王志紅，盧夢成，尹冬冬，秦 可

(1.武漢理工大學(xué) 現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學(xué) 汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430070)

高空作業(yè)車是運(yùn)送工作人員和使用器材到現(xiàn)場并進(jìn)行空中作業(yè)的專用車輛[1]。高空作業(yè)車變幅動作的平穩(wěn)性直接影響高空作業(yè)車工作時的安全性以及相關(guān)液壓元件的使用壽命，并且變幅液壓系統(tǒng)中的平衡閥是影響系統(tǒng)平穩(wěn)性的一個重要液壓元件[2]。新開發(fā)的一款伸縮臂式高空作業(yè)車，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。以變幅液壓系統(tǒng)為研究對象，基于AMESim系統(tǒng)建模和仿真軟件建立了變幅液壓系統(tǒng)仿真模型，通過仿真方法研究系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)對變幅液壓系統(tǒng)動態(tài)特性的影響，并對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 高空作業(yè)車結(jié)構(gòu)簡圖

1 高空作業(yè)車變幅液壓系統(tǒng)

高空作業(yè)車的變幅液壓系統(tǒng)主要由變幅液壓缸、平衡閥、電磁換向閥等組成。由于高空作業(yè)車對安全性以及穩(wěn)定性要求較高，因此液壓回路中采用雙向平衡閥，以提高高空作業(yè)車工作臂變幅動作的可靠性，同時提高變幅液壓缸運(yùn)動的穩(wěn)定性；電磁換向閥中位采取Y型，在變幅液壓系統(tǒng)不工作時，使變幅液壓缸驅(qū)動腔卸荷，避免平衡閥被驅(qū)動腔中封閉的壓力開啟，從而導(dǎo)致變幅液壓缸回縮的現(xiàn)象，變幅液壓系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 變幅液壓系統(tǒng)

2 平衡閥工作原理

高空作業(yè)車變幅液壓系統(tǒng)平衡閥采用的是布赫Cindy系列平衡閥，該平衡閥常用于挖掘機(jī)、起重機(jī)等工程機(jī)械的動臂、多級缸的控制[3]。平衡閥結(jié)構(gòu)如圖3所示，其主要有負(fù)載保持功能、單向功能和液控節(jié)流等功能。

圖3 布赫平衡閥結(jié)構(gòu)圖

(1)負(fù)載保持功能。壓力油從口①流入主閥芯的背壓腔，主閥芯和先開閥芯一起向左移動并壓在閥座上?？冖俸涂冖跊]有連通，因此口①和口②無壓力，此時具有負(fù)載保持功能。

(2)單向功能。壓力油從口②進(jìn)入并作用于先開閥芯和主閥芯上，主閥芯和先開閥芯一起向右移動，當(dāng)其克服先開閥芯彈簧預(yù)緊力后離開閥座，因此壓力油從口②流向口①，通道2-1導(dǎo)通。

(3)液控節(jié)流功能。壓力油從口③進(jìn)入，通過過濾片以及阻尼孔，并作用在控制活塞左端的大面積上。當(dāng)作用力克服彈簧的預(yù)緊力后，使得控制活塞向右移動。控制活塞帶動先開閥芯向右移動，從而克服控制活塞彈簧的預(yù)緊力。使得主閥芯背壓腔先后經(jīng)過先開閥芯中的小孔、先開閥芯與主閥芯之間的節(jié)流口，回油通道連通，因此壓力下降。主閥芯在壓差的作用下向右移動，通道1-2開口增大。

3 變幅系統(tǒng)動態(tài)特性仿真

液壓系統(tǒng)的動態(tài)特性是指液壓系統(tǒng)由失去原來的平衡狀態(tài)達(dá)到新的平衡狀態(tài)過程中所表現(xiàn)出來的特性。液壓系統(tǒng)達(dá)到新的平衡狀態(tài)時，各參數(shù)量的變化速率是衡量液壓系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。筆者主要以變幅液壓缸活塞桿加速度的變化評價變幅液壓系統(tǒng)穩(wěn)定性。

