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        船用低噪聲液壓集成塊優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析

        2011-08-20 08:41:14廖金軍吳正江
        艦船科學(xué)技術(shù) 2011年9期
        關(guān)鍵詞:集成塊聲功率換向閥

        孫 霖,廖金軍,吳正江,于 俊

        (1.海軍駐研究所軍事代表室,湖北 武漢 430064;2.華中科技大學(xué)FESTO氣動(dòng)技術(shù)中心,湖北 武漢 430074;3.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所,湖北 武漢 430064)

        0 引言

        隨著我國(guó)船舶工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展,提高船用液壓系統(tǒng)的效率以及節(jié)能降耗技術(shù)的應(yīng)用,已成為船舶液壓技術(shù)發(fā)展的主要方向之一[1]。

        船用液壓集成塊是船舶集成式液壓系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。外部元件通過(guò)液壓集成塊的內(nèi)部孔道連接,形成完整的液壓回路,集成部件的使用有利于形成緊湊、高效的液壓系統(tǒng)[2]。

        液壓集成塊作為液壓元件的承裝載體,目前大多數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程主要圍繞外部元件的布局設(shè)計(jì)和內(nèi)部孔道的連通設(shè)計(jì)[3],文獻(xiàn)[4]采用智能技術(shù)解決集成塊的布局和流道的設(shè)計(jì)問(wèn)題;文獻(xiàn)[5-6]運(yùn)用遺傳、模擬退火算法及人機(jī)交互的智能設(shè)計(jì)模式進(jìn)行集成塊的優(yōu)化設(shè)計(jì),完成了外部布局和內(nèi)部布孔集成方案的優(yōu)化和內(nèi)部孔道的連通設(shè)計(jì)。為了減低集成塊工作過(guò)程中的機(jī)械沖擊和流體噪聲問(wèn)題,本文運(yùn)用CFD和CAE的方法對(duì)液壓集成塊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

        1 液壓集成塊的結(jié)構(gòu)原理

        該液壓集成塊閥體設(shè)有與兩位四通液動(dòng)換向閥、手操電磁換向閥、兩位三通液動(dòng)換向閥、溢流閥以及單向閥等連接的外部接口;集成塊閥體內(nèi)部有主換向閥,實(shí)現(xiàn)各外部功能閥的不同連接。

        圖1 液壓集成塊的結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Sketch of hydraulic manifold block

        2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

        船用低噪聲液壓集成塊的設(shè)計(jì)和運(yùn)用將有助于降低系統(tǒng)工作噪聲,提高能源利用率和工作舒適性等。如何有效地減小液壓集成塊中主換向閥的換向機(jī)械沖擊以及改善內(nèi)流道流體流態(tài)是低噪聲液壓集成設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。以下將對(duì)液壓集成塊的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析和優(yōu)化。

        2.1 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

        由液壓集成塊的設(shè)計(jì)要素可知,主通徑d0的計(jì)算公式為:

        式中:qs為閥的額定流量,m3/s;v0為閥進(jìn)、出口的允許流速,一般取v0=2~6 m/s。

        改進(jìn)前,液壓集成塊的設(shè)計(jì)流速為v0=6 m/s,系統(tǒng)流量為120 L/min,因此,根據(jù)式(1)可得液壓集成塊主通徑d0=20 mm。

        由于改進(jìn)前閥進(jìn)、出口流速設(shè)計(jì)為允許流速的上限值,且流速的增大容易導(dǎo)致因流體運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定(流態(tài)突變)造成的流致噪聲的產(chǎn)生。同時(shí),由于集成塊空間的有限,設(shè)計(jì)流速不可能無(wú)限低,在保持現(xiàn)有結(jié)構(gòu)和安裝接口的前提下,設(shè)計(jì)閥進(jìn)、出口流速為4 m/s,并得到改進(jìn)后的集成塊主通徑d0=25 mm。

        2.2 優(yōu)化分析

        在主通徑加大的情況下,改變了主換向閥閥套上開(kāi)孔的結(jié)構(gòu),從改進(jìn)前的8個(gè)圓形孔改為4個(gè)腰圓形孔,并沿腰圓形孔邊緣進(jìn)行倒角處理。經(jīng)過(guò)改進(jìn)后,集成塊內(nèi)流體流速下降了56%,在閥套孔處的流體流動(dòng)更加平緩。

        圖2和圖3為改進(jìn)前、后液壓集成塊主換向閥內(nèi)流道的結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格劃分圖。

        就改進(jìn)前、后的液壓集成塊主換向閥流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行CFD仿真分析。根據(jù)圖4和圖5的比較可以看出,改進(jìn)前,主換向閥進(jìn)、出口壓力分別為2.28 MPa和1.99 MPa,流經(jīng)閥的總壓降為0.29 MPa,在閥套環(huán)向孔處出現(xiàn)局部低壓為1.86 MPa;改進(jìn)后,主換向閥進(jìn)、出口壓力分別為2.05 MPa和2.0 MPa,流經(jīng)閥的總壓降為0.05 MPa。

