多路換向閥換向耦合閥口節流結構拓撲設計

姜濤,黃偉,王安麟

(同濟大學機械與能源工程學院,201804,上海)

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多路換向閥換向耦合閥口節流結構拓撲設計

姜濤,黃偉,王安麟

(同濟大學機械與能源工程學院,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流結構耦合作用問題,提出多路換向閥換向耦合閥口節流結構拓撲設計方法。將耦合閥口節流槽結構分類為由U型槽、半圓槽、圓孔槽等結構組成的參數化組合構成,構建出多路換向閥工作口流量與其閥口節流槽結構變量間的函數模型;在驗證多路換向閥三維流體解析與其動態特性臺架實驗結果的基礎上,以設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,采用粒子群算法求解閥口節流槽結構拓撲設計問題,實現了耦合閥口節流結構響應與換向過渡過程節流特性的較好吻合。研究結果表明,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流結構拓撲設計具有實際意義。

多路換向閥;耦合閥口;節流結構;結構拓撲設計;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,實現不同執行機構的運動要求,具有結構緊湊、多位功能等特點,廣泛應用于工程機械。在開環液壓挖掘機中,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,實現工作口流量的連續變化,滿足執行機構的速度要求。國內外已經有許多學者利用三維流體解析以及實驗臺架分析,研究換向閥閥芯結構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部流場特性進行了研究[1-3];孫澤剛、方文敏等研究了換向閥單個閥口閥芯節流槽結構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,無法系統性地給出多路換向閥閥口流量控制特性與耦合閥口節流槽結構拓撲組合之間的關系。

針對上述的分析,本文的研究以某型多路換向閥回轉聯為例,提出多路換向閥換向耦合閥口節流結構拓撲設計方法。將耦合閥口節流槽結構分類為由U型槽、半圓槽、圓孔槽等結構組成的參數化組合構成,結合理論推導出多路換向閥工作口流量與其閥口節流槽結構變量間的函數關系;在驗證多路換向閥三維流體解析與其動態特性臺架實驗結果的基礎上,以設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,建立優化函數模型,采用粒子群算法對耦合閥口節流結構進行優化設計。該設計方法的提出,對滿足多路換向閥換向過渡特性要求的耦合閥口節流結構拓撲設計具有實際意義。

1 換向閥三維流體解析

1.1 換向閥結構

本研究以開環液壓挖掘機用多路換向閥的回轉聯為研究對象,其結構如圖1所示,P為進油口,A、B為工作口,Ta、Tb分別為工作口A、工作口B對應的回油口,Tc為中路回油口;在先導力及彈簧力的作用下,通過閥芯的移動,實現P口到A口或P口到B口的連通,進而完成執行機構的回轉動作。

圖1 回轉聯換向閥結構圖

整個閥芯移動過程可分為3個子過程:①當P-B閥口位于死區過程,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入到節流階段,換向閥的入口流量全部通過中路流回油箱;②當P-B閥口位于換向過渡過程,如圖1所示,即工作閥口節流槽拓撲結構起到節流作用時,P-Tc閥口從節流階段逐漸趨于關閉,工作閥口與中路回油閥口相互耦合作用,以實現工作口B流量的連續變化;③當P-B閥口位于全開過程,P-Tc閥口關閉,換向閥入口流量全部通過P-B閥口進入到執行機構。

由于A口與B口的結構關于閥體中心線對稱,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的設置應與臺架實驗保持一致,即P口為進油口,設置流量值;B口為工作口,設置壓力值;流體為不可壓縮牛頓流體,流動狀態為湍流,采用標準k-ε模型;節流系數取值范圍為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,左邊為工作閥口內流體模型圖,右邊為中路回油閥口內流體模型圖,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流作用,實現工作口特定的流量特性需求。

圖3 閥口內流體模型圖

1.3 換向閥三維流體解析的驗證

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

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。多路換向閥回轉聯入口流量設為250 L·min-1,工作口負載壓力設為25 MPa,中路回油口的背壓設為6 MPa,多路換向閥回轉聯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的泄漏,導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果的對比

綜合以上分析,驗證了三維流體解析結果的合理性。

2 換向閥數學模型

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工作口流量的連續變化。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流流量;Q2為通過中路回油閥口的回油流量。

在節流過程中,根據節流公式有

(2)

(3)

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

因節流系數變化范圍相對較小,故可取

(4)

壓差公式為

(5)

(6)

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

結合Q1≥0及Q2≥0,聯立式(1)～式(6)可得

(7)

多路換向閥回轉聯工作過程中,液壓泵基本工作在恒流量階段,入口總流量Q為定值,系統背壓p3也為定值。當給定工作口負載壓力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,為實現所需的工作口流量特性,需結合工作閥口及中路回油閥口的過流面積組合,對節流槽結構拓撲組合進行合理設計。

