快速啟閉閥阻尼腔特性分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

趙 佳 陳修高 周 義 夏志明 張希恒

（1.蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院；2.國家電投集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司；3.博雷控制系統(tǒng)有限公司）

沖擊是在工程領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的力學(xué)現(xiàn)象［1］，在閥門的開啟過程中也不可避免。 快速啟閉閥由于工作環(huán)境特殊［2］，公稱通徑大，阻尼腔空間小、行程短，閥芯重且動(dòng)作速度快，在快速運(yùn)動(dòng)至行程終端時(shí)，往往會(huì)發(fā)生劇烈的沖擊和振動(dòng)，使系統(tǒng)工作不穩(wěn)定， 甚至出現(xiàn)密封件失效的情況，影響閥門使用壽命， 因此在其行程終端設(shè)置阻尼腔， 以防止和減少活塞在運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)閥體的沖擊，在一定程度上能起到阻尼的作用［3］。 但在實(shí)際工作過程中，由于阻尼腔泄壓孔孔徑尺寸設(shè)置不合理，沒有達(dá)到預(yù)期的效果，阻尼腔內(nèi)壓力過大，超過工況要求，因此需要對(duì)快速啟閉閥阻尼腔流場進(jìn)行分析，并對(duì)泄壓孔孔徑進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在達(dá)到阻尼目的的同時(shí)，降低峰值壓力。

目前， 對(duì)于阻尼結(jié)構(gòu)已經(jīng)有大量的研究成果，多數(shù)關(guān)于阻尼機(jī)構(gòu)的研究側(cè)重于液壓阻尼器和油缸結(jié)構(gòu)的分析與優(yōu)化［4～7］。王幼民以節(jié)流調(diào)速回路為設(shè)計(jì)工況，針對(duì)閥芯質(zhì)量、閥芯工作面積及泄壓孔液阻等變量， 應(yīng)用復(fù)合形直接尋優(yōu)算法，對(duì)P-B10B直動(dòng)滑閥式溢流閥進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)［8］。 Ping Y設(shè)計(jì)制造了一種新型微流體耦合阻尼減振器，在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過對(duì)減振器內(nèi)部流體動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象的分析，建立了減振器的非線性動(dòng)力學(xué)模型［9］。 杜恒和魏建華建立ADAMS/Simulink/AMESim聯(lián)合仿真模型和多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，并應(yīng)用遺傳算法進(jìn)行聯(lián)合仿真優(yōu)化［10］。 王毅翔以軸向柱塞泵配流盤阻尼槽結(jié)構(gòu)對(duì)配流過程的影響為研究對(duì)象，對(duì)多種不同的阻尼槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行了精細(xì)的過流面積分析，并對(duì)阻尼槽結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化［11］。 姚琳等推導(dǎo)出四軸連通油氣懸架數(shù)學(xué)模型，建立了聯(lián)合仿真模型，并應(yīng)用遺傳算法進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)［12］。 Zhang J H等使用帶節(jié)流孔的阻尼套筒來改變閥門的內(nèi)部幾何形狀，對(duì)作用在阻尼套筒閥芯上的流動(dòng)力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究，以確定流場的差異對(duì)最小化力的影響［13］。 關(guān)于快速啟閉閥內(nèi)部阻尼結(jié)構(gòu)性能和參數(shù)優(yōu)化技術(shù)的研究卻很少，筆者根據(jù)快速啟閉閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)和阻尼腔內(nèi)部流體動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，基于能量方程建立該閥的阻尼結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，采用遺傳算法對(duì)阻尼腔泄壓孔孔徑參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果不僅滿足了阻尼速度和阻尼行程要求，而且降低了峰值壓力。

1 阻尼腔的工作原理

快速啟閉閥結(jié)構(gòu)復(fù)雜，閥體內(nèi)設(shè)計(jì)不同介質(zhì)腔，筆者綜合快速啟閉閥工作情況，針對(duì)阻尼腔進(jìn)行研究。 圖1為阻尼腔部分結(jié)構(gòu)示意圖，當(dāng)閥門開啟時(shí)，活塞端部高速運(yùn)動(dòng)至行程末端，腔內(nèi)的油液升壓并經(jīng)泄壓孔流出，使活塞減速以抵抗活塞的慣性力及其他外力的作用而實(shí)現(xiàn)阻尼。

圖1 快速啟閉閥阻尼腔結(jié)構(gòu)示意圖

2 阻尼腔的動(dòng)力學(xué)優(yōu)化模型

為分析快速啟閉閥阻尼過程動(dòng)態(tài)特性，推導(dǎo)方程時(shí)做如下假設(shè)：阻尼過程是絕熱過程［14］；不考慮液油重力勢能；整個(gè)閥體密封性良好，活塞與閥體之間無泄漏；不考慮由于油壓升高而引起的液壓油壓縮量。

