液压油缸圆柱形缓冲装置缓冲过程仿真与参数优化研究
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摘 要 ：研 究了液压油缸缓 冲装 置的工作 机理 ，建立了液压油缸 圆柱形缓 冲装 置缓 冲过程的数学模 型和 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真模 型 ；针对缓 冲装 置的结构参数对活塞末 速度 和缓冲腔最大压力 的影 响 ，建 立 了优化 目标 函数 ，进 行 了结构参 数寻优 。研究 成果 可用 于液压油缸 圆柱形缓 冲装 置的设计和结构优化 。
２０１２年 ２月 第 ４０卷 第 ３期
机床 与液压
Ｍ ＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ
Ｆｅｂ．２０１２ Ｖｏ１．４０ Ｎｏ．３
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—３８８１．２０１２．０３．０４１
液压油缸圆柱形缓冲装置缓冲过程仿真 与参数优化研究
高钦 和 ， 宋海 洲 （第二炮兵工程学院， 陕 西 西 安 ７１００２５）
关键词 ：液压油缸 ；缓冲 ；仿真 ；参数优化 中图分 类号 ：ＴＨ１３７．５１ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１００１—３８８１ （２０１２）３—１４５—３
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｐａｒａｍ ｅｔｅｒ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｉｍ ｕｌａｔｉｏｎ ｏｎ Ｂｕｆｅｒｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｃｙｌｉｎｄｅｒ Ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ Ｂｕｆｅｒｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ ＧＡＯ Ｑｉｎｈｅ，ＳＯＮＧ Ｈａｉｚｈｏｕ
（Ｔｈｅ Ｓｅｃｏｎｄ Ａｒｔｉｌｌｅｒｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｘｉ’ａｎ Ｓｈａａｎｘｉ ７１００２５，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｂｕｆｅｒｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ ｗｅｒｅ ｓｅｔ ｕｐ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｂｕｆｅｔｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ． Ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｂｕｆｅｔ ｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ ｗｅｒｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｅｓｔａｂｌｉｓｈ ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ａｉｍｅｄ ａｔ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｔｏ ｂｕｆｅｔ ｉｎｇ ｅｆｅｃｔ Ｏｎ ｍａｘｉｍｕｍ ｂｕｆｅｒ ｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｅｎｄ—ｓｐｅｅｄ ｏｆ ｐｉｓｔｏｎ．Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ Ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｂｕｆｆｅｔｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ ｉｎ ｈｙｄ ｒ ａｕｌｉｃ ｃｙｌｉｎｄｅｒ．
＝ｐ。Ａｏ－Ｐ，ＩＡｌ一，一 一 ，ｌ１．ｄ２（ ｇｌｐ １＋ｇ２ｐｖ２）
告‘ ｄｐｖｌ ｄ２
（Ａ１＋ｑ１ ７ｒ
４ ，
Ｏｐ－￣ · ｄＰ￣２ ４ ｘ’＋ ＣｄＡｖ ｐ
（１） 式 中：ｍ为 活塞 和 负载 折 算 到活 塞上 的 总质 量 ；Ａ。 为活塞工作腔受力 面积 ；Ａ．为活塞缓 冲腔受力 面积 ； 卢 为活塞 和负 载 折算 到活 塞 上 的黏性 阻尼 系 数 ； 为油液体积 弹性模 量 ；在局 部损失 阶段 ｑ，＝１，ｑ ＝ ０；在锐缘节 流 阶段 和缝 隙 节流 阶 段 ｑ ＝０，ｑ ＝１ Ｑ¨ Ｑ。为缓 冲腔 流 向排 油腔 的流量 ； 为 缓 冲腔 的 可变容积 ； 为 排油腔 的可 变容积 ；Ｃｄｐ为 排油腔后 断面突然收 缩流 量系 数 ；Ａ 为排 油腔 回油 的过流 面 积 ；Ｐ为油液密度 。
