姜濤,黃偉,王安麟

(同濟大學(xué)機械與能源工程學(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

姜濤,黃偉,王安麟

(同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)院,201804,上海)

為解決多路換向閥換向過渡過程中分流特性所帶來的閥口間節(jié)流結(jié)構(gòu)耦合作用問題,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)計方法。將耦合閥口節(jié)流槽結(jié)構(gòu)分類為由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;在驗證多路換向閥三維流體解析與其動態(tài)特性臺架實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上,以設(shè)定的多路換向閥換向過渡過程工作口流量變化為評價目標(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)計問題,實現(xiàn)了耦合閥口節(jié)流結(jié)構(gòu)響應(yīng)與換向過渡過程節(jié)流特性的較好吻合。研究結(jié)果表明,該方法對滿足多路換向閥換向過渡特性要求的耦合閥口節(jié)流結(jié)構(gòu)拓?fù)湓O(shè)計具有實際意義。

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;粒子群算法

多路換向閥是由多個換向閥集成于一體的多功能換向閥,通過控制不同油路的啟閉,實現(xiàn)不同執(zhí)行機構(gòu)的運動要求,具有結(jié)構(gòu)緊湊、多位功能等特點,廣泛應(yīng)用于工程機械。在開環(huán)液壓挖掘機中,多路換向閥作為其核心液壓元件,通過換向過渡過程耦合閥口之間的共同作用,實現(xiàn)工作口流量的連續(xù)變化,滿足執(zhí)行機構(gòu)的速度要求。國內(nèi)外已經(jīng)有許多學(xué)者利用三維流體解析以及實驗臺架分析,研究換向閥閥芯結(jié)構(gòu)對其換向性能的影響:Amirant等通過三維流體解析對液壓滑閥內(nèi)部流場特性進(jìn)行了研究[1-3];孫澤剛、方文敏等研究了換向閥單個閥口閥芯節(jié)流槽結(jié)構(gòu)對其流量控制特性及液動力等方面的影響[4-6]。以上研究均是以換向閥單個閥口為研究對象,無法系統(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)計方法。將耦合閥口節(jié)流槽結(jié)構(gòu)分類為由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;在驗證多路換向閥三維流體解析與其動態(tài)特性臺架實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上,以設(shè)定的多路換向閥換向過渡過程工作口流量變化為評價目標(biāo),建立優(yōu)化函數(shù)模型,采用粒子群算法對耦合閥口節(jié)流結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。該設(shè)計方法的提出,對滿足多路換向閥換向過渡特性要求的耦合閥口節(jié)流結(jié)構(gòu)拓?fù)湓O(shè)計具有實際意義。

1 換向閥三維流體解析

1.1 換向閥結(jié)構(gòu)

本研究以開環(huán)液壓挖掘機用多路換向閥的回轉(zhuǎn)聯(lián)為研究對象,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,通過閥芯的移動,實現(xiàn)P口到A口或P口到B口的連通,進(jìn)而完成執(zhí)行機構(gòu)的回轉(zhuǎn)動作。

圖1 回轉(zhuǎn)聯(lián)換向閥結(jié)構(gòu)圖

整個閥芯移動過程可分為3個子過程:①當(dāng)P-B閥口位于死區(qū)過程,即工作口B尚未工作時,隨著閥芯的移動,P-Tc閥口從全開階段逐漸進(jìn)入到節(jié)流階段,換向閥的入口流量全部通過中路流回油箱;②當(dāng)P-B閥口位于換向過渡過程,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,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閥口位于全開過程,P-Tc閥口關(guān)閉,換向閥入口流量全部通過P-B閥口進(jìn)入到執(zhí)行機構(gòu)。

由于A口與B口的結(jié)構(gòu)關(guān)于閥體中心線對稱,故本文以P-B通道為例,針對過程2(換向過渡過程)進(jìn)行研究。在閥芯移動過程中,P-B閥口與P-Tc閥口組成耦合閥口,以實現(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)與臺架實驗保持一致,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,入口油液通過耦合閥口之間的相互配合以及工作閥口的節(jié)流作用,實現(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證

為驗證三維流體解析結(jié)果的合理性,采用同濟大學(xué)液壓元器件動態(tài)特性綜合實驗臺(如圖4所示),對同等條件下的三維流體解析結(jié)果進(jìn)行實驗驗證。采用閥芯進(jìn)給裝置以及實驗臺流量計,可測得多路換向閥回轉(zhuǎn)聯(lián)工作閥口在不同開度下對應(yīng)的出口流量。

圖4 實驗臺實物圖

圖5給出了同一工況下三維流體解析值與實驗值的對比。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與實驗所得的工作口流量變化趨勢一致,但由于實驗臺液壓系統(tǒng)的泄漏,導(dǎo)致實驗值會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驗結(jié)果的對比

