基于遺傳算法的溢流閥緩沖特性優(yōu)化分析*

江 偉，包從望

（六盤水師范學(xué)院 礦業(yè)與土木工程學(xué)院，貴州 六盤水 553000）

0 引 言

在工程機(jī)械液壓系統(tǒng)中，溢流閥作為安全閥得到了廣泛應(yīng)用，被用于限定液壓回路的最高壓力。由于溢流閥自有的近似恒壓功能，溢流閥又作為一種緩沖閥被應(yīng)用在許多工程機(jī)械緩沖工況中。

近幾年來(lái)，對(duì)溢流閥的緩沖工況應(yīng)用較多。在大慣性負(fù)載回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)中，溢流閥對(duì)回轉(zhuǎn)機(jī)械的啟制動(dòng)特性起著決定作用[1-4]；在立體車庫(kù)過(guò)放液壓緩沖系統(tǒng)應(yīng)用中，王其松[5]研究了不同溢流閥彈簧預(yù)壓縮量和剛度，對(duì)緩沖缸壓縮腔及載車板位移的影響規(guī)律；在下運(yùn)帶式輸送機(jī)斷帶抓捕液壓緩沖系統(tǒng)應(yīng)用中，成志鋒[6]仿真分析了溢流閥開啟壓力、液壓軟管通徑及長(zhǎng)度、蓄能器氣囊容積及充氣壓力，對(duì)溢流閥緩沖特性的影響情況；在立井提升機(jī)過(guò)卷液壓緩沖系統(tǒng)應(yīng)用中，尹文軍[7]進(jìn)行了插裝式溢流閥的緩沖特性的研究；在無(wú)人機(jī)液壓彈射滑行小車緩沖系統(tǒng)應(yīng)用中，唐友亮[8]研究了高速滑行小車溢流緩沖制動(dòng)動(dòng)態(tài)性能；在液壓打樁錘大流量緩沖裝置中，胡均平等[9]研究了溢流閥最高設(shè)定壓力對(duì)緩沖裝置的性能影響規(guī)律；在三峽升船機(jī)防撞液壓系統(tǒng)應(yīng)用中，李飛等[10]分析了溢流閥設(shè)定值對(duì)防撞液壓系統(tǒng)安全性能的影響。

顯然，以上文獻(xiàn)對(duì)溢流閥的緩沖應(yīng)用研究較多，而對(duì)溢流閥緩沖性能優(yōu)化的相關(guān)研究較少。

因此，針對(duì)溢流閥的緩沖應(yīng)用工況，筆者提出一種溢流閥緩沖性能優(yōu)化思路及方法；利用AMESim搭建一種溢流閥的緩沖工況模型和優(yōu)化方法模型，并基于兩種算法進(jìn)行溢流閥結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化工作，優(yōu)化研究溢流閥緩沖性能，比較兩種算法的優(yōu)劣，為溢流閥緩沖特性的優(yōu)化研究提供參考。

1 溢流閥緩沖工況原理

溢流閥緩沖應(yīng)用工況一般有兩種，即應(yīng)用液壓缸回油路上和馬達(dá)回油路上。

溢流閥緩沖工況原理圖如圖1所示。

1-液壓缸；2-沖擊質(zhì)量塊；3-溢流閥；4-油箱

1-溢流閥；2-油箱；3-泵源流量；4-馬達(dá)；5-回轉(zhuǎn)沖擊扭圖1 溢流閥緩沖工況原理圖

圖1中，溢流閥緩沖工況主要利用溢流閥開啟后緩沖油路系統(tǒng)壓力可保持恒定，對(duì)運(yùn)動(dòng)體反向產(chǎn)生恒定阻力，使運(yùn)動(dòng)體近視勻速運(yùn)動(dòng)，從而制動(dòng)緩沖運(yùn)動(dòng)體。