        圖4 改進(jìn)前閥內(nèi)壓力分布圖Fig.4 Stress distribution inside the initial valve

        改進(jìn)前,液壓集成塊主換向閥閥內(nèi)噪聲集中在流速突變的閥套環(huán)向孔部位,最大噪聲聲功率為89.6 dB(圖6所示);改進(jìn)后,閥內(nèi)整體噪聲降低的情況下,閥套環(huán)向孔部位的噪聲聲功率降為58 dB(圖7所示),較大程度地改善了閥內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)。

        根據(jù)噪聲聲功率級(jí)與聲壓級(jí)的轉(zhuǎn)換公式,在距離液壓集成塊主換向閥1 m處的最大聲壓級(jí)為:

        式中:LW為噪聲聲功率級(jí),dB;Lp為噪聲聲壓級(jí),dB;S為噪聲輻射的球面積,m2;ρ0為空氣密度,kg/m3;c0為空氣中聲速,m/s。

        假設(shè)主換向閥噪聲輻射為半球面,于是得到距離主換向閥1 m處的聲壓級(jí)為:1)改進(jìn)前:Lp=77.3 dB;2)改進(jìn)后:Lp=70.4 dB。

        3 換向動(dòng)力學(xué)優(yōu)化分析

        液壓集成塊主換向閥閥芯在控制油路壓力油的作用下實(shí)現(xiàn)快速地?fù)Q向,由于原有集成塊沒(méi)有緩沖裝置,閥芯的快速運(yùn)動(dòng)使得閥芯以較高速度撞擊端蓋,同時(shí),由于油路的快速切換,還引起瞬間的流量和壓力沖擊。

        圖8 改進(jìn)前液壓集成塊系統(tǒng)原理圖Fig.8 System sketch of the initial hydraulic manifold block

        改進(jìn)后,在液壓集成塊的Ki控制口端設(shè)計(jì)了換向緩沖裝置(圖8和圖9所示),采用間隙緩沖原理,當(dāng)控制口K通入壓力油,閥芯運(yùn)動(dòng)10 mm后開(kāi)始,閥芯在間隙緩沖的作用下開(kāi)始減速。

        圖9 改進(jìn)后液壓集成塊系統(tǒng)原理圖Fig.9 System sketch of the optimized hydraulic manifold block

        在計(jì)算的基礎(chǔ)上,為了驗(yàn)證改進(jìn)后液壓集成換向閥主閥芯的換向動(dòng)力學(xué)性能,采用CAE軟件對(duì)系統(tǒng)建模和分析。

        圖10和圖11分別為控制口Ki和K的壓力信號(hào),系統(tǒng)仿真時(shí)間為20 s,在5~10 s控制口Ki壓力油接通,在10~20 s控制口K壓力油接通,液壓集成塊主換向閥閥芯在10 s的時(shí)候開(kāi)始換向動(dòng)作。

        圖10 控制口Ki壓力曲線(xiàn)Fig.10 Pressure curve of control interface Ki

        通過(guò)對(duì)比分析液壓集成塊主換向閥閥芯的換向動(dòng)力學(xué)特性,從圖12和圖13可以得出:改進(jìn)前,閥芯的換向加速度為1800 m/s2;改進(jìn)后,閥芯的換向加速度為1100 m/s2,實(shí)現(xiàn)了以較小的速度靠近端蓋,減小了在液壓換向的過(guò)程中主換向閥閥芯對(duì)端蓋的撞擊程度。

        4 結(jié)語(yǔ)

        本文采用CFD和CAE的方法對(duì)船用液壓集成塊優(yōu)化設(shè)計(jì)前后進(jìn)行對(duì)比分析,驗(yàn)證了所采用的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的正確性和可行性,并對(duì)液壓集成塊的設(shè)計(jì)得出以下結(jié)論:

        1)液壓集成塊內(nèi)部換向閥閥套孔處是流體噪聲較嚴(yán)重的部位,在對(duì)其進(jìn)行流量匹配設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)加大閥套孔的通流面積;

        2)液壓換向的緩沖行程與換向時(shí)間互相影響,具體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合系統(tǒng)性能加以權(quán)衡和選擇。

        [1]杜經(jīng)民,蔡保全,李寶仁.某系統(tǒng)液壓集成塊流道液流特性分析[J].機(jī)床與液壓,2010,38(13):143 -146.

        [2]魏歡歡,凡東,李?yuàn)?液壓集成塊的三維設(shè)計(jì)及展望[J].煤礦機(jī)械,2010,31(3):12 -14.

        [3]田樹(shù)軍,李利,馮毅.基于計(jì)算智能的液壓集成塊優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].中國(guó)機(jī)械工程.2003,14(17):1492 -1495.

        [4]CHAMBON R,TOLLENAERE M.Automated AI- based mechanical design of hydraulic manifold blocks[J].Comput- er Aided Design,1991,23(3):213 -222.

        [5]周惠友,鐘廷修.液壓集成塊路徑優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),35(12):1842-1845.

        [6]FENG Yi,LI Li,TIAN Shu-jun.Optimization design of hydraulic manifold.blocks based on human-computer cooperative genetic algorithm [J].Chinese Journalof Mechanical Engineering(English Edition),2003,16(3):317-320.

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