液压破碎锤系统结构参数优化分析.pdf

第 1 1 期 2 0 1 2年 1 1月 机 械 设 计 与 制 造 Ma c hi n e r y De s i g nMa n u f a c t ur e 1 3 3 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 2 1 1 - 0 1 3 3 0 3 液压破碎锤 系统结构参数优化分析 杨国平方建王亮 上海工程技术大学 汽车工程学院， 上海 2 0 1 6 2 0 St r u c t u r e Pa r a me t e r s Op t i mi z a t i o n An a l y s i s o f Hy d r a u l i c Ha mme r S y s t e m YANG Gu o - p i n g ， F AN G J i a n， W ANG L i a n g C o l l e g e o f A u t o mo b i l e E n g i n e e r i n g ， S h a n g h a i U n i v e r s i t y o f E n g i n e e r i n g S c i e n c e ， S h a n g h a i 2 0 1 6 2 0 ， C h i n a 【 摘要】 为了能够得到最优的液压破碎锤结构性能参数，需要采用计算机的方法寻优。运用 AD A MS软件提供的参数化分析方法， 对液压破碎锤虚拟样机的关键部件的结构参数进行优化， 使其在 冲击性能上有所提高。 关键词 液压破碎锤 ； 优化分析 ； AD A MS 【 Ab s t r a c t 】／ n o r d e r t o g e t t h e o p t i m a l h y d r a u l i c h a mm e r．s t r u c t u r e p e r ma n c e p a r a m e t e r s ， t h e me t h o d o f c o m p u t e r o p t i mi z a t i o n s h o u l d b e a d o p t e d ． T h e p ara me t r i c a n a l y s i s m e t h o d p r o v i d e d b y A D AMS s o f t w are i s u s e d t o o p t i m i z e t h e s t r u c t u r e p a r am e t e r s of h y d r a u l i c h a mme r of v i r t u al p r o t o t y p e ， S O t h a t i t s i m p a c t p e rf o r m n c e h a s i m p r o v e d ． Ke y W o r d s Hyd r a ul i c Ha m m e r ； Op t i mi z a t i o n An al ys i s ； ADAM S 中图分类号 T H1 6 ； T D 4 5 1 文献标识码 A 1液压破碎锤优化 目标及设计变量选取 就 目前控制理论的发展水平来说 ， 对于非线性系统的子系 统如何匹配才能达到全系统最优这一问题， 尚未从理论上得到 很好的解决。 在液压破 1 碎锤系统中阀芯和活塞的关系紧密且相 互依赖 ， 因此很难说能够以一个单独性能最优的阀和一个单独性 能最优的活塞来组成一个性能最优的破碎锤系统。 液压破碎锤优 化设计的最终目的是要得到一组使整个液压破碎锤性能最优的 结构参数， 而不一定要求它的每一个子系统同时达到最优_ 】1 。 1 ． 1优化 目标的选取 选取液压破碎锤的冲击能为优化目标， 它与液压破碎锤系 统所有结构参数和工作参数的函数有着密切的关系[2 1 。液压破碎 锤冲击能的定义为， 在规定条件下， 指冲击活塞单次冲击所具有 的能量 。 