2.2 節流槽結構拓撲組合的參數化表達

在對多路換向閥工作閥口及中路回油閥口的節流槽結構拓撲組合進行設計的過程中,將節流槽結構主要分為幾種常見類型,即U型槽、半圓槽、圓孔槽和內環槽,通過確定不同結構的特征尺寸及定位坐標,實現節流槽結構拓撲組合的參數化表達[7]。

由于中路回油閥口一般沒有內環槽及圓孔槽,故中路回油閥口只有U型槽和半圓槽。因此,在節流槽結構數及工作閥口內環槽尺寸一定的情況下,如圖6所示,分別以換向閥對應內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x1表示,U型槽可由參數x2和r1表示,圓孔槽可由參數x3和r2表示,中路回油閥口的半圓槽可由參數r3表示,U型槽可由參數x4和r4表示,即工作閥口與中路回油閥口的節流槽結構拓撲組合可由參數x1、x2、x3、x4、r1、r2、r3和r4表示。

圖6 節流槽結構拓撲組合坐標圖

工作閥口與中路回油閥口的過流面積函數分別可以表示為

(8)

(9)

式中:x為閥芯運動位移。

通過理論推導[8]及自動化編程,構建閥口過流面積與閥口節流槽結構變量間的函數,圖7為某型多路閥回轉聯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

在外界工況及系統背壓一定的情況下,結合式式(8)、(9)可得

(10)

故在閥口節流槽結構數一定的情況下,工作口的流量特性由參數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流結構拓撲優化設計

粒子群算法是一種通過群體中個體之間的相互協作與信息共享來實現尋優的進化計算技術,廣泛應用于函數優化、系統控制以及結構設計等領域[9-12]。本文以多路換向閥換向過渡過程的三維流體解析結果作為評價目標,通過耦合閥口節流槽結構的參數化表達,構建換向閥工作口流量與其耦合閥口節流槽結構參數化坐標變量之間的函數關系,再利用粒子群算法對節流槽結構拓撲組合進行優化設計。

3.1 優化數學模型的建立

為實現換向閥換向過渡過程耦合閥口節流槽結構拓撲組合的優化設計,將節流槽結構拓撲組合的參數化坐標變量作為設計變量,以三維流體解析的工作口流量為評價目標,構建優化數學模型[13]。設計變量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載壓力設置為定值;②工作閥口及中路回油閥口的節流槽結構數一定。

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性,可知工作口的流量也是連續變化的,因此,為了實現設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化數學模型的目標函數

(11)

3.2 設計過程

采用粒子群算法對換向閥換向過渡過程耦合閥口進行優化設計,即將優化數學模型中的設計變量作為粒子群算法的粒子個體,以目標函數為粒子群算法中的適應度函數,對坐標變量進行尋優設計。

本文以某型多路換向閥回轉聯的耦合閥口節流槽結構為參照,設計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計需求,通過理論計算及粒子群算法尋優設計,反向求解耦合閥口節流槽結構拓撲設計問題。

表1 換向閥三維流體解析的仿真實驗樣本

設計流程圖如圖8所示。粒子群算法中種群規模為100,迭代步數為100,速度更新參數為1.494 45,速度最大值和最小值分別為0.1和-0.1。

圖8 設計流程圖

3.3 設計結果

圖9 仿真實驗樣本1的優化設計結果

圖10 仿真實驗樣本2的優化設計結果

圖11 仿真實驗樣本3的優化設計結果

采用粒子群算法對3組仿真實驗樣本進行尋優設計，如圖9～圖11所示，優化設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,優化設計的結構坐標參數與設定的仿真實驗樣本的結構坐標參數吻合較好。3組仿真實驗樣本設計結果對應的閥口過流面積曲線如圖12所示,不同樣本對應的耦合閥口過流面積曲線組合不同,以實現不同的工作口流量特性需求。

表2 耦合閥口節流結構坐標參數優化設計結果

圖12 3組仿真實驗樣本的優化設計結果

4 結 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聯為研究對象,提出多路換向閥換向耦合閥口節流結構拓撲設計方法。

(1)將耦合閥口節流槽結構分類為由U型槽、半圓槽、圓型槽等結構組成的參數化組合構成,結合理論推導,構建出多路換向閥工作口流量與其閥口節流槽結構變量間的函數模型。

(2)在驗證多路換向閥三維流體解析與其動態特性臺架實驗結果的基礎上,以設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,解決了實驗成本大、結構單一的問題。

(3)建立優化函數模型,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流結構坐標變量進行優化設計。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流結構拓撲設計具有實際意義。

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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,碩士生導師;黃偉(通信作者),男,碩士生。 基金項目:工業和信息化部2011年科技成果轉化資助項目(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

A

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