液压冲击器的优化设计

液压冲击器的优化 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 第18卷第4期 1998年8月 矿业研究与开发 MININGR&D Vo1.18N0.4 Aug.1998 /, b一1液压冲击器的优化设计 / 张新. (长沙矿面面丐磊loo12) 摘要在建立液压冲击器的非线性数学模型后,运用数字仿真计算,以冲击器的系 统效率为目标函数,对系统各主要参教进行7优化设计,为提高其I作效率,改善产 品性能开辟7良好的途径. 关键词液压冲击器数学模型数字仿真.比化设计 —————一)———,,———一)——————一, OptimizingDesignofl~ydraulicHammer zmgXin (ChangshaInstituteofMiningResearch,Changsha.410012) AbstractAfterestablishingthenonlinearmathematicalmodelforthehydraulieham— mer,takingthesystematicefficiencyofhammerastargetfunction,thenummericalsimu- lationwasusedtOoptimizethedeignofmainparametersofthesystem.Thisprovidesa goodwaytoincreasingitsworkingefficiencyandimprovingtheperformanceofthis hammer. KeywordsHydrauliehammer,Mathematicalmodel,Nummericalsimulation,Opti— mizingdesign 1概述 液压冲击器是液压凿岩机与液压碎石器 的主要工作装置有关其运动规律的研究,人 们提出了多种分析方法,其中,以建立非线性 模型,借助计算机数字仿真的分析法最接近 冲击器运动的实际工况在数字仿真的基础 上,运用计算机寻优这一手段来实现液压冲 击器的优化设计,对改善现有产品的工作性 能,开发新型高效节能产品都具有理论意义 与实用价值 本文结合sYG一2O型气液联合液压碎 石器,通过对冲击器系统效率的仿真计算, 效率为目标函数,对冲击器系统进行了优化 一作者工科硕士收祷日期】g98—03一】3 设计 碎石器的工作参数及要求达到的性能指 标如下: 泵的供油量20,3OL/m.n 系统工作油压A?l6.jMPa 单次冲击能120~150J 冲击次数i000~1500次/rain 2冲击器系统的非线性 数学模型 附图为sYG一20型液压碎石器的结构 原理图.该碎石器在活塞尾部设置氮气室,活 塞采用双面间歇进排油的配油方式,由二位 四通阀控制. 第4期张新液压;中击器的优化设计27 通过某些假设,可建立sYG,20型液压 碎石器系统的非线性数学模型 I} 附图sYG一20型液压碎石器结构原理宙 其数学模型为: mYp=FP—F一Fc y一n—Fvn y:K】Y"+K2(户6一P.) — A】P】一A2P2,A3P 目=B】Y+sgn()2(户l—P6) +B.(A—P)] R—sgn(Y)(FlP6+2P3) = A.(户一P.) 如一B.Y+sgn(Y')EBs(户5一P6) +B6(户|一P5)+B(户4一P6)] r H—I(A~aY+AJY+Q一Q)dt l?=?口+?? lPu=pxoV~/y 1r}—I(A.Y+ ll VL—Vh+?y^ lP=Pby./y ly=V一A3y LP:=.y/y 活塞回程加速阶段: Av—Q)dt f—PH—sgn(Y'~)GlY: lPz—P一GY: 活塞回程制动与冲程阶段: fPt=P,sgn(Y')GlYj I户2=PH+sgn(Y~p)G2Y; 阀回程换向阶段: fP=P,一GY 【Ps—P+G 阀冲程换向阶段: fP一P+Gyr 【P5一P2+sgn(Y'p)G5Y 挑一pI. P,=PH+sgn(,xVu)G3Y; Q=Rz(户】--p6)+R2y上(A—A) +(A一户)+Rs(户s一户6) 上述数学模型的假设条件为: (1)油液完全不可压缩且粘度不受压力 影响; (2)蓄能器隔膜变形时无任何抗力且质 量忽略不计; (3)泵的供油量恒定不变; (4)蓄能器与氮气室的气态变化为绝热 过程. 数学模型中各符号的物理意义: ,—— 活塞,阀芯的质量,kg; ,—— 活塞,阀芯的位移,m; yo——回油管集中质心的位移,m; ,n——活塞,阔芯所受油气压台 力,Ni FmFv——活塞,阀芯所受的粘性 阻力,N;. 