姜濤,黃偉,王安麟

(同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院,201804,上海)

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多路換向閥換向耦合閥口節(jié)流結(jié)構(gòu)拓?fù)湓O(shè)計(jì)

姜濤,黃偉,王安麟

(同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院,201804,上海)

為解決多路換向閥換向過(guò)渡過(guò)程中分流特性所帶來(lái)的閥口間節(jié)流結(jié)構(gòu)耦合作用問(wèn)題,提出多路換向閥換向耦合閥口節(jié)流結(jié)構(gòu)拓?fù)湓O(shè)計(jì)方法。將耦合閥口節(jié)流槽結(jié)構(gòu)分類(lèi)為由U型槽、半圓槽、圓孔槽等結(jié)構(gòu)組成的參數(shù)化組合構(gòu)成,構(gòu)建出多路換向閥工作口流量與其閥口節(jié)流槽結(jié)構(gòu)變量間的函數(shù)模型;在驗(yàn)證多路換向閥三維流體解析與其動(dòng)態(tài)特性臺(tái)架實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上,以設(shè)定的多路換向閥換向過(guò)渡過(guò)程工作口流量變化為評(píng)價(jià)目標(biāo),采用粒子群算法求解閥口節(jié)流槽結(jié)構(gòu)拓?fù)湓O(shè)計(jì)問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了耦合閥口節(jié)流結(jié)構(gòu)響應(yīng)與換向過(guò)渡過(guò)程節(jié)流特性的較好吻合。研究結(jié)果表明,該方法對(duì)滿足多路換向閥換向過(guò)渡特性要求的耦合閥口節(jié)流結(jié)構(gòu)拓?fù)湓O(shè)計(jì)具有實(shí)際意義。

多路換向閥;耦合閥口;節(jié)流結(jié)構(gòu);結(jié)構(gòu)拓?fù)湓O(shè)計(jì);粒子群算法

多路換向閥是由多個(gè)換向閥集成于一體的多功能換向閥,通過(guò)控制不同油路的啟閉,實(shí)現(xiàn)不同執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)要求,具有結(jié)構(gòu)緊湊、多位功能等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械。在開(kāi)環(huán)液壓挖掘機(jī)中,多路換向閥作為其核心液壓元件,通過(guò)換向過(guò)渡過(guò)程耦合閥口之間的共同作用,實(shí)現(xiàn)工作口流量的連續(xù)變化,滿足執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度要求。國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有許多學(xué)者利用三維流體解析以及實(shí)驗(yàn)臺(tái)架分析,研究換向閥閥芯結(jié)構(gòu)對(duì)其換向性能的影響:Amirant等通過(guò)三維流體解析對(duì)液壓滑閥內(nèi)部流場(chǎng)特性進(jìn)行了研究[1-3];孫澤剛、方文敏等研究了換向閥單個(gè)閥口閥芯節(jié)流槽結(jié)構(gòu)對(duì)其流量控制特性及液動(dòng)力等方面的影響[4-6]。以上研究均是以換向閥單個(gè)閥口為研究對(duì)象,無(wú)法系統(tǒng)性地給出多路換向閥閥口流量控制特性與耦合閥口節(jié)流槽結(jié)構(gòu)拓?fù)浣M合之間的關(guān)系。

針對(duì)上述的分析,本文的研究以某型多路換向閥回轉(zhuǎn)聯(lián)為例,提出多路換向閥換向耦合閥口節(jié)流結(jié)構(gòu)拓?fù)湓O(shè)計(jì)方法。將耦合閥口節(jié)流槽結(jié)構(gòu)分類(lèi)為由U型槽、半圓槽、圓孔槽等結(jié)構(gòu)組成的參數(shù)化組合構(gòu)成,結(jié)合理論推導(dǎo)出多路換向閥工作口流量與其閥口節(jié)流槽結(jié)構(gòu)變量間的函數(shù)關(guān)系;在驗(yàn)證多路換向閥三維流體解析與其動(dòng)態(tài)特性臺(tái)架實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上,以設(shè)定的多路換向閥換向過(guò)渡過(guò)程工作口流量變化為評(píng)價(jià)目標(biāo),建立優(yōu)化函數(shù)模型,采用粒子群算法對(duì)耦合閥口節(jié)流結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)方法的提出,對(duì)滿足多路換向閥換向過(guò)渡特性要求的耦合閥口節(jié)流結(jié)構(gòu)拓?fù)湓O(shè)計(jì)具有實(shí)際意義。

