CN116522672A - 一种油缸缓冲机构优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种油缸缓冲机构优化方法，包括以下步骤：采集油缸缓冲机构数据；基于所述油缸缓冲机构数据，通过计算和建立模型对油缸缓冲机构进行优化处理，获得优化数据；基于所述优化数据获得优化后的油缸缓冲机构。本发明根据液压缸设计计算步骤，详细分析了液压缸的性能参数、主要几何尺寸、和结构参数，并对活塞杆稳定性进行验算，通过分析得到了优化数据，完成了油缸缓冲机构的优化。
Description
技术领域
本发明属于油缸结构优化技术领域，尤其涉及一种油缸缓冲机构优化方法。
背景技术
油缸作为液压传动系统的执行部件，具有体积小，承载能力强，便于实现直线运动的优点，被广泛应用于冶金、船舶、工程机械等重型装备行业。油缸驱动负载做功，在普通电液换向阀控制作用下，油缸伸出或缩回过程到位时刻，应负载惯性和换向阀切换不及时，导致形成末段产生较大冲击，对液压系统、整机均带来冲击振动，导致设备运行不平稳，极大损坏装备可靠性和寿命。
为降低油缸行程终点的振动冲击，常用的手段是在油缸内部增加缓冲装置，形成节流作用，使油缸运动到终点附近时时形成足够的内压，降低油缸的运动速度，以减小冲击。油缸缓冲节流效果受到自身尺寸结构、驱动负载情况等诸多因素的影响，要设计出适合的缓冲结构，需要进行设计、试验、优化设计的优化迭代，以选择适合油缸自身和满足工况的缓冲结构。
某船舶设备采用油缸驱动前盖动作，结构原理为与曲柄滑块结构，油缸作为滑块结构，驱动前盖绕固定轴旋转，实现前盖的启闭动作控制。前盖启闭到位时刻的冲击严重影响整机的工作性能，为此，需开展油缸缓冲设计，降低前盖启闭的冲击振动。
油缸作为定制化设备，需满足安装接口和功能要求，设计需遵循相关功能基础；同时，需考虑前盖在海水中运动的实际工况，综合考虑海水阻尼等因素的影响，为降低研制成本，提出初步方案后，需建立分析计算模型，得到理论设计结果，并据此进行样机试制，开展油缸缓冲机构数据测定，获取油缸缓冲数据；通过计算和建立模型对油缸缓冲机构进行优化处理，获得优化数据；基于所述优化数据获得优化后的油缸缓冲机构。
油缸作为定制化设计产品，结构参数受安装空间和工况影响，缓冲结构设计还需负载影响，缓冲效果优劣由缓冲结构参数决定。为实现良好的缓冲制动效果，需进行迭代优化设计，暂无成熟的优化设计方案。因此，提出一种油缸缓冲机构优化方法是实现油缸优化设计的必然要求。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种油缸缓冲机构优化方法，以解决现有技术中前盖驱动油缸没有设计缓冲机构的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种油缸缓冲机构优化方法，包括以下步骤：
采集油缸缓冲机构数据；
基于所述油缸缓冲机构数据，通过计算和建立模型对油缸缓冲机构进行优化处理，获得优化数据；
基于所述优化数据获得优化后的油缸缓冲机构。
优选地，所述油缸缓冲机构数据包括缸筒内径、活塞质量、连杆质量、拉杆质量、前盖质量、连杆到前盖转动中心距离、油缸有效行程、设计压力、使用压力、使用环境温度、介质、材料、开启前盖时间、关闭前盖时间、活塞杆最大运动速率、前盖转动平均角速度和前盖重心到前盖转动中心距离。
优选地，所述获得优化数据的过程包括：
通过缓冲机构数据计算变节流缓冲相关参数；
对缓冲机构的变节流缓冲运动过程进行分析，获取运动参数；
优化设计数学建模并进行优化，得到优化结果；
根据优化结果进行结构设计，并对设计结构进行仿真分析，得到优化数据。
优选地，所述计算变节流缓冲相关参数的方法包括：