E M V 1 式 中 E 液压破碎锤的冲击能 J ； 液压破碎锤活塞质量 k g ； 液压破碎锤活塞冲击末速度 m ／ s 。 1 ． 2优化设计变量的选取 根据活塞的冲击末速度， 可以计算得活塞的冲击能。 理论分 析和试验结果表明， 活塞的速度除与系统工作参数 系统的输入 流量、 氮气室的初始充气压力等有关外， 还与系统结构参数 活塞 前后腔有效工作面积、 回程和冲程反馈孔的位置等有关。 换向阀芯的能量消耗主要包括三个方面 1 液控能量的损 失； 2 阀口节流的损失 ； 3 泄露损失。 它们的大小直接与换向阀 芯的前后腔的工作面积， 及阀芯换向信号口位置有关 ， 改变这些 参数， 阀芯的换向速度， 以及液控油量的也会随着发生变化。 液压破碎锤系统冲击性能优化过程中选取的结构参数中详 细列 出。 如表 1 所示 。 -k 来稿 日期 2 0 1 2 一 O 1 2 3 ★基金项 目 国家 自然科学基金 5 0 9 7 5 1 6 9 表 1需要优化的设计变量 设计变量名称 A D A M S 中的定义的名称初始值 m m 注 信号口的位置都是此信号口相对活塞前腔作用面的距离 为了使得优化结果更加可靠，将试验测试中的某个实际工 作状态为参考， 将测得的工作参数作为样机模型的输入 工作压 力为 I O M P a ， 氮气室初始压力为0 ． 8 MP a ， 回油背压为 2 ． 3 M P a ， 约 束条件定 活塞行程 S 9 0 m m。 2结构参数的设计研究 为了确定各个结构参数对液压破碎锤系统冲击性能的影 响， 下面将分别对其参数进行设计研究， 找出设计范围内哪些参 数对冲击性能影响最大。 2 ． 1活塞结构参数的设计研究 冲击能跟活塞的冲击末速度有关，冲击末速度又与冲程时 间和冲程加速度有关， 而冲程时间直接与活塞的行程有关， 但影 响活塞冲击速度的这两个因素是相互关联的。冲击能变化曲线， 如图 1 所示。 由图 1 可以看出， 活塞下端半径在 3 3 ．6 3 4 ． 6 m m之间变化 时， 液压破碎锤的冲击能先随保持不变， 然后随之下降。 当活塞下 端半径增大到 3 4 ． 3 5 m m时， 活塞冲击能以及行程骤减， 当前腔面 积进 一步减小 ， 如图 2中的 T r a i l 5所示 ， 此时出现活塞不能正常 运动， 所以下端设计变量不能过大， 应控制在 3 4 ． 3 5 ra m以内。虽 1 3 4 杨国平等 液压破碎锤系统结构参数优化分析 第 1 1 期 然活塞前腔作用面积大时， 系统可以获得高的冲击能， 但也不能 盲 目增大作用面积， 由图 2中T r a i l 1 可以看出， 此时下端半径为 3 3 ． 6 mm， 可是已经接近活塞行程警戒值 9 0 mm， 而且冲击能并没 有比下端半径为 3 3 ． 8 5 mm时提高。 ● 一 ； ＼ i 、 ＼ ‘ 、 - 、 、 、 、 R p i s t o n_lo w e r m m 图1冲击能变化曲线 时 s j 图2活塞位移变化曲线 综上分析，通过设计研究将活塞下端半径范围控制在 3 3 ．8 5 - 3 4 ．3 5 m m 。同理可以通过实验获得活塞上端半径范围 控 制在 3 1 ． 1 2 5 3 3 ． 2 5 m m。活塞回程制动信号13位置范围控制在 6 3 ．2 5 6 9 ．7 5 m m之间， 活塞冲程制动信号13位置范围应该控制 在 5 4 6 0 m m。 通过对活塞结构参数的设计研究，确定了各个设计变量的 范围。 对这些设计变量在其变化范围内的敏感度进行计算、 分析， 结果如图 3 、 图 4 所示。 图 3活塞下端半径的设计研究 图 4活塞冲程制动信号 口位置 从分析结果来看， 活塞下端半径和上端半径的敏感度较高， 而活塞冲程、 回程制动信号 13位置的敏感度要低得多， 但不能忽 略它们之间相互变化对冲击能的影响。所以， 将在活塞结构参数 试验研究中分析活塞冲程、 回程制动信号口位置之间关系以及活 塞上、 下端半径之间关系对冲击能大小的影响。 2 _ 2换向阀芯结构参数的设计研究 换向阀芯结构参数也可以通过实验初步确定，换向阀芯前 腔作用面半径定在 1 9 ． 