凡——活塞所受的油,气密封阻力,N; A,A——活塞与阀各腔有效作用面 积,m: P,,户s——活塞与阀各腔的油(气)压, MPa; P——冲击器排油口回油压力,MPa; Po——回油管末端油压,MPa; B,,B——活塞与阀芯各处的粘性阻 矿业研究与开发第l8卷 力系数; F,——活塞与密封的摩擦阻力 系数; K.,K——回油管伯努力方程系数; ?,AVL——高,低压蓄能器容积变 化量,m/s; ,—— 高,低压蓄能器的气腔容 积,m.; ,—— 高,低压蓄能器的气腔气 压,MPa; PV——氮气室的气腔气压与容积t MPa.m: Vx.,V,n——高,低压蓄能器与氮 气室的初始充气容 积,m; pm,P,ao——高,低压蓄能器与氮气 室的初始充气气压, MPa; A,A——活塞进,排油有效面积, m2; 回程加速段:A一A1tApP—A2; 回程制动与冲程段:A=A,A"=A; A,A——阕进,排油有效面积,ii3.; 回程换向段:A一A.,A一A; 冲程换向段:A一A,^=A{ Q——冲击器系统的总泄漏油量, m/s: R,R5——活塞与阀芯各处泄漏损失 系数; G,G一一冲击器各油道的压力损失 系数. 3仿真程序中的效率计算 根据上述数学模型,笔者运用准匀加速 度数值计算方法,用FORTRAN语言编制丁 仿真程序.有关仿真程序巾冲击器系统的效 率计算说明如下. 冲击器在一个工作循环中的能量平衡方 程式为: E.一E+NE 式中:——液压系统输入到冲击器的能量, J; E——冲击器的单次冲击功(有用功), J;E一?:,v为活塞冲击末' 速度.m/s, 三E——除单次冲击功外,各种困素消 耗能量的总和,J. 根据准匀加速度数值计算法,运动体在 一 个时间步长内的加速度视为定值.相应地 将油压视为定值,在一个时间步长内液压系 统的输入功可表示为: Wp=A×V 式中:P,——冲击器的系统油压,MPa; -__ 输入油液的体积,m. 设步长为7.则在一个步长内丘的值 为: 凸E.=A×Q×7' r Eo=l?出 因此得冲击器系统效率: r/=EfEo 4系统主要参数的优化设计 4.1优化设计变量的选取 对于sYG一20型液压碎石器而言,图1 中标注的数组(D.D,D:,D,D,SRJ,s5t,, ,puo,pLo,P….,,V)是一组全面反 映冲击器工作性能的参数,改变上述参数中 的任何一个,冲击器的工作性能都会发生变 化,同时.只有确定了上述一组参数才能进行 冲击器的整体设计.但上述参数中.高,低蓄 能器与氮气室的初始充气容积V,," 由于受结构限制,不可能取得很大,本文采用 泄压冲击器有关蓄能器设计理论计算确定. 因此,数组(DI,D2,Ds,D4.D},SRJ,SSJru-,S 摹4期张新液压冲击器的优化设计29 户,户,户)就是冲击器系统的优化设计变 量. 4.2约束函数的建立 设一维数组(x.x…"x)为冲击器 系统的优化设计变量. 第一步是确定这些变量的取值范围.则 有约束函数? fGX(2J一1)=minc,)一{ lGX(2I)=X''一maxX (J=1,2.…,l1) 式中lmIn("'),max(X"')分别为上述优化 设计变量的取值下限与上限. 第二步是考虑在调用仿真程序进行动态 计算时.在上述范围内产生的点,可能由于参 数不相互匹配,出现非正常现象,导致动态计 算进入死循环.另外对一些不满足设计要求 的点(如冲击能太小),也必须建立约束函数 进行判定. 综上所述,可建立液压冲击器优化设计 数学模型如下: 目标函数:F(x)=1/一rnin 约束函数Gx(,)?O(J=1-2.…,26) 优化设计变量?—Ix.x".x] 式中EF——冲击器的系统效率. 4.3优化设计程序的编制 对基于非线性数字仿真的液压冲击器优 化设计而言,由于目标函数很难写成解析表 达式,而只能通过调用仿真程序来计算目标 函数值.因此本文采用复合形法作为直接寻 优方法.用FORTRAN语言编制了SYG一 2O型液压碎石器的各主要参数优化设计程 序.井根据程序进行计算. 5结论 表1为运月』优化设计程序进行寻优计算 得到的sYG一2O型液压碎石器的主要参数 优化设计计算结果.将上述优化设计参数进 行仿真计算,结果如表2所示. 表ISYG--20型液压碎石器的优化设计结果 表2根据优化设计参数计算的仿真结果 从表2所得到的仿真结果可以看出,运用 优化设计程序对sYG一20型液压碎石器进 行的优化设计,其单次冲击能达到137J,每 分钟冲击次数达1468次,完全满足设计规定 的性能指标,冲击器效率高选64-这样的效 率指标是其它设计方法目前难以达到的 参考文献 1强新.气液嚷合型液压碎石器的动态仿真与优化设 计.长沙矿山研究院硬士学位论文,1994 2酥立周等.机械眈化设计.上海:上海科学技术出版社 1084