu)化前后對(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

圖4 優(yōu)化前后活塞速度曲線

圖5 優(yōu)化前后活塞位移曲線

由表3可知，利用遺傳算法優(yōu)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(zhǎng)沖擊性能，證明了優(yōu)化方法的可行性和有效性，可為液壓沖擊器結(jié)構(gòu)改進(jìn)和參數(shù)交互優(yōu)化提供一種有效手段。

表3 優(yōu)化前后液壓沖擊器性能

4 結(jié)論

該文通過(guò)建立液壓沖擊器活塞、換向閥閥芯動(dòng)力學(xué)方程、沖擊能方程等，確定了影響液壓沖擊器性能的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。同時(shí)運(yùn)用遺傳算法可以方便、快速解決復(fù)雜函數(shù)最優(yōu)解問(wèn)題的特點(diǎn)，求解了在指定范圍內(nèi)液壓沖擊器結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化值。利用AMESim仿真軟件分析驗(yàn)證了遺傳算法所取得的優(yōu)化值是可行的，并經(jīng)優(yōu)化且穩(wěn)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(dá)11.86m/s，活塞位移變化6.38mm。一系列數(shù)據(jù)表明達(dá)到了性能優(yōu)化的目的，為后續(xù)液壓沖擊器的制造和改進(jìn)提供了一定的數(shù)據(jù)參考和方法指導(dǎo)。