5 5 1 9 ． 7 5 m m之间。阀芯后腔作用面半径 设计区间定在 1 9 ． 0 5 1 9 ． 5 5 mm之间。阀芯回程换向信号口位置 上移 ， 活塞行程增加， 冲击速度增大， 但总体变化比较小， 对冲击 能的影响不是很大。 阀芯冲程换向信号口位置对活塞运动规律的 影响很小 ， 冲击能在很小范围内波动， 活塞的运动特性没有明显 变化。 通过实验分析 R _ v a l v e _ l o w e r ， R _ v a l v e _ u p p e r 的敏感度要 比 s i g n a l _l ， s i g n a l_2要高很多。从单个设计变量考虑， 阀芯前、 后腔 作用面半径相对于阀芯冲程、 回程换向信号口位置对冲击能的影 响大， 但不能忽略各变量之间相互变化对冲击能的影响。在后续 试验研究中， 通过对各个设计变量之间变化关系对冲击能的影 响， 进一步精确 R _ v a l v e _ l o w e r ， R _ v a l v e _ u p p e r 的设计范围， 确定 s i g n a l _1 ， s i g n a l_2 的最优设计值， 提高优化分析的效率。 3结构参数的试验研究 因为每次改变一个设计参数很难看出不同设计参数之间的 相互影响对液压破碎锤虚拟样机冲击能的影响， 为了寻求不同设 计参数组合对冲击能的影响， 从而进行试验研究来确定不同设计 参数组合中的最优组合。 3 ． 1活塞结构参数的试验研究 为了考虑阀芯结构参数之间的相互影响对液压破碎锤冲击 性能的影响， 现对其中两组分别进行试验研究。 这里引入变量 口 一活塞前后腔有效作用面积比，以此分析 R _p i s t o n_l o we r ，R_p i s t o n_u p p e r 这两个参数之间的关系对液压 破碎锤系统的性能的影响。 分析 s i g n a l _ 3 ， s i gna l _ 4这两个参数之 间的关系对液压破碎锤系统的性能的影响， 确定这两个参数的具 体值。 3 ． 1 ． 1活塞上 、 下端半径 的试验研 究 经过活塞结构参数试验数据分析可得到，冲击能随着活塞 前后腔有效作用面积比的分布图， 如图5所示。可见冲击能高于 5 0 0 J 以上的， 卢集中在 0 ． 5 0 ． 6 之间。通过试验分析 ， 得到了JB 优化设计区间为 0 ． 5 0 ． 6 ， 为最终优化分析提供了参考。 冲击能分布图 i ． ． ． ； ． ◆ ’ ． ． ． ． ． ◆ ▲ ． ▲ ． ． 1 ’ ． ． ◆ 一 ．． i◆ ’ ’ ’ ’ ’ ◆ ● ’ ◆ { U ． 4 0 5 0 ． 6 U 7 U ． 8 0． 9 活塞前后腔有效作用面积 比 图 5冲击能分布图 3 ． 1 ． 2 活塞制动信 号 口位 置的试验研 究 通过前面的参数的设计研究和敏感度分析，得到活塞两个 制动信号13 位置的设计区间， s i g n a l , 3合理范围应该控制在 5 4 ～ 6 0 mm， s i g n a l _ 4合理范围应该控制在 6 3 ． 2 5 6 8 ．7 5 mm， 接下来 No ． 11 N O V ． 2 0 1 2 机 械 设 计 与制 造 1 3 5 通过试验研究决定两个参数如何配合， 能提高液压破碎锤系统的 冲击能。 从试验研究结果中得到系统冲击能最大，最小时分别对应 的两个信号口的位置， 如表 2 所示。 表 2活塞制动信号 口位置的试验研究 分析可得随着 s i g n a l 一 3， s i g n a l _ 4的变化，冲击能在一个很 小的范围内变化， 适当将两个信号口的位置后移， 可以提高活塞行 程， 提高冲击能。 总之， 活塞冲程制动信号口的位置的改变对性能影 响不大， 所以最终确定 s i g n a l _ 3 为 5 7 m m， s i g n a l _ 4为 6 8 ．7 5 ram， 为 后续优化节省计算时间。 3 - 2换向阀芯结构参数的试验研究 同样引入变量 一阀芯前后腔有效作用面积比，以此分析 R v a l ve _l o we r ，R_v Mv eu p p e r 这两个参数之间的关系对液压破 碎锤系统的性能的影响。