通过前盖转动平均角速度和前盖重心到前盖转动中心距离计算得到前盖重心运动周向速度；
基于前盖质量、前盖重心绕轴线运动的切向减加速度计算前盖中心的惯性力；
通过基于前盖重心到前盖转动中心距离、连杆到前盖转动中心距离和前盖中心的惯性力计算得到连杆上的作用力；
通过连杆上的作用力和重力加速度计算得到前盖运动产生的惯性质量；
基于阻力系数、海水密度、流体相对物体运动速度、物体垂直于流动方向上的物体表面积计算得到海水流体阻力；
基于前盖距转动轴心的距离、水深压力和转动轴长度计算得到活塞杆所需力；
基于活塞质量、连杆质量、拉杆质量和前盖运动产生的惯性质量得到活塞上的一切运动部分质量。
优选地，所述对缓冲机构的变节流缓冲运动过程进行分析的方法包括：
通过活塞进入缓冲阶段初始速度和活塞缓冲行程计算活塞减速度；
基于活塞减速度建立活塞的运动方程；
基于活塞的运动方程计算缓冲压力。
优选地，所述优化设计数学建模的方法包括：
设计缓冲机构设计过程中的变量，通过所述变量构建目标函数；
通过所述目标函数得到缓冲压力与节流小孔的关系，并对缓冲压力进行约束。
优选地，所述优化的方法包括：
通过遗传算法进行优化，优化过程包括：
输入设计变量并设定种群大小、遗传代数、交叉率和变异率；
生成初始种群并判断是否达到最大迭代次数，当达到最大迭代次数时，输出最优变量；
当没有达到最大迭代次数时，对初始种群进行交叉变异处理，得到更新种群，并判断更新种群进行是否达到最大迭代次数，如果不能达到最大迭代次数则对种群继续更新，直到达到最大迭代次数获得最优变量，所述最优变量即为优化数据。
优选地，所述基于所述优化数据获得优化后的油缸缓冲机构的方法包括：
根据优化数据设计变节流缓冲机构，并对变节流缓冲机构进行分析优化；
基于恒节流缓冲压力与位移设计恒节流缓冲机构；
将优化后的变节流缓冲机构与恒节流缓冲机构结合得到优化后的油缸缓冲机构。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
本发明根据液压缸设计计算步骤，详细分析了液压缸的性能参数、主要几何尺寸、和结构参数，并对活塞杆稳定性进行验算。根据实际需求选定液压缸结构型式，通过详细计算，确定液压缸各项参数，保证设计的可行性；同时，根据材料力学原理，对液压缸活塞杆稳定性进行校验，保证液压缸抗弯强度满足需求。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例的油缸缓冲机构优化方法流程图；
图2为本发明实施例的遗传算法流程图；
图3为本发明实施例的活塞运动速度与时间关系曲线图；
图4为本发明实施例的活塞运动位移与时间关系曲线图；
图5为本发明实施例的缓冲节流面积与时间关系曲线图；
图6为本发明实施例的理想缓冲过程压力变化图；
图7为本发明实施例的三角形结构形式缓冲过程中压力与随位移变化曲线图；
图8为本发明实施例的三角形底边长度变化时的缓冲压力变化曲线图；
图9为本发明实施例的三角形的高变化时的缓冲压力变化曲线图；
图10为本发明实施例的矩形缓冲结构形式相同高度条件下不同底边压力与位移变化曲线图；
图11为本发明实施例的相同底边条件下不同高度缓冲压力与位移变化曲线图；
图12为本发明实施例的不同初始圆孔直径条件下，保持其余节流圆孔直径不变，缓冲位移与缓冲压力变化曲线图；
图13为本发明实施例的保持初始圆孔直径不变，改变第二个圆孔直径尺寸时的缓冲压力与位移变化曲线图；
图14为本发明实施例的不同第三个圆孔直径条件下，缓冲压力与位移变化曲线图；
图15为本发明实施例的恒节流缓冲压力与位移变化曲线图；
图16为本发明实施例的优化后的缓冲结构图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