綜合以上分析,驗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渡過程中,由工作閥口與中路回油閥口的相互耦合作用實現(xiàn)工作口流量的連續(xù)變化。整個運動過程是由工作閥口與中路回油閥口之間的分流過程以及兩個閥口自身的節(jié)流過程組成。

在分流過程中,可得

(1)

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

在節(jié)流過程中,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為工作閥口過流面積;A2為中路回油閥口過流面積;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由工作閥口過流面積A1及中路回油閥口過流面積A2共同決定。因此,為實現(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流面積組合,對節(jié)流槽結(jié)構(gòu)拓?fù)浣M合進(jìn)行合理設(shè)計。

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)計的過程中,將節(jié)流槽結(jié)構(gòu)主要分為幾種常見類型,即U型槽、半圓槽、圓孔槽和內(nèi)環(huán)槽,通過確定不同結(jié)構(gòu)的特征尺寸及定位坐標(biāo),實現(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流面積函數(shù)分別可以表示為

(8)

(9)

式中:x為閥芯運動位移。

通過理論推導(dǎo)[8]及自動化編程,構(gòu)建閥口過流面積與閥口節(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)換向過渡過程的工作閥口及中路回油閥口的過流面積曲線。

圖7 閥口過流面積曲線

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

粒子群算法是一種通過群體中個體之間的相互協(xié)作與信息共享來實現(xiàn)尋優(yōu)的進(jìn)化計算技術(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)計等領(lǐng)域[9-12]。本文以多路換向閥換向過渡過程的三維流體解析結(jié)果作為評價目標(biāo),通過耦合閥口節(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節(jié)流槽結(jié)構(gòu)拓?fù)浣M合進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

3.1 優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的建立

為實現(xiàn)換向閥換向過渡過程耦合閥口節(jié)流槽結(jié)構(gòu)拓?fù)浣M合的優(yōu)化設(shè)計,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)計變量,以三維流體解析的工作口流量為評價目標(biāo),構(gòu)建優(yōu)化數(shù)學(xué)模型[13]。設(shè)計變量X={x1,x2,x3,x4,r1,r2,r3,r4}T,約束條件:①多路換向閥換向過渡過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,為了實現(xiàn)設(shè)定的多路換向閥換向過渡過程工作口流量變化需求,以不同閥口開度下設(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)計過程

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

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3組仿真實驗,見表1,并以仿真所得的工作口流量曲線為設(shè)計需求,通過理論計算及粒子群算法尋優(yōu)設(shè)計,反向求解耦合閥口節(jié)流槽結(jié)構(gòu)拓?fù)湓O(shè)計問題。

表1 換向閥三維流體解析的仿真實驗樣本

設(shè)計流程圖如圖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)計流程圖

3.3 設(shè)計結(jié)果

圖9 仿真實驗樣本1的優(yōu)化設(shè)計結(jié)果

圖10 仿真實驗樣本2的優(yōu)化設(shè)計結(jié)果

圖11 仿真實驗樣本3的優(yōu)化設(shè)計結(jié)果

采用粒子群算法對3組仿真實驗樣本進(jìn)行尋優(yōu)設(shè)計，如圖9～圖11所示，優(yōu)化設(shè)計所得的多路換向閥換向過渡過程的工作口流量變化趨勢與三維流體解析所得的工作口流量變化趨勢吻合較好，見表2。以設(shè)定的多路換向閥換向過渡過程三維流體解析的工作口流量變化為評價目標(biāo),優(yōu)化設(shè)計的結(jié)構(gòu)坐標(biāo)參數(shù)與設(shè)定的仿真實驗樣本的結(jié)構(gòu)坐標(biāo)參數(shù)吻合較好。3組仿真實驗樣本設(shè)計結(jié)果對應(yīng)的閥口過流面積曲線如圖12所示,不同樣本對應(yīng)的耦合閥口過流面積曲線組合不同,以實現(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)計結(jié)果

圖12 3組仿真實驗樣本的優(yōu)化設(shè)計結(jié)果

4 結(jié) 語

為解決多路換向閥換向過渡過程中分流特性所帶來的閥口間的耦合作用問題,本文以多路換向閥回轉(zhuǎn)聯(lián)為研究對象,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)計方法。

(1)將耦合閥口節(jié)流槽結(jié)構(gòu)分類為由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)在驗證多路換向閥三維流體解析與其動態(tài)特性臺架實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上,以設(shè)定的多路換向閥換向過渡過程工作口流量變化為評價目標(biāo),解決了實驗成本大、結(jié)構(gòu)單一的問題。

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

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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。 基金項目:工業(yè)和信息化部2011年科技成果轉(zhuǎn)化資助項目(財建〔2011〕30號)。

時間:2016-06-07

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

TH137.52

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