AMESim是法國IMAGINE公司推出的一款可用于流體動力、機(jī)械、熱流體和控制系統(tǒng)仿真分析的軟件。AMESim采用基于物理模型的圖形化建模方式，為用戶提供了豐富的元件應(yīng)用庫[4]。通過AMESim軟件進(jìn)行建模時，可根據(jù)變幅液壓系統(tǒng)原理圖，在保證性能要求的情況下能夠適當(dāng)簡化建模，在 AMESim 的液壓、機(jī)械、信號庫中通過選擇相應(yīng)的元件模型構(gòu)建出變幅液壓系統(tǒng)回路的仿真模型，并對每個元件選取子模型[5]。AMESim 液壓中的電磁閥可以作為伺服閥、比例閥和換向閥用，根據(jù)液壓系統(tǒng)實際情況本仿真模型中需要一個電磁換向閥。模型中的電磁換向閥都是通過輸入的控制信號改變液壓油流向，信號為階躍信號[6]。

在建模時將液壓系統(tǒng)的管道假設(shè)為剛性，沒有考慮管道的長度[7]。液壓元件設(shè)計庫功能模塊可以根據(jù)幾何形狀以及物理特性詳細(xì)構(gòu)建各種液壓元件[8]，在 AMESim 中運(yùn)用液壓元件設(shè)計庫建立的變幅液壓系統(tǒng)仿真模型如圖4所示。

圖4 變幅液壓系統(tǒng)仿真模型

3.1 模型的參數(shù)設(shè)置

在AMESim參數(shù)模式中設(shè)置所有的液壓元件參數(shù)，表1中列出了主要的液壓元件參數(shù)。

表1 主要液壓元件仿真參數(shù)

根據(jù)高空作業(yè)車工作裝置實際運(yùn)動過程對變幅液壓系統(tǒng)進(jìn)行信號源參數(shù)設(shè)置。假設(shè)變幅液壓缸活塞桿向外伸出10 s后停止；然后液壓缸保持靜止5 s；最后液壓缸活塞桿縮回10 s后停止。模擬高空作業(yè)車變幅起升，然后保持靜止，最后變幅下降的經(jīng)典工況。按照運(yùn)動過程設(shè)置電磁換向閥的信號源如圖5所示。

圖5 信號源參數(shù)

3.2 仿真結(jié)果分析

(1)泵轉(zhuǎn)速的影響。高空作業(yè)車變幅液壓系統(tǒng)是在恒定的泵轉(zhuǎn)速下工作，但是在變幅作業(yè)之前可以通過調(diào)節(jié)油門控制泵轉(zhuǎn)速。圖6是泵轉(zhuǎn)速為2 000 r/min、2 500 r/min以及3 000 r/min時變幅液壓缸活塞桿加速度響應(yīng)曲線， 由圖6可以看出，在變幅液壓缸活塞桿的伸出運(yùn)動階段末期、靜止階段以及縮回運(yùn)動階段末期時，變幅液壓缸活塞桿加速度的波動較大，并且隨著液壓泵轉(zhuǎn)速的增大，變幅液壓缸活塞桿的加速度波動呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

圖6 不同泵轉(zhuǎn)速時活塞桿加速度響應(yīng)曲線

(2)系統(tǒng)壓力的影響。圖7是系統(tǒng)壓力為16 MPa、19 MPa和21 MPa時系統(tǒng)壓力對活塞桿加速度的響應(yīng)曲線，由圖7可以看出，在變幅液壓缸活塞桿的伸出運(yùn)動階段、靜止階段前期以及縮回運(yùn)動階段末期時，變幅液壓缸活塞桿加速度的波動較大，并且系統(tǒng)壓力越大，變幅液壓缸活塞桿加速度波動越小，變幅液壓系統(tǒng)平穩(wěn)性越好。