1 換向閥三維流體解析

1.1 換向閥結(jié)構(gòu)

本研究以開(kāi)環(huán)液壓挖掘機(jī)用多路換向閥的回轉(zhuǎn)聯(lián)為研究對(duì)象,其結(jié)構(gòu)如圖1所示,P為進(jìn)油口,A、B為工作口,Ta、Tb分別為工作口A、工作口B對(duì)應(yīng)的回油口,Tc為中路回油口;在先導(dǎo)力及彈簧力的作用下,通過(guò)閥芯的移動(dòng),實(shí)現(xiàn)P口到A口或P口到B口的連通,進(jìn)而完成執(zhí)行機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)動(dòng)作。

圖1 回轉(zhuǎn)聯(lián)換向閥結(jié)構(gòu)圖

整個(gè)閥芯移動(dòng)過(guò)程可分為3個(gè)子過(guò)程:①當(dāng)P-B閥口位于死區(qū)過(guò)程,即工作口B尚未工作時(shí),隨著閥芯的移動(dòng),P-Tc閥口從全開(kāi)階段逐漸進(jìn)入到節(jié)流階段,換向閥的入口流量全部通過(guò)中路流回油箱;②當(dāng)P-B閥口位于換向過(guò)渡過(guò)程,如圖1所示,即工作閥口節(jié)流槽拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)起到節(jié)流作用時(shí),P-Tc閥口從節(jié)流階段逐漸趨于關(guān)閉,工作閥口與中路回油閥口相互耦合作用,以實(shí)現(xiàn)工作口B流量的連續(xù)變化;③當(dāng)P-B閥口位于全開(kāi)過(guò)程,P-Tc閥口關(guān)閉,換向閥入口流量全部通過(guò)P-B閥口進(jìn)入到執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

由于A口與B口的結(jié)構(gòu)關(guān)于閥體中心線對(duì)稱(chēng),故本文以P-B通道為例,針對(duì)過(guò)程2(換向過(guò)渡過(guò)程)進(jìn)行研究。在閥芯移動(dòng)過(guò)程中,P-B閥口與P-Tc閥口組成耦合閥口,以實(shí)現(xiàn)工作口B的流量特性需求。

1.2 換向閥三維流體解析模型

如圖2所示,換向閥三維流體解析模型由閥口內(nèi)流體以及閥口外流體兩部分組成。仿真模型邊界條件及模型參數(shù)的設(shè)置應(yīng)與臺(tái)架實(shí)驗(yàn)保持一致,即P口為進(jìn)油口,設(shè)置流量值;B口為工作口,設(shè)置壓力值;流體為不可壓縮牛頓流體,流動(dòng)狀態(tài)為湍流,采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型;節(jié)流系數(shù)取值范圍為0.62～0.75;油液密度為890 kg·m-3,動(dòng)力黏度為0.036 Pa·s,體積模量為700 MPa。

圖2 換向閥三維流體解析模型圖

如圖3所示,左邊為工作閥口內(nèi)流體模型圖,右邊為中路回油閥口內(nèi)流體模型圖,入口油液通過(guò)耦合閥口之間的相互配合以及工作閥口的節(jié)流作用,實(shí)現(xiàn)工作口特定的流量特性需求。

圖3 閥口內(nèi)流體模型圖

1.3 換向閥三維流體解析的驗(yàn)證

為驗(yàn)證三維流體解析結(jié)果的合理性,采用同濟(jì)大學(xué)液壓元器件動(dòng)態(tài)特性綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)(如圖4所示),對(duì)同等條件下的三維流體解析結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。采用閥芯進(jìn)給裝置以及實(shí)驗(yàn)臺(tái)流量計(jì),可測(cè)得多路換向閥回轉(zhuǎn)聯(lián)工作閥口在不同開(kāi)度下對(duì)應(yīng)的出口流量。

圖4 實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖

圖5給出了同一工況下三維流體解析值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比。多路換向閥回轉(zhuǎn)聯(lián)入口流量設(shè)為250 L·min-1,工作口負(fù)載壓力設(shè)為25 MPa,中路回油口的背壓設(shè)為6 MPa,多路換向閥回轉(zhuǎn)聯(lián)三維流體解析所得的工作口流量變化趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)所得的工作口流量變化趨勢(shì)一致,但由于實(shí)驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)的泄漏,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)值會(huì)略低于三維流體解析值。