2.1 活塞受力平衡方程

閥瓣開啟時(shí)受介質(zhì)力向右運(yùn)動(dòng)，同時(shí)受阻尼腔油液阻尼壓力和閥體內(nèi)壁摩擦力作用，這里活塞所受的合力為F，此時(shí)活塞受力平衡方程為：

式中 A——活塞截面積，m2；

a——活塞加速度，m/s2；

F——活塞所受合力，N；

m——活塞慣性質(zhì)量，kg；

P——阻尼腔油液壓力，MPa。

2.2 流量方程

阻尼腔流量方程為：

式中 q——阻尼腔、節(jié)流口流量，m3/s；

v——活塞運(yùn)動(dòng)速度，m/s。

文中閥體阻尼腔符合厚壁泄壓孔流量特性［15］，泄壓孔流量方程為：

式中 d——泄壓孔孔徑，m；

f——泄壓孔面積，m2；

l——泄壓孔孔長，m。

其中，ζ取1.49；λ為與Re有關(guān)的系數(shù)。

2.3 運(yùn)動(dòng)方程

阻尼過程中泄壓孔孔徑不變，活塞運(yùn)動(dòng)加速度為［16］：

式中 L——阻尼行程，m。

聯(lián)立式（1）～（3）得活塞運(yùn)動(dòng)速度方程：

式中 v0——活塞初速度，m/s。

同時(shí)得到加速度方程：

2.4 泄壓孔結(jié)構(gòu)及壓力

由式（6）、（7）可知，活塞運(yùn)動(dòng)速度越大，加速度越大，所以最大加速度amax為：

則阻尼腔泄壓孔面積為：

假設(shè)活塞在行程無窮大處加速度為零，但實(shí)際情況行程末端活塞加速度不為零［3］，根據(jù)式（6）、（8）得到一個(gè)殘余速度v∞為：

由此得到阻尼腔壓力方程為：

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)過程

在整個(gè)控制系統(tǒng)中， 快速啟閉閥氣源來源于氣體柱罐，如圖2所示，在運(yùn)行快速啟閉閥之前，先對(duì)上游泵進(jìn)行調(diào)試，在系統(tǒng)全壓差達(dá)到上游泵開啟壓力時(shí)，其控制面打開上游泵，快速啟閉閥閥芯開始作用，這時(shí)壓力傳感器P1開始作用（圖3中的a點(diǎn)），當(dāng)快速啟閉閥滿足開度要求時(shí)，阻尼腔液壓油開始被壓縮，這時(shí)壓力傳感器P2作用（圖3中的b點(diǎn)），此時(shí)試驗(yàn)段結(jié)束，讀出a、b兩點(diǎn)的時(shí)間即可得出快速啟閉閥開啟時(shí)間。

圖2 試驗(yàn)流程簡圖

圖3 阻尼腔試驗(yàn)壓力曲線

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

快速啟閉閥的相關(guān)技術(shù)參數(shù)如下：

初速度v019.78 m/s

活塞所受合力F 766 383.3 N

活塞截面積A 0.10 m2

活塞慣性質(zhì)量m 826.22 kg

泄壓孔孔長l 0.21 m

油液密度ρ 856 kg/m3

試驗(yàn)泄壓孔孔徑d 0.050 m

測試峰值壓力P 65 MPa

將參數(shù)帶入理論模型中， 計(jì)算所得數(shù)據(jù)如下：

加速度a -927.57 m/s2

泄壓孔面積f 0.001 8 m2

計(jì)算泄壓孔孔徑d 0.049 m

計(jì)算峰值壓力P 65.56 MPa

由計(jì)算結(jié)果可以看出，計(jì)算的泄壓孔孔徑為0.049 m，試驗(yàn)泄壓孔孔徑為0.050 m，孔徑近似相符。 理論計(jì)算阻尼腔壓力曲線與試驗(yàn)油壓曲線對(duì)比如圖4所示。

圖4 阻尼腔壓力曲線的理論結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

從圖4中看出， 理論模型計(jì)算得到的阻尼腔峰值壓力與試驗(yàn)油液峰值壓力相對(duì)誤差小于5%，說明該理論模型準(zhǔn)確。

4 阻尼腔參數(shù)優(yōu)化中的遺傳算法

遺傳算法（Genetic Algorithms，簡稱GA或者GAs） 是由密歇根大學(xué)教授Holland J H和他的學(xué)生于20世紀(jì)60年代末到70年代初根據(jù)達(dá)爾文“自然選擇，適者生存”的自然規(guī)律提出來的［17］，是常用來解決多目標(biāo)優(yōu)化問題的一種優(yōu)化方法，它是通過模擬自然界的生物進(jìn)化過程，將遺傳機(jī)制和生物進(jìn)化論有機(jī)結(jié)合而形成的一種搜索最優(yōu)解的算法［18］。

4.1 方法應(yīng)用

由上述分析可知，快速啟閉閥阻尼腔峰值壓力約為65 MPa，為了降低峰值壓力，緩解活塞端部對(duì)閥體的沖擊，需要對(duì)泄壓孔孔徑進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 筆者根據(jù)所建立的快速啟閉閥優(yōu)化模型和優(yōu)化目標(biāo)，采用遺傳算法對(duì)泄壓孔孔徑進(jìn)行優(yōu)化。