实施例1
如图1所示，本发明提出了一种油缸缓冲机构优化方法，包括以下步骤：
采集油缸缓冲机构数据；
基于所述油缸缓冲机构数据，通过计算和建立模型对油缸缓冲机构进行优化处理，获得优化数据；
基于所述优化数据获得优化后的油缸缓冲机构。
进一步地优化方案，为了便于计算，作如下假设：
a)节流系数cd恒定；
b)流动状态是紊流；
c)油液是不可压缩的；
d)缓冲过程中，供油压力不变；
e)密封件摩擦阻力相对于惯性力很小，可略去不记。
进一步地优化方案，油缸缓冲机构数据如下：
内径:Φ150mm；
活塞质量：mh＝42.79Kg；
连杆1质量：m1＝63.7Kg；
连杆2质量：m2＝51.2Kg；
拉杆质量：m3＝33.8Kg；
前盖质量：m4＝387.68Kg；
连杆到前盖转动中心距离：d1＝135mm；
油缸有效行程:235mm；
设计压力:12MPa；
使用压力p1:6MPa；
使用环境温度:0～60℃；
介质:32#液压油；
材料:缸筒为铸造铜合金；
开启前盖时间：4s；
关闭前盖时间：4s；
活塞杆最大运动速率:v0＝117.5mm/s＝117.5×10-3m/s；
前盖转动平均角速度：
前盖重心到前盖转动中心距离：L＝172.41mm。
进一步地优化方案，获得优化数据的过程包括：
通过缓冲机构数据计算变节流缓冲相关参数；
对缓冲机构的变节流缓冲运动过程进行分析，获取运动参数；
优化设计数学建模并进行优化，得到优化结果；
根据优化结果进行结构设计，并对设计结构进行仿真分析，得到优化数据。
进一步地优化方案，计算变节流缓冲相关参数的方法如下：
前盖重心运动周向速度：
设前盖重心绕轴线运动在制动缓冲过程中切向减加速度为a4，则制动缓冲过程中中心的惯性力Fc：
前盖在连杆的作用下转动，连杆到前盖转动中心距d1；假设连杆上作用力为Fl，由力矩平衡原理可得前盖运动传递到连杆上的力：
则Fl＝897.81N；
则由于前盖运动产生的惯性质量：
当前盖在转动过程中，在转动方向上会受到海水的流体阻力，流体阻力可通过如下公式计算：
Fd＝CdρV2A/2………………………………(1)
式中:
Cd—阻力系数(Cd＝1.18)；
ρ—海水密度(Kg/m3)；
V—流体相对物体运动速度(m/s)；
A—物体垂直于流动方向上的物体表面积或投影面积(m2)；
前盖绕转动轴旋转，设前盖距转动轴心的距离为x，水深压力为Ph，取一小段dx，面积微元为为Md，计算可得：
水压力产生的转动力矩需要活塞上的力来平衡，活塞杆所需力为Fl2：
Fl2 cos(40)×d1＝Md
折算到活塞上的一切运动部分质量：
mG＝mh+m1+m2+m3+m4g＝42.79+63.7+51.2+33.8+91.52＝283.01Kg。
进一步地优化方案，对缓冲机构的变节流缓冲运动过程进行分析的方法如下：
理想的缓冲机构在缓冲过程中，保持缓冲压力不变，活塞的减速度为常数，即：
式中：
a—活塞减速度(m/s2)；
a0—活塞运动初始减速度(m/s2)；
v0—活塞进入缓冲阶段初始速度(m/s)；
sc—活塞缓冲行程，(sc＝6e-3m)；
计算可得：a＝a0＝2.55m/s2；
在缓冲过程中，油缸活塞的运动方程为：
pc—缓冲腔内的缓冲压力(MPa)；
A—缓冲压力作用在活塞上的有效作用面积(m2)；
p1—液压油的工作压力(MPa)；
p2—液压油的出口压力(p2＝0MPa)；
A1—工作腔活塞的有效作用面积(m2)；
R—折算到活塞上的一切外部载荷，包括重量及油缸内的摩擦力(N)；
G—折算到活塞上的一切运动部分重量，包括活塞、传动机构的重量、前盖的等效运动重量、水的惯性重量等(N)；
g—重力加速度(g＝9.81m/s2)；