内径 为 Ｄ，缓冲柱塞 的长 度为 Ｚ；将 工作腔 连恒 压油
源 ，排油腔连油箱 。
捧 油 腔 缓 冲 腔
工作 腔
图 １ 液 压油缸示意 图
将圆柱形缓冲装置 的缓 冲过程分为 ３个 阶段缝 隙节流 阶段 。设 油 缸工作腔压力为Ｐ。，缓 冲腔压力为 Ｐ ，排油腔压力为 Ｐ ，活塞杆所受外负载力为 Ｆ，活塞位移为 。分别建 立各 个缓冲阶段的力平衡方程 和流量连续性方程 ，采 用流量 比较法确定 ３个 阶段 的过渡点。可得 到式 （１） 所示 的液压油缸末端缓 冲过程的数学模型 Ｊ。
收稿 日期 ：２０１１—０１—２０ 作者简 介 ：高钦 和 （１９６８一 ），男 ，教授 ，博士生导师 ，研 究方 向为兵器发射理论与技术 。Ｅ—ｍａｉｌ：ｓｈｚｓｈｚｈｏｕ＠１２６．ｃｏｍ。
· １４６·
机床与液压
第 ４０卷
２ 缓 冲过 程的仿 真 根据 已建立 的液 压油 缸末 端缓 冲过程 的数 学 模
装 置来减小液压 冲击 的影 响。作者针对液压油 缸圆柱
形末端缓冲装置建立 了数学 和仿 真模 型 ，研究 了结构
参 数的优化 问题 。
１ 缓 冲过 程 的数学 建模
如图 １所示 ，液压 油缸中活塞的端部具有 圆柱形
缓 冲柱塞 ，缓冲柱塞的直径为 ｄ；相应 地在缸套 的端
部 具有圆柱 形排 油腔 ，排油 腔 的 内径 为 ｄ ；缸套 的
型 ，按 ３个 阶段分别建立各个 阶段的仿真模型和各阶 段之 间过渡点 的仿真模 型 ，如 图 ２所示 。设 置仿
真模型 的算法为 ｏｄｅ２３ｓ，仿真时间设置为 １ ｓ。 的初 值为 １０ ｍ／ｓ， 的初值 为 ０，缓 冲柱 塞离排 油孔 的初 始距离为 ０．０３ ｍ。
力
缝 隙节 流阶 段
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｙｌｉｎｄｅｒ；Ｂｕｆ ｅｒ；Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；Ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ
液压系统工作过程 中的瞬时冲击压 力可能高于正
常工作压力 的 ３—４倍 ，对 系统 的性能稳 定性 和工
作 可靠性产生较大影响 ，所 以需采用必要 的液 压缓 冲
图 ２ 圆柱形 缓冲装置的仿 真模 型
对模型 中的参数进行赋值 ，如表 １所示 。
决定液压油缸缓冲效果好坏的指标有 两个 ，分别
２０１２年 ２月 第 ４０卷 第 ３期
机床 与液压
Ｍ ＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ
Ｆｅｂ．２０１２ Ｖｏ１．４０ Ｎｏ．３
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—３８８１．２０１２．０３．０４１
液压油缸圆柱形缓冲装置缓冲过程仿真 与参数优化研究
高钦 和 ， 宋海 洲 （第二炮兵工程学院， 陕 西 西 安 ７１００２５）
关键词 ：液压油缸 ；缓冲 ；仿真 ；参数优化 中图分 类号 ：ＴＨ１３７．５１ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１００１—３８８１ （２０１２）３—１４５—３
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｐａｒａｍ ｅｔｅｒ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｉｍ ｕｌａｔｉｏｎ ｏｎ Ｂｕｆｅｒｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｃｙｌｉｎｄｅｒ Ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ Ｂｕｆｅｒｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ ＧＡＯ Ｑｉｎｈｅ，ＳＯＮＧ Ｈａｉｚｈｏｕ