在溢流閥連接液壓缸的緩沖工況中，當(dāng)與活塞桿連接的質(zhì)量塊受沖擊作用下（獲取一定的速度），液壓缸有桿腔（下面統(tǒng)稱緩沖腔）油液壓力瞬間增大至溢流閥的開啟壓力，若壓力增速較大，有桿腔瞬時(shí)壓力可能遠(yuǎn)超溢流閥的開啟壓力，當(dāng)溢流閥開啟后，維持緩沖腔恒定壓力，該壓力對(duì)活塞桿產(chǎn)生反向阻尼力，使沖擊質(zhì)量塊減速運(yùn)動(dòng)。

這里沖擊質(zhì)量塊可模擬工程機(jī)械緩沖工況，如受沖擊作用的斷帶抓捕裝置緩沖過(guò)程[11]和液壓機(jī)末端有沖擊的沖裁緩沖過(guò)程[12]。

在溢流閥連接馬達(dá)的緩沖工況中，受沖擊作用的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)馬達(dá)瞬間高速旋轉(zhuǎn)，馬達(dá)回油路連接溢流閥，回油腔壓力瞬間增大至溢流閥設(shè)定的開啟壓力，對(duì)馬達(dá)產(chǎn)生反向扭矩，從而阻礙回轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)，直至回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)停止旋轉(zhuǎn)，該過(guò)程若沖擊較大，馬達(dá)回油腔壓力也會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)溢流閥的溢流壓力值，如無(wú)人機(jī)液壓彈射滑行小車的緩沖過(guò)程[13]。后續(xù)選取溢流閥連接液壓缸的緩沖工況進(jìn)行仿真及優(yōu)化。

2 溢流閥緩沖工況模型搭建

筆者以液壓缸外接溢流閥緩沖系統(tǒng)為載體，進(jìn)行研究溢流閥的緩沖特性。

基于AMESim搭建的溢流閥緩沖工況仿真模型，如圖2所示。

圖2 溢流閥緩沖工況仿真模型1-油源；2-重力加速度；3-液壓缸；4-受沖擊的質(zhì)量塊；5-油箱；6-溢流閥HCD模型；7-溢流閥

仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 液壓缸外接溢流閥緩沖系統(tǒng)仿真參數(shù)

仿真得到溢流閥緩沖特性曲線如圖3所示。

圖3 溢流閥緩沖特性曲線

由圖3可知：

受沖擊的質(zhì)量塊基本成勻減速運(yùn)動(dòng)，停止運(yùn)動(dòng)的位移為0.95 m，緩沖減速運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間為0.6 s，緩沖腔瞬時(shí)流量達(dá)到900 L/min，瞬時(shí)壓力達(dá)到10 MPa，而溢流閥關(guān)閉時(shí)的壓力僅約有3.5 MPa（即為溢流閥的開啟壓力），緩沖腔瞬時(shí)壓力超過(guò)溢流閥的開啟壓力的1.86倍。

由于基于溢流閥緩沖過(guò)程瞬時(shí)壓力遠(yuǎn)超過(guò)溢流閥壓力設(shè)定值，有必要對(duì)其展開優(yōu)化分析及研究。

3 溢流閥緩沖特性優(yōu)化模型搭建

溢流閥的緩沖特性優(yōu)化方法首先需要確定一個(gè)理想的緩沖特性，然后調(diào)整相關(guān)參數(shù)使實(shí)際緩沖特性逼近理想模型。

溢流閥緩沖過(guò)程滿足能量守恒式：

（1）

式中：x0—活塞位移，m；A—活塞有效作用面積，m2；p—緩沖腔壓力，MPa；M—受沖擊作用的質(zhì)量塊質(zhì)量，kg；v0—質(zhì)量塊沖擊速度，m/s；x0—活塞位移，m。