圖7 不同系統(tǒng)壓力時活塞桿加速度響應(yīng)曲線

(3)主閥芯彈簧剛度的影響。圖8是主閥芯彈簧剛度為100 N/mm、150 N/mm和200 N/mm時主閥芯彈簧剛度對活塞桿加速度的響應(yīng)曲線，由圖8可以看出，在變幅液壓缸的伸出運(yùn)動階段前期、靜止階段以及縮回運(yùn)動階段末期時，變幅液壓缸活塞桿加速度的波動較大，并且平衡閥的主閥芯彈簧剛度越大，變幅液壓缸活塞桿的加速度波動越大，變幅液壓系統(tǒng)的平穩(wěn)性越差。

圖8 不同主閥芯彈簧剛度時活塞桿加速度響應(yīng)曲線

(4)控制口阻尼孔直徑。圖9是控制口阻尼孔直徑為0.6 mm、0.8 mm和1.0 mm時變幅液壓缸活塞桿加速度的響應(yīng)曲線，由圖9可以看出，在變幅液壓缸活塞桿伸出運(yùn)動階段、靜止階段以及縮回運(yùn)動階段末期時，變幅液壓缸活塞桿加速度的波動較大，并且平衡閥的控制口阻尼孔直徑越大，變幅液壓缸活塞桿的加速度波動越大，變幅液壓系統(tǒng)的平穩(wěn)性越差。

圖9 不同阻尼孔直徑時活塞桿加速度響應(yīng)曲線

4 變幅液壓系統(tǒng)動態(tài)特性優(yōu)化

以高空作業(yè)車的變幅液壓系統(tǒng)動態(tài)特性仿真模型為基礎(chǔ)，以提高高空作業(yè)車的變幅液壓系統(tǒng)穩(wěn)定性為目標(biāo)，對高空作業(yè)車的變幅液壓系統(tǒng)動態(tài)性能進(jìn)行優(yōu)化。

4.1 優(yōu)化算法

在AMESim軟件中的Design Exploration功能模塊中提供了兩種優(yōu)化算法：NLPQL(nonliear quadratic programming algorithm)和遺傳算法。NLPQL是利用順序二次規(guī)劃(sequential quadratio programming,SQP)的算法，SQP是一種利用目標(biāo)函數(shù)和約束條件的梯度來解決非線性優(yōu)化問題的方法。由于NLPQL使用的是梯度概念，因此不適用于離散參數(shù)的優(yōu)化。該方法的特點是一旦找到一個局部最小值優(yōu)化即停止，因此，給定的初始值對獲得的優(yōu)化結(jié)果起到很重要的作用。

遺傳算法是一種模仿生物進(jìn)化過程的優(yōu)化方法，它通過將問題的求解表示為自然進(jìn)化中適者生存的過程來求得問題的最優(yōu)解。AMESim軟件中遺傳算法的運(yùn)行過程是首先隨機(jī)地生成一個種群，保留最好的個體，淘汰其他的個體；然后隨機(jī)地挑選最好的個體作為父代交叉從而獲得這些個體的子代，并且選擇接近于父代的參數(shù)。個體也會有一定的概率變異，它們的參數(shù)值可以進(jìn)行改變。最后，經(jīng)過若干次迭代后，個體將收斂至一個或數(shù)個最優(yōu)解[9]。

4.2 優(yōu)化步驟

(1)根據(jù)優(yōu)化目的，確定優(yōu)化目標(biāo)。為了提示高空作業(yè)車的變幅液壓系統(tǒng)穩(wěn)定性，根據(jù)變幅液壓系統(tǒng)的動態(tài)特性仿真結(jié)果選取泵轉(zhuǎn)速、系統(tǒng)壓力、平衡閥主閥芯彈簧剛度和控制口阻尼孔直徑作為優(yōu)化對象，將高空作業(yè)車的變幅液壓系統(tǒng)中變幅液壓缸活塞桿的運(yùn)動加速度均方根值作為優(yōu)化目標(biāo)以表征變幅液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