缓冲压力按下式计算：
式中：
缓冲时间：
瞬时节流面积：
pcm—平均缓冲压力(MPa)；
S—活塞在运动过程中的瞬时缓冲位移(m)；
Ai—相应于S应有的节流面积(m2)；
Δp—节流孔前后的压差(MPa)；
γ—油的重度(N/m3)；
计算可得：pc＝pcm＝7.25MPa，pcmax≤1.5p1＝9MPa，满足设计要求。
进一步地优化方案，优化设计数学建模的方法如下：
在缓冲机构设计过程中，工作压力P1，工作压力作用面积A1，缓冲腔压力Pc，缓冲腔压力作用面积A，活塞运动速度v0，缓冲行程Sc以及其它初始条件已确定，缓冲机构的设计变量可选为X＝[P1,A1,Pc,A,v0,Sc]。对于小孔节流缓冲机构还需将节流小孔个数N，节流小孔直径dn，节流小孔之间的间距ld作为设计变量，即取X＝[P1,A1,Pc,A,v0,Sc,N,dn,ld]。
对于缓冲机构以缓冲腔内压力为优化目标，目标函数可选为如下形式：
其中：
为当缓冲行程为S时对应的节流面积。
分析可知，缓冲压力Pc最终为与节流小孔个数N，节流小孔直径dn，节流小孔之间的间距ld相关的函数，通过调节节流小孔个数N，节流小孔直径dn，节流小孔之间的间距ld等参数可得到Pc。
在缓冲机构优化设计过程中，为了完成缓冲机构的优化设计，需要一定的约束条件，在一般的机构设计过程中，根据设计要求，选取一定的安全系数，要求使用压力在安全范围之内，缓冲机构在工作时，缓冲腔内的压力会升高，压力最大值需要在设计许用范围内。
缓冲机构工作过程中，缓冲腔内的压力值会发生变化，为了保证缓冲过程的活塞运动平稳，需要缓冲压力波动在一定范围内变化。
进一步地优化方案，采用遗传算法进行优化，优化过程包括：
采用外点惩罚函数法将其转化为无约束问题，外点法带来的好处是不用考虑初始种群中的个体是否位于可行域之内，非常适合遗传算法这种随机搜索方法，当约束形式为g(X)≥0时，由外点法构成的目标函数为：
式中，M(k)为惩罚因子，是一个大于零的递增数列。
在惩罚项中
编码时，先将各变量所能选取的离散值进行排序，则各变量取值与各序列中的序号(连续自然数)一一对应，然后采用整数编码方式，则染色体形式为Xn＝[xn1 xn2 xn3xn4]，其中1≤xni≤ni，ni为第i个变量的取值个数，基因xni表示第i个变量的取值在序列中的序号；此外，还可以采用二进制编码，但编码时变量取值个数需为2n才能与二进制编码形成一一对应，否则须将一个取值对应多个二进制编码，大大降低了搜索效率，所以本文采用整数编码。由染色体中每个基因的数值表示该变量取值在序列中的序号，解码时只需按该值返回到序列中查找。
选择策略采用顺序选择，执行时将种群中的个体按从优到劣的顺序，即目标函数值从小到大的顺序排列，定义其中最好个体的选择概率为q，则第j个个体的选择概率为：
其中NP为种群大小。
此方法的优点在于能提前计算好选择概率，节省算法执行时间，并且选择压力可控。得到选择概率后，采用轮盘法来实现选择操作。
此外遗传算法实现过程中还要考虑的因素有种群大小，遗传代数，交叉率及变异率，它们数值的选取会对收敛速度和结果产生影响。根据设计要求改变工作压力P1，缓冲腔压力Pc，活塞运动速度v0，缓冲行程Sc，节流小孔个数N，节流小孔直径dn，节流小孔之间的间距ld，并进行优化设计分析，程序流程如图2所示。
a)初始化，按设计要求输入各设计参数，工作压力P1，缓冲腔压力Pc，活塞运动速度v0，缓冲行程Sc等，将各设计变量的可选取值输入相对应的数组，设定种群大小，遗传代数，交叉率和变异率等，完成程序的初始化；
b)生成初始种群，种群各染色体为整数编码，各基因上的整数即为该基因所代表设计变量的取值在数组中的位置；