圖5 同一工況下三維流體解析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

綜合以上分析,驗(yàn)證了三維流體解析結(jié)果的合理性。

2 換向閥數(shù)學(xué)模型

2.1 工作口的流量特性

多路換向閥在換向過(guò)渡過(guò)程中,由工作閥口與中路回油閥口的相互耦合作用實(shí)現(xiàn)工作口流量的連續(xù)變化。整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程是由工作閥口與中路回油閥口之間的分流過(guò)程以及兩個(gè)閥口自身的節(jié)流過(guò)程組成。

在分流過(guò)程中,可得

(1)

式中:Q為入口總流量;Q1為通過(guò)工作閥口的節(jié)流流量;Q2為通過(guò)中路回油閥口的回油流量。

在節(jié)流過(guò)程中,根據(jù)節(jié)流公式有

(2)

(3)

式中:Cd1為工作閥口流量系數(shù);Cd2為中路回油閥口流量系數(shù);A1為工作閥口過(guò)流面積;A2為中路回油閥口過(guò)流面積;Δp1為工作閥口節(jié)流處進(jìn)出口壓差;Δp2為中路回油閥口節(jié)流處進(jìn)出口壓差;ρ為液壓油密度。

因節(jié)流系數(shù)變化范圍相對(duì)較小,故可取

(4)

壓差公式為

(5)

(6)

式中:p1為換向閥入口壓力;p2為工作口負(fù)載壓力;p3為中路回油的系統(tǒng)背壓。

結(jié)合Q1≥0及Q2≥0,聯(lián)立式(1)～式(6)可得

(7)

多路換向閥回轉(zhuǎn)聯(lián)工作過(guò)程中,液壓泵基本工作在恒流量階段,入口總流量Q為定值,系統(tǒng)背壓p3也為定值。當(dāng)給定工作口負(fù)載壓力p2為恒定值的情況下,由式(7)可知,工作口流量Q1由工作閥口過(guò)流面積A1及中路回油閥口過(guò)流面積A2共同決定。因此,為實(shí)現(xiàn)所需的工作口流量特性,需結(jié)合工作閥口及中路回油閥口的過(guò)流面積組合,對(duì)節(jié)流槽結(jié)構(gòu)拓?fù)浣M合進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

2.2 節(jié)流槽結(jié)構(gòu)拓?fù)浣M合的參數(shù)化表達(dá)

在對(duì)多路換向閥工作閥口及中路回油閥口的節(jié)流槽結(jié)構(gòu)拓?fù)浣M合進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中,將節(jié)流槽結(jié)構(gòu)主要分為幾種常見(jiàn)類(lèi)型,即U型槽、半圓槽、圓孔槽和內(nèi)環(huán)槽,通過(guò)確定不同結(jié)構(gòu)的特征尺寸及定位坐標(biāo),實(shí)現(xiàn)節(jié)流槽結(jié)構(gòu)拓?fù)浣M合的參數(shù)化表達(dá)[7]。

由于中路回油閥口一般沒(méi)有內(nèi)環(huán)槽及圓孔槽,故中路回油閥口只有U型槽和半圓槽。因此,在節(jié)流槽結(jié)構(gòu)數(shù)及工作閥口內(nèi)環(huán)槽尺寸一定的情況下,如圖6所示,分別以換向閥對(duì)應(yīng)內(nèi)腔垂直于閥芯軸線的一面作為參考面,工作閥口的半圓槽可由參數(shù)x1表示,U型槽可由參數(shù)x2和r1表示,圓孔槽可由參數(shù)x3和r2表示,中路回油閥口的半圓槽可由參數(shù)r3表示,U型槽可由參數(shù)x4和r4表示,即工作閥口與中路回油閥口的節(jié)流槽結(jié)構(gòu)拓?fù)浣M合可由參數(shù)x1、x2、x3、x4、r1、r2、r3和r4表示。

圖6 節(jié)流槽結(jié)構(gòu)拓?fù)浣M合坐標(biāo)圖

工作閥口與中路回油閥口的過(guò)流面積函數(shù)分別可以表示為

(8)

(9)

式中:x為閥芯運(yùn)動(dòng)位移。

通過(guò)理論推導(dǎo)[8]及自動(dòng)化編程,構(gòu)建閥口過(guò)流面積與閥口節(jié)流槽結(jié)構(gòu)變量間的函數(shù),圖7為某型多路閥回轉(zhuǎn)聯(lián)換向過(guò)渡過(guò)程的工作閥口及中路回油閥口的過(guò)流面積曲線。