分析 s i g n a l _ l ， s i g n a l _ 2这两个参数之间 的关系对液压破碎锤系统的性能的影响， 确定这两个参数的具体 值 。 通过试验分析， 得到了d优化设计区间为 1 ．0 6 6 一 1 ． 2 ， 为最终 优化分析提供了参考。不同阀芯前后作用面积比下的冲击能范 围， 如表 3所示。 表 3不 同阀芯前后作用面积比下的冲击能范围 E n e r g y J 的均值 E n e r g y 5 0 0 4 70 E ne r g y 5 0 0 46 0 E ne r g y 4 7 0 4 5 0 En e r g y 4 6 0 4 4 0 En e r g y 4 5 0 1 ．07 5 1 _21 2 1 ． 3 6 8 1 ． 6 8 5 1 ．95 7 从试验研究 的结果 中分析得到系统 冲击能最大 ，最小 时所 对应的信号口的位置， 如表4所示。 这表明适当上移信号 口位置， 可增大阀芯回程换向的时间， 增加活塞行程， 最终提高冲击能， 所 以最终确定 s i g n a l 一 1 为 8 ． 5 mm， s i g n a l _ 2为 1 6 ．5 m m。 表 4阀芯换向信号口位置的试验研究 4结构参数的优化设计分析 通过对活塞、 阀芯结构参数的设计研究和试验研究 ， 确定了 他们最后的设计范围和设计值， 为了得到液压破碎锤的最大冲击 能， 及所对应的各个设计变量的值， 接下来进行优化设计分析。 经过最终结构参数的优化设计分析，得出了液压破碎锤系 统最优冲击能对应的参数， 如表 5所示。以及最优冲击能下所对 应的各个设计变量的值， 如表 6 所示。通过对设计参数的参数化 分析， 液压破碎锤的冲击能得到了提高 ， 从选取的活塞和阀芯的 八个设计参数来看， 可以划分为三大类 信号口位置、 阀芯前后作 用面和活塞前后作用面， 也就是说原虚拟样机经过三个步骤的优 化， 使系统性能得到提高。优化后的冲击能效果， 如图6所示。 表 5优化前后结构参数的对比表 表 6优化前后样机性能对比表 j 优 化 J ● 一 I 0 f I ， 优化 ● ， ， Hi I f I ●● I || 时 s 图 6冲击能优化过程 中的变化 5小结 。 对液压破碎锤的虚拟样机的活塞系统和换向阀芯系统进行 了结构参数优化， 使其冲击能较原来有了一定的提升。在原模型 的基础上初定各设计参数的范围， 通过对它们的设计研究确定了 各个设计参数的优化设计范围； 再通过对各参数敏感度分析得到 了， 设计参数对液压破碎锤冲击能影响的规律及影响程度。经过 参数设计研究， 后续试验研究、 优化分析的效率将大大提高。 通过 对活塞上、 下端半径、 换向阀芯前后腔作用面半径 、 活塞制动信号 口位置和阀芯换向信号口位置的四次试验研究， 成功引入两个约 束变量 o ／ ， 得到换向阀芯前后腔作用面积比与活塞前后腔有效 作用面积比分别对冲击能的影响，确定了四个信号口的位置， 为 优化设计提供参考数据。最后通过结构参数的优化设计分析， 确 定了优化后活塞及换向阀系统的八个结构参数的最佳设计值， 计 算得出优化后的液压破碎锤虚拟样机模型的冲击能， 并与原有参 数进行 了比较分析 。 参考文献 [ 1 ] 许同乐． 影响液压锤性能因素的仿真研究[ J ] ． 润滑与密封， 2 0 0 6 5 1 0 8 -1 l 0 ． [ 2 ] 王亮， 杨国平． 液压破碎锤冲击性能测试方法[ J ] ．建筑机械， 2 0 0 9 6 9 8 -1 o 0 ． [ 3 ] 杨国平， 柴睿． 液压破碎锤冲击活塞没计与制造的若干关键技术[ J ] _机床 与液压． 2 0 0 8 ， 3 6 6 4 1 _ _ 4 3 ． 。 [ 4 ] 裴未迟， 李耀刚， 李运红．基于虚拟样机技术一A D A M s的冲击力模型 [ J ] ．2 0 0 8 ， 3 0 4 5 9 - 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