c)解码求适值，通过各染色体基因上的整数返回数组中找到对应的可取值作为设计变量的取值，然后代入适值函数求得种群中各染色体的适应值(目标函数值)，各适应值均存入一个数组；
d)选择、交叉和变异，将各染色体按照适值大小从小到大进行排序，分配选择概率，适值小的选择概率大，适值大的选择概率小，然后随机生成一个小于1的数，如果该数小于前n个个体选择概率之和则选第n个个体为父代，然后随机选择一个母代，然后随机产生一个小于1数，如果该数小于交叉概率则两者进行交叉操作，否则直接将父代作为子代，此后随机产生一个小于1的数，如果该数小于变异概率则在子代某一位上发生变异，通过多次选择产生与初始种群同样大小的新种群；
e)判断是否达到最大迭代次数，如果没有则转入第3)步，否则找出新种群中最优个体作为问题的解。
从以上分析过程可以看出，油缸结构尺寸确定，活塞运动速度确定时，可通过不同的缓冲行程计算得出不同的缓冲面积变化规律，从而最终确定缓冲结构尺寸，完成油缸的缓冲设计。根据缓冲结构的面积变化规律，可设计出不同结构的缓冲机构。
现采用三种结构形式，：多孔式变节流缓冲结构形式，在活塞上按一定距离，一定小孔直径布置多个节流小孔，随着活塞的运动，节流面积减小，活塞运动到位后活塞减速到零；变节流槽三角形缓冲结构形式，在活塞上开一个或多个三角形节流槽，随着活塞的运动，节流面积逐渐减小，当活塞运动到位后减速为零；变节流槽矩形缓冲结构形式，在活塞上开一个或者多个矩形节流槽，随着活塞的运动，节流面积减小，当活塞运动到位时减速为零。
在设计完成之后需对各结构形式进行相关的特性分析及试验验证，根据分析结果与试验结果进行优化设计，最终确定合适的缓冲结构形式。
取缓冲行程6mm，带入上述计算流程中可得在缓冲过程中活塞运动速度与时间曲线，活塞运动位移与时间曲线，缓冲节流面接随时间变化曲线等。图3为活塞运动速度与时间关系曲线，从图中可以看出，活塞在做匀减速运动；图4为活塞运动位移与时间关系曲线；图5为缓冲节流面积与时间关系曲线，从图中可以看出，为了保持缓冲过程中缓冲压力不变，理论上必须使缓冲节流面积成线性规律变化，但是在实际过程中由于油液的粘度、温度，系统泄露，摩擦力等诸多因素对系统的影响，缓冲节流面积与缓冲时间成抛物线规律变化，由于抛物线需数控机床加工，对设备要求较高。从工程角度一般采用底边接近于抛物线形的直线三角槽或矩槽，这样大大降低了加工难度，同时降低了缓冲压力峰值，虽然仍有轻微的脉冲，但对非高精度要求的场合仍然可以很好的满足要求，下面将对各种缓冲结构进行设计计算，并对各种不同的缓冲结构进行优化设计，确定最终的缓冲结构形式。
从图3可以看出，在理想状况下缓冲过程中节流面积成线性规律变化，节流面积初始值为28.1mm2，即最大节流面积为28.1mm2，在缓冲结束末端节流面积为0mm2，即缓冲完全关闭，由此可得出三种不同缓冲结构的参数，缓冲结构在活塞上对称布置，因此单个节流面积为初始值的一半。为了保证在活塞与油缸底部接触后能将缓冲腔内的油排除，在设计三角形与矩形缓冲结构形式时，其高度比缓冲行程要长0.5mm，具体结构参数如下，对于多孔式缓冲结构为了保持面积变化的连续性，在活塞上螺旋布置节流孔，使三个节流孔在空间位置上依次上升。
根据计算步骤和理想状态下的分析结果，结合节流孔有关节流缓冲的液压原理，仿真分析以理想参数进行，为了分析不同结构形式对参数的影响，分别对不同结构形式的缓冲结构在缓冲过程中的压力变化情况进行仿真计算，理想缓冲过程要求压力为一恒定值，理想缓冲过程压力变化如图6所示，但在缓冲过程中实际压力变化并非按实际压力理想，优化设计的过程就是将实际缓冲压力按接近理想状况变化，既要能实现有效缓冲，也不能有强力的压力冲击。