圖7 閥口過(guò)流面積曲線

在外界工況及系統(tǒng)背壓一定的情況下,結(jié)合式式(8)、(9)可得

(10)

故在閥口節(jié)流槽結(jié)構(gòu)數(shù)一定的情況下,工作口的流量特性由參數(shù)x1、x2、x3、x4、r1、r2、r3和r4所決定。

3 多路換向閥換向耦合閥口節(jié)流結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

粒子群算法是一種通過(guò)群體中個(gè)體之間的相互協(xié)作與信息共享來(lái)實(shí)現(xiàn)尋優(yōu)的進(jìn)化計(jì)算技術(shù),廣泛應(yīng)用于函數(shù)優(yōu)化、系統(tǒng)控制以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域[9-12]。本文以多路換向閥換向過(guò)渡過(guò)程的三維流體解析結(jié)果作為評(píng)價(jià)目標(biāo),通過(guò)耦合閥口節(jié)流槽結(jié)構(gòu)的參數(shù)化表達(dá),構(gòu)建換向閥工作口流量與其耦合閥口節(jié)流槽結(jié)構(gòu)參數(shù)化坐標(biāo)變量之間的函數(shù)關(guān)系,再利用粒子群算法對(duì)節(jié)流槽結(jié)構(gòu)拓?fù)浣M合進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.1 優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的建立

為實(shí)現(xiàn)換向閥換向過(guò)渡過(guò)程耦合閥口節(jié)流槽結(jié)構(gòu)拓?fù)浣M合的優(yōu)化設(shè)計(jì),將節(jié)流槽結(jié)構(gòu)拓?fù)浣M合的參數(shù)化坐標(biāo)變量作為設(shè)計(jì)變量,以三維流體解析的工作口流量為評(píng)價(jià)目標(biāo),構(gòu)建優(yōu)化數(shù)學(xué)模型[13]。設(shè)計(jì)變量X={x1,x2,x3,x4,r1,r2,r3,r4}T,約束條件:①多路換向閥換向過(guò)渡過(guò)程的三維流體解析中,入口流量以及工作口負(fù)載壓力設(shè)置為定值;②工作閥口及中路回油閥口的節(jié)流槽結(jié)構(gòu)數(shù)一定。

基于式(8)以及工作閥口與中路回油閥口的過(guò)流面積的連續(xù)性,可知工作口的流量也是連續(xù)變化的,因此,為了實(shí)現(xiàn)設(shè)定的多路換向閥換向過(guò)渡過(guò)程工作口流量變化需求,以不同閥口開(kāi)度下設(shè)定的換向閥三維流體解析的工作口流量與理論計(jì)算的工作口流量之間的方差之和作為優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的目標(biāo)函數(shù)

(11)

3.2 設(shè)計(jì)過(guò)程

采用粒子群算法對(duì)換向閥換向過(guò)渡過(guò)程耦合閥口進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),即將優(yōu)化數(shù)學(xué)模型中的設(shè)計(jì)變量作為粒子群算法的粒子個(gè)體,以目標(biāo)函數(shù)為粒子群算法中的適應(yīng)度函數(shù),對(duì)坐標(biāo)變量進(jìn)行尋優(yōu)設(shè)計(jì)。

本文以某型多路換向閥回轉(zhuǎn)聯(lián)的耦合閥口節(jié)流槽結(jié)構(gòu)為參照,設(shè)計(jì)3組仿真實(shí)驗(yàn),見(jiàn)表1,并以仿真所得的工作口流量曲線為設(shè)計(jì)需求,通過(guò)理論計(jì)算及粒子群算法尋優(yōu)設(shè)計(jì),反向求解耦合閥口節(jié)流槽結(jié)構(gòu)拓?fù)湓O(shè)計(jì)問(wèn)題。

表1 換向閥三維流體解析的仿真實(shí)驗(yàn)樣本

設(shè)計(jì)流程圖如圖8所示。粒子群算法中種群規(guī)模為100,迭代步數(shù)為100,速度更新參數(shù)為1.494 45,速度最大值和最小值分別為0.1和-0.1。