（Ｔｈｅ Ｓｅｃｏｎｄ Ａｒｔｉｌｌｅｒｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｘｉ’ａｎ Ｓｈａａｎｘｉ ７１００２５，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｂｕｆｅｒｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ ｗｅｒｅ ｓｅｔ ｕｐ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｂｕｆｅｔｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ． Ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｂｕｆｅｔ ｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ ｗｅｒｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｅｓｔａｂｌｉｓｈ ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ａｉｍｅｄ ａｔ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｔｏ ｂｕｆｅｔ ｉｎｇ ｅｆｅｃｔ Ｏｎ ｍａｘｉｍｕｍ ｂｕｆｅｒ ｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｅｎｄ—ｓｐｅｅｄ ｏｆ ｐｉｓｔｏｎ．Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ Ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｂｕｆｆｅｔｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ ｉｎ ｈｙｄ ｒ ａｕｌｉｃ ｃｙｌｉｎｄｅｒ．
＝ｐ。Ａｏ－Ｐ，ＩＡｌ一，一 一 ，ｌ１．ｄ２（ ｇｌｐ １＋ｇ２ｐｖ２）
告‘ ｄｐｖｌ ｄ２
（Ａ１＋ｑ１ ７ｒ
４ ，
Ｏｐ－￣ · ｄＰ￣２ ４ ｘ’＋ ＣｄＡｖ ｐ
（１） 式 中：ｍ为 活塞 和 负载 折 算 到活 塞上 的 总质 量 ；Ａ。 为活塞工作腔受力 面积 ；Ａ．为活塞缓 冲腔受力 面积 ； 卢 为活塞 和负 载 折算 到活 塞 上 的黏性 阻尼 系 数 ； 为油液体积 弹性模 量 ；在局 部损失 阶段 ｑ，＝１，ｑ ＝ ０；在锐缘节 流 阶段 和缝 隙 节流 阶 段 ｑ ＝０，ｑ ＝１ Ｑ¨ Ｑ。为缓 冲腔 流 向排 油腔 的流量 ； 为 缓 冲腔 的 可变容积 ； 为 排油腔 的可 变容积 ；Ｃｄｐ为 排油腔后 断面突然收 缩流 量系 数 ；Ａ 为排 油腔 回油 的过流 面 积 ；Ｐ为油液密度 。
内径 为 Ｄ，缓冲柱塞 的长 度为 Ｚ；将 工作腔 连恒 压油
源 ，排油腔连油箱 。
捧 油 腔 缓 冲 腔
工作 腔
图 １ 液 压油缸示意 图
将圆柱形缓冲装置 的缓 冲过程分为 ３个 阶段缝 隙节流 阶段 。设 油 缸工作腔压力为Ｐ。，缓 冲腔压力为 Ｐ ，排油腔压力为 Ｐ ，活塞杆所受外负载力为 Ｆ，活塞位移为 。分别建 立各 个缓冲阶段的力平衡方程 和流量连续性方程 ，采 用流量 比较法确定 ３个 阶段 的过渡点。可得 到式 （１） 所示 的液压油缸末端缓 冲过程的数学模型 Ｊ。
收稿 日期 ：２０１１—０１—２０ 作者简 介 ：高钦 和 （１９６８一 ），男 ，教授 ，博士生导师 ，研 究方 向为兵器发射理论与技术 。Ｅ—ｍａｉｌ：ｓｈｚｓｈｚｈｏｕ＠１２６．ｃｏｍ。
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机床与液压
第 ４０卷
２ 缓 冲过 程的仿 真 根据 已建立 的液 压油 缸末 端缓 冲过程 的数 学 模
装 置来减小液压 冲击 的影 响。作者针对液压油 缸圆柱
形末端缓冲装置建立 了数学 和仿 真模 型 ，研究 了结构
参 数的优化 问题 。
１ 缓 冲过 程 的数学 建模
如图 １所示 ，液压 油缸中活塞的端部具有 圆柱形
缓 冲柱塞 ，缓冲柱塞的直径为 ｄ；相应 地在缸套 的端
部 具有圆柱 形排 油腔 ，排油 腔 的 内径 为 ｄ ；缸套 的
型 ，按 ３个 阶段分别建立各个 阶段的仿真模型和各阶 段之 间过渡点 的仿真模 型 ，如 图 ２所示 。设 置仿
真模型 的算法为 ｏｄｅ２３ｓ，仿真时间设置为 １ ｓ。 的初 值为 １０ ｍ／ｓ， 的初值 为 ０，缓 冲柱 塞离排 油孔 的初 始距离为 ０．０３ ｍ。
力
缝 隙节 流阶 段
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｙｌｉｎｄｅｒ；Ｂｕｆ ｅｒ；Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；Ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ
液压系统工作过程 中的瞬时冲击压 力可能高于正
常工作压力 的 ３—４倍 ，对 系统 的性能稳 定性 和工
作 可靠性产生较大影响 ，所 以需采用必要 的液 压缓 冲
图 ２ 圆柱形 缓冲装置的仿 真模 型
对模型 中的参数进行赋值 ，如表 １所示 。
决定液压油缸缓冲效果好坏的指标有 两个 ，分别