图7为采用三角形结构形式缓冲过程中压力与随位移变化曲线，从图中可以看出，随着缓冲位移的增加，缓冲腔内的压力在初始阶段上升缓慢，在缓冲接近末端时刻压力迅速升高，达到最高值，随后压力垂直下降，缓冲结束。主要是因为三角形面积变化梯度在初始阶段较大，在缓冲结束阶段三角形面积变化梯度较小，导致压力急剧升高。
在缓冲过程中，节流面积的对缓冲压力的影响是十分显著的，对于三角形的缓冲结构形式，其面积变化主要由底边与高决定，在相同高的条件下，改变三角形的底边长度，可以得出一组缓冲压力变化曲线如图8所示，从图中可以看出，随着底边长的增加，缓冲压力的峰值减小，在初始时刻的压力阶跃减小，缓冲效果较好。在相同底边的条件下，改变三角形的高，缓冲压力变化曲线如图9所示，从图中可以看出，随着高度的增加，缓冲压力峰值急剧减小，并且压力最高值出现的时间向前推移，初始时刻的压力阶跃减小。
综合上述仿真结果，当采用三角形缓冲结构形式时，为了保持整个缓冲过程中的运动速度成匀减速运动，在缓冲结束阶段，缓冲节流面积几乎减为零，因此很容易产生很强的压力脉冲，特别是惯性质量很大时。为了达到满意的缓冲效果，在缓冲过程中必须使缓冲面积变化梯度小一些，缓冲行程适当延长。
同理对矩形结构形式的缓冲结构展开分析计算，分析过程与三角形结构形式相同。图10为采用矩形缓冲结构形式相同高度条件下不同底边压力与位移变化曲线，从图中可以看出，底边尺寸越大，其面积变化梯度越大，压力上升趋势越平缓，峰值压力越小，缓冲初始时刻压力突变阶跃值越小；底边条件不变，改变节流矩形窗的高度，图11为在相同底边条件下不同高度缓冲压力与位移变化曲线，从图中可以看出，随着高度的增加，缓冲压力的峰值急剧减小，其缓冲效果显著下降，不能形成有效缓冲。
综合三角形与矩形结构形式缓冲结构仿真分析结果，缓冲结构设计过程中应该使缓冲节流面积变化梯度较小，使缓冲行程适当加长。
对多孔缓冲结构形式展开分析计算，分析过程与三角形结构形式相同。图12为在不同初始圆孔直径条件下，保持其余节流圆孔直径不变，缓冲位移与缓冲压力变化曲线，从图中可以看出，随着初始圆孔直径的增大，其缓冲压力的峰值以及初始压力的阶跃值均减小，但是如果初始圆孔直径过大，其节流面积较大，不能形成有效缓冲，活塞运动到油缸底部时，可能形成刚性撞击，产生较大的震动冲击；保持初始圆孔直径不变，改变第二个圆孔直径尺寸，图13为缓冲压力与位移变化曲线，从图中可以看出，随着第二圆孔直径尺寸的增加，其缓冲压力的变化与采用三角形与矩形结构形式的压力变化近似，压力峰值增加；改变第三个节流孔的尺寸，图14为在不同第三个圆孔直径条件下，缓冲压力与位移变化曲线，从图中可以看出，其缓冲压力变化过程接近理想状况，随着第三个缓冲圆孔直径的增大，其压力阶跃减小。
综合比较几种不同多孔节流缓冲计算结果，当采用多孔节流缓冲结构时，节流面积的变化梯度在初始时刻较小，缓冲结束阶段节流面积变化梯度较大。
相比较采用三角形节流与矩形节流的缓冲结构形式，通过对小孔的优化设计(主要包括小孔位置的布置，小孔直径的设计)，采用多孔形节流缓冲结构形式，缓冲压力的变化与理想状态变化曲线近似，没有较强的压力峰值冲击，整个过程缓冲压力变化平稳。
进一步地优化方案，恒节流缓冲结构相比变节流缓冲结构，其结构简单，在缓冲的开始阶段缓冲制动力很大，制动时间短。图15为恒节流缓冲压力与位移变化曲线，从图中可以看出，在进入缓冲压力阶段，缓冲腔内的压力急剧升高，初始缓冲制动压力很大，随着缓冲位移的增大，缓冲压力成直线下降，在缓冲结束阶段，由于压力下降过快，已不能形成有效缓冲。
为了达到较好的缓冲效果，根据计算结果确定最终的缓冲结构形式，油缸的缓冲设计采用变节流与恒节流相结合的缓冲结构形式，节流方式采用小孔节流。其结构形式如图16所示，变节流缓冲结构形式采用多孔结构，恒节流缓冲结构形式采用盘式平面缓冲，在平板上钻有小孔，设计过程中适当延长缓冲行程，为消除初始状态时刻的压力峰值冲击，缓冲结构的初始节流面积应较大。