受沖擊的質(zhì)量動(dòng)能等于溢流閥緩沖系統(tǒng)形成的恒定阻力所做功，因此溢流閥緩沖的理想模型滿足以下條件：

（1）系統(tǒng)吸能量達(dá)到最大，在液壓缸活塞行程留有一定安全余量下，活塞位移盡可能最大；

（2）緩沖腔壓力沖擊盡可能小，即壓力超調(diào)較小。

理想模型確定過(guò)程如下：

在液壓缸結(jié)構(gòu)尺寸確定的情況下，通過(guò)式（1）計(jì)算出溢流閥的開啟壓力值p：

（2）

式中：D—活塞直徑，m；d—活塞桿直徑，m。

若活塞行程留有0.2 m的安全余量，那么取活塞位移x0=1.8 m，取D=0.08 m，d=0.05 m，M=2 000 kg，v0=4.0 m/s，代入式（2）進(jìn)行計(jì)算溢流閥的開啟壓力值為p≈2.9 MPa。

若質(zhì)量塊勻減速進(jìn)行，緩沖腔壓力持續(xù)時(shí)間t=2x0/v0=0.9 s。

溢流閥緩沖動(dòng)態(tài)特性為二階模型，阻尼系數(shù)取0.707，自然頻率取25。

筆者通過(guò)AMESim信號(hào)庫(kù)模型，確定溢流閥緩沖理想特性模型如圖4所示。

圖4 溢流閥緩沖理想特性模型

進(jìn)一步搭建溢流閥優(yōu)化模型，如圖5所示。

圖5 溢流閥優(yōu)化模型

4 基于遺傳算法的溢流閥緩沖特性優(yōu)化

4.1 目標(biāo)函數(shù)確定

筆者將系統(tǒng)實(shí)際輸出的壓力與理想模型壓力的誤差絕對(duì)值積分作為目標(biāo)函數(shù)。

4.2 設(shè)計(jì)變量?jī)?yōu)化

優(yōu)化設(shè)計(jì)變量范圍：

溢流閥通徑d1：0～40 mm；

彈簧剛度K：0～1 000 N/mm；

預(yù)緊力F：0～10 000 N。

4.3 約束條件

具體的約束條件為：

0≤xp≤0.78 m；

P≤30 MPa。

4.4 遺傳算法參數(shù)設(shè)置

種群個(gè)體大小n=80，最大迭代次數(shù)N=100，交叉概率Pc=0.8，變異概率Pm=0.1[14-18]。

4.5 優(yōu)化結(jié)果分析

通過(guò)優(yōu)化后得到溢流閥結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化前后對(duì)比一覽表，如表2所示。

表2 溢流閥結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化前后對(duì)比一覽表

代入優(yōu)化后的參數(shù)，可得到優(yōu)化前后的溢流閥緩沖特性曲線如圖6所示。

圖6 優(yōu)化前后的溢流閥緩沖特性曲線

由圖6可知：

優(yōu)化后的溢流閥緩沖特性得到提高，緩沖腔壓力峰值由10 MPa減小至7.8 MPa，沖擊質(zhì)量位移由0.95 m增加至1.75 m。

5 結(jié)束語(yǔ)

溢流閥緩沖應(yīng)用工況較多，本文以液壓缸回油連接溢流閥為載體，研究了溢流閥的緩沖特性，基于緩沖腔壓力峰值較大，對(duì)溢流閥緩沖特性開展了優(yōu)化分析，搭建了溢流閥二階動(dòng)態(tài)理想模型和參數(shù)優(yōu)化模型，基于遺傳算法和AMESim進(jìn)行了溢流閥結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，優(yōu)化的溢流閥緩沖特性得到了提高，主要得到以下結(jié)論：

（1）基于AMESim搭建的優(yōu)化模型對(duì)溢流閥的參數(shù)優(yōu)化具有一定參考價(jià)值；

（2）優(yōu)化后溢流閥緩沖腔壓力峰值減小2.2 MPa，緩沖特性明顯得到改善；

（3）優(yōu)化的溢流閥通徑為22 mm，彈簧剛度為15 N/mm，彈簧預(yù)緊力為700 N。

雖然優(yōu)化的溢流閥緩沖特性得到了一定程度的提高，但距離理想模型的特性還有一定差距。后續(xù)研究還需進(jìn)一步作算法改進(jìn)，并繼續(xù)就溢流閥結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化開展相關(guān)的研究。