圖8 設(shè)計(jì)流程圖

3.3 設(shè)計(jì)結(jié)果

圖9 仿真實(shí)驗(yàn)樣本1的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

圖10 仿真實(shí)驗(yàn)樣本2的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

圖11 仿真實(shí)驗(yàn)樣本3的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

采用粒子群算法對(duì)3組仿真實(shí)驗(yàn)樣本進(jìn)行尋優(yōu)設(shè)計(jì)，如圖9～圖11所示，優(yōu)化設(shè)計(jì)所得的多路換向閥換向過(guò)渡過(guò)程的工作口流量變化趨勢(shì)與三維流體解析所得的工作口流量變化趨勢(shì)吻合較好，見(jiàn)表2。以設(shè)定的多路換向閥換向過(guò)渡過(guò)程三維流體解析的工作口流量變化為評(píng)價(jià)目標(biāo),優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)坐標(biāo)參數(shù)與設(shè)定的仿真實(shí)驗(yàn)樣本的結(jié)構(gòu)坐標(biāo)參數(shù)吻合較好。3組仿真實(shí)驗(yàn)樣本設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)應(yīng)的閥口過(guò)流面積曲線如圖12所示,不同樣本對(duì)應(yīng)的耦合閥口過(guò)流面積曲線組合不同,以實(shí)現(xiàn)不同的工作口流量特性需求。

表2 耦合閥口節(jié)流結(jié)構(gòu)坐標(biāo)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

圖12 3組仿真實(shí)驗(yàn)樣本的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

為解決多路換向閥換向過(guò)渡過(guò)程中分流特性所帶來(lái)的閥口間的耦合作用問(wèn)題,本文以多路換向閥回轉(zhuǎn)聯(lián)為研究對(duì)象,提出多路換向閥換向耦合閥口節(jié)流結(jié)構(gòu)拓?fù)湓O(shè)計(jì)方法。

(1)將耦合閥口節(jié)流槽結(jié)構(gòu)分類(lèi)為由U型槽、半圓槽、圓型槽等結(jié)構(gòu)組成的參數(shù)化組合構(gòu)成,結(jié)合理論推導(dǎo),構(gòu)建出多路換向閥工作口流量與其閥口節(jié)流槽結(jié)構(gòu)變量間的函數(shù)模型。

(2)在驗(yàn)證多路換向閥三維流體解析與其動(dòng)態(tài)特性臺(tái)架實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上,以設(shè)定的多路換向閥換向過(guò)渡過(guò)程工作口流量變化為評(píng)價(jià)目標(biāo),解決了實(shí)驗(yàn)成本大、結(jié)構(gòu)單一的問(wèn)題。

(3)建立優(yōu)化函數(shù)模型,采用粒子群算法對(duì)多路換向閥換向過(guò)渡過(guò)程的耦合閥口節(jié)流結(jié)構(gòu)坐標(biāo)變量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文提出的方法對(duì)滿足多路換向閥換向過(guò)渡特性要求的耦合閥口節(jié)流結(jié)構(gòu)拓?fù)湓O(shè)計(jì)具有實(shí)際意義。

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(編輯 武紅江)

Topology Design Method for Coupling Valve Throttle Structure of Multi-Way Directional Valves

JIANG Tao,HUANG Wei,WANG Anlin

(School of Mechanical Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China)

A topology design method for coupling valve ports throttling structure of multi-way directional valves is proposed to solve the coupling problem between the valve ports caused by flow distribution characteristic in the process of reversing transition. The throttling structures of coupling valve ports are classified into semicircle groove, U-shaped groove, round hole groove and so on, and formed by different parameterized combinations of these structures. A model to describe the function between work flow of multi-way directional valve and variables of its coupling valve ports throttling groove structure is constructed. The work flow in the process of reversing transition of multiple directional control valve is set as an evaluation target based on the validation of three-dimensional fluid dynamic analysis of multi-way directional valve and its dynamic characteristics results of test bench. Then a particle swarm algorithm is used to solve the topology design problem of valve ports throttling groove structure, so that a good agreement between the response of coupling valve throttling structure and the throttling characteristic in the process of reversing transition is realized. The results show that the method has a reference value of engineering for the topology design of coupling valve ports throttling structure in meeting the requirements of reversing transition characteristics of multi-way directional valves.

multi-way directional valve; coupling valve ports; throttling structure; structure topology design; particle swarm algorithm

10.7652/xjtuxb201608005

2016-04-21。 作者簡(jiǎn)介:姜濤(1969—),男,副教授,碩士生導(dǎo)師;黃偉(通信作者),男,碩士生。 基金項(xiàng)目:工業(yè)和信息化部2011年科技成果轉(zhuǎn)化資助項(xiàng)目(財(cái)建〔2011〕30號(hào))。

時(shí)間:2016-06-07

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20160607.1156.004.html

TH137.52

A

0253-987X(2016)08-0026-06