以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种油缸缓冲机构优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
采集油缸缓冲机构数据；
基于所述油缸缓冲机构数据，通过计算和建立模型对油缸缓冲机构进行优化处理，获得优化数据；
基于所述优化数据获得优化后的油缸缓冲机构。
2.根据权利要求1所述的油缸缓冲机构优化方法，其特征在于，所述油缸缓冲机构数据包括缸筒内径、活塞质量、连杆质量、拉杆质量、前盖质量、连杆到前盖转动中心距离、油缸有效行程、设计压力、使用压力、使用环境温度、介质、材料、开启前盖时间、关闭前盖时间、活塞杆最大运动速率、前盖转动平均角速度和前盖重心到前盖转动中心距离。
3.根据权利要求1所述的油缸缓冲机构优化方法，其特征在于，所述获得优化数据的过程包括：
通过缓冲机构数据计算变节流缓冲相关参数；
对缓冲机构的变节流缓冲运动过程进行分析，获取运动参数；
优化设计数学建模并进行优化，得到优化结果；
根据优化结果进行结构设计，并对设计结构进行仿真分析，得到优化数据。
4.根据权利要求3所述的油缸缓冲机构优化方法，其特征在于，所述计算变节流缓冲相关参数的方法包括：
通过前盖转动平均角速度和前盖重心到前盖转动中心距离计算得到前盖重心运动周向速度；
基于前盖质量、前盖重心绕轴线运动的切向减加速度计算前盖中心的惯性力；
通过基于前盖重心到前盖转动中心距离、连杆到前盖转动中心距离和前盖中心的惯性力计算得到连杆上的作用力；
通过连杆上的作用力和重力加速度计算得到前盖运动产生的惯性质量；
基于阻力系数、海水密度、流体相对物体运动速度、物体垂直于流动方向上的物体表面积计算得到海水流体阻力；
基于前盖距转动轴心的距离、水深压力和转动轴长度计算得到活塞杆所需力；
基于活塞质量、连杆质量、拉杆质量和前盖运动产生的惯性质量得到活塞上的一切运动部分质量。
5.根据权利要求3所述的油缸缓冲机构优化方法，其特征在于，所述对缓冲机构的变节流缓冲运动过程进行分析的方法包括：
通过活塞进入缓冲阶段初始速度和活塞缓冲行程计算活塞减速度；
基于活塞减速度建立活塞的运动方程；
基于活塞的运动方程计算缓冲压力。
6.根据权利要求3所述的油缸缓冲机构优化方法，其特征在于，所述优化设计数学建模的方法包括：
设计缓冲机构设计过程中的变量，通过所述变量构建目标函数；
通过所述目标函数得到缓冲压力与节流小孔的关系，并对缓冲压力进行约束。
7.根据权利要求3所述的油缸缓冲机构优化方法，其特征在于，所述优化的方法包括：
通过遗传算法进行优化，优化过程包括：
输入设计变量并设定种群大小、遗传代数、交叉率和变异率；
生成初始种群并判断是否达到最大迭代次数，当达到最大迭代次数时，输出最优变量；
当没有达到最大迭代次数时，对初始种群进行交叉变异处理，得到更新种群，并判断更新种群进行是否达到最大迭代次数，如果不能达到最大迭代次数则对种群继续更新，直到达到最大迭代次数获得最优变量，所述最优变量即为优化数据。
8.根据权利要求1所述的油缸缓冲机构优化方法，其特征在于，所述基于所述优化数据获得优化后的油缸缓冲机构的方法包括：
根据优化数据设计变节流缓冲机构，并对变节流缓冲机构进行分析优化；
基于恒节流缓冲压力与位移设计恒节流缓冲机构；
将优化后的变节流缓冲机构与恒节流缓冲机构结合得到优化后的油缸缓冲机构。
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