(2)確定設(shè)計變量以及約束條件。在AMESim軟件中打開Export setup功能模塊，分別在Input Parameters(輸入?yún)?shù))和Simple Output Parameters(簡單輸入?yún)?shù))中設(shè)置輸入和輸出變量。根據(jù)高空作業(yè)車的變幅液壓系統(tǒng)動態(tài)特性的仿真結(jié)果選取泵轉(zhuǎn)速、系統(tǒng)壓力、平衡閥主閥芯彈簧剛度和控制口阻尼孔直徑作為輸入?yún)?shù)，將變幅液壓系統(tǒng)中變幅液壓缸活塞桿的運(yùn)動加速度作為輸出參數(shù)，以變幅液壓系統(tǒng)動態(tài)特性批運(yùn)行的仿真結(jié)果設(shè)置約束條件，變幅液壓系統(tǒng)的設(shè)計變量如表2所示。

表2 設(shè)計變量

(3)定義優(yōu)化過程。在AMESim軟件運(yùn)行模式中打開Design Exploration(設(shè)計探索)模塊，按照所設(shè)計的參數(shù)變量及約束條件創(chuàng)建優(yōu)化過程，選擇遺傳算法作為優(yōu)化方法，遺傳算法參數(shù)設(shè)置如表3所示。

4.3 優(yōu)化結(jié)果分析

利用AMESim軟件設(shè)計探索模塊中的優(yōu)化工具Optimization中的遺傳算法對高空作業(yè)車的變幅液壓系統(tǒng)動態(tài)特性進(jìn)行優(yōu)化，初始種群生成后進(jìn)行迭代計算，在經(jīng)過20代進(jìn)化后，滿足結(jié)束條件，優(yōu)化計算結(jié)束，最終通過計算輸出各參數(shù)的最優(yōu)解，優(yōu)化前后的結(jié)果對比如表4所示。

表3 遺傳算法參數(shù)設(shè)置

表4 變幅液壓系統(tǒng)動態(tài)特性參數(shù)優(yōu)化前后對比

將通過遺傳算法得到的變幅液壓系統(tǒng)動態(tài)特性的優(yōu)化參數(shù)應(yīng)用到變幅液壓系統(tǒng)的動態(tài)特性仿真模型中，獲得優(yōu)化前后變幅液壓缸的活塞桿加速度響應(yīng)曲線如圖10所示。

圖10 優(yōu)化前后變幅液壓缸活塞桿加速度響應(yīng)曲線

由圖10可知，在變幅液壓缸活塞桿的伸出運(yùn)動階段、靜止階段以及縮回運(yùn)動階段末期時，變幅液壓系統(tǒng)參數(shù)經(jīng)過優(yōu)化后的變幅液壓缸活塞桿加速度的波動明顯減小，優(yōu)化前的變幅液壓缸活塞桿的加速度峰值為1.5 m/s2左右，優(yōu)化后的變幅液壓缸活塞桿的加速度峰值為0.8 m/s2左右。由表4可知，通過遺傳算法優(yōu)化后，變幅液壓缸活塞桿的加速度均方根值減少了43.5%，優(yōu)化效果明顯。

5 結(jié)論

(1)分析了高空作業(yè)車變幅液壓系統(tǒng)以及平衡閥工作原理，并基于AMESim建立了高空作業(yè)車變幅液壓系統(tǒng)仿真模型，通過批運(yùn)行分析了相關(guān)參數(shù)的變化對變幅液壓系統(tǒng)動態(tài)特性的影響。

(2)由仿真結(jié)果可知，泵的轉(zhuǎn)速越大，活塞桿的加速度波動越大，系統(tǒng)平穩(wěn)性越差；系統(tǒng)壓力越大，活塞桿的加速度波動越小，系統(tǒng)平穩(wěn)性越好；平衡閥主閥芯彈簧剛度及控制口阻尼孔直徑越大，活塞桿加速度波動越大，系統(tǒng)平穩(wěn)性越差。

(3)基于遺傳算法對影響變幅液壓系統(tǒng)動態(tài)特性的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到了變幅液壓系統(tǒng)的最優(yōu)參數(shù)，仿真結(jié)果表明，優(yōu)化后變幅液壓缸活塞桿的加速度均方根值減少了43.5%，優(yōu)化效果明顯，對變幅液壓系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供了一定的參考。