基本遺傳算法的操作步驟為：初始種群的產(chǎn)生；參數(shù)編碼；適應(yīng)度函數(shù)；遺傳運(yùn)算；控制參數(shù)設(shè)定。

每個(gè)個(gè)體被選中進(jìn)行遺傳運(yùn)算的概率為該個(gè)體的適應(yīng)值和群體中所有個(gè)體適應(yīng)值總和的比例。 對(duì)于個(gè)體i，設(shè)其適應(yīng)值為Fi，種群規(guī)模為NP，則該個(gè)體的選擇概率表示為［17］：

得到選擇概率后，采用輪盤賭法來實(shí)現(xiàn)選擇操作，得到每個(gè)個(gè)體的累積概率：

共輪轉(zhuǎn)NP次，每次輪轉(zhuǎn)時(shí)，隨機(jī)產(chǎn)生ξk∈U（0，1），當(dāng)PPi-1≤ξk＜PPi時(shí)，選擇個(gè)體i。

4.2 優(yōu)化目標(biāo)

運(yùn)動(dòng)慣性是產(chǎn)生壓力沖擊和機(jī)械結(jié)構(gòu)振動(dòng)的最主要原因，為避免機(jī)械沖擊，又不產(chǎn)生過高的峰值壓力，在其他條件不變時(shí)，利用遺傳算法，以泄壓孔孔徑為優(yōu)化參數(shù)來降低阻尼腔峰值壓力，滿足快速啟閉閥阻尼腔設(shè)計(jì)要求。

4.3 約束條件

設(shè)置約束條件如下：

a. 依據(jù)文中的泄壓孔流量方程和長徑比定義可知［15］0.5＜l/d＜4.0；

b. 根據(jù)該閥的工況要求，阻尼腔壓力允許值為P≤65 MPa；

c. 目標(biāo)函數(shù)末速度應(yīng)小于其初速度， 即v＜19.78 m/s；

d. 受閥體空間限制， 阻尼行程L的約束條件為L＜0.1 m。

4.4 結(jié)果分析

每代最優(yōu)值對(duì)應(yīng)的阻尼速度如圖5所示，種群最優(yōu)值在13代后趨于穩(wěn)定，算法收斂，得到泄壓孔孔徑最優(yōu)值，根據(jù)優(yōu)化特征精度要求，筆者采用實(shí)數(shù)編碼，初始種群由編碼方法產(chǎn)生，對(duì)初始種群挑選出的染色體進(jìn)行遺傳運(yùn)算時(shí)，交叉運(yùn)算采用兩點(diǎn)變交叉， 變異操作采用單點(diǎn)變異操作，用輪盤賭選擇方法根據(jù)初始種群適應(yīng)值計(jì)算得到概率。

圖5 每代最優(yōu)值對(duì)應(yīng)的阻尼速度曲線

遺傳算法參數(shù)如下：

種群規(guī)模 200個(gè)

復(fù)制率 80%

最大代數(shù) 13代

變異率 10%

變異幅值 0.8

優(yōu)化前后的參數(shù)列于表1。

表1 優(yōu)化前后的參數(shù)

由表1看出優(yōu)化后，泄壓孔孔徑增大，阻尼腔峰值壓力降低，活塞速度增大，阻尼行程變長，優(yōu)化前后壓力與速度特性曲線隨阻尼行程變化對(duì)比如圖6、7所示。

由圖6看出，優(yōu)化前后，阻尼腔內(nèi)的壓力隨著阻尼行程的增加而減小。 優(yōu)化前腔內(nèi)峰值壓力高達(dá)65.56 MPa，優(yōu)化后，泄壓孔孔徑增大，阻尼腔整體壓力降低， 阻尼腔內(nèi)峰值壓力降為52.09 MPa，既可以滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，又確保了閥門的安全性。 由圖7看出，隨著阻尼行程的增加，快速啟閉閥活塞運(yùn)動(dòng)速度逐漸減小。 優(yōu)化前活塞的運(yùn)動(dòng)速度降低很快，優(yōu)化后活塞運(yùn)動(dòng)速度降低緩慢，達(dá)到了緩沖的效果。

圖6 阻尼行程-壓力曲線

圖7 阻尼行程-速度曲線

綜上所述， 采用遺傳算法優(yōu)化阻尼孔徑后，腔內(nèi)峰值壓力比原來降低了20%， 活塞運(yùn)動(dòng)速度由19.78 m/s減緩至1.74 m/s，快速啟閉閥阻尼腔內(nèi)特性曲線趨于平緩，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

5 結(jié)論

5.1 基于能量方程建立了理論模型， 計(jì)算得到了阻尼腔泄壓孔尺寸和壓力峰值。與試驗(yàn)壓力峰值的相對(duì)誤差小于5%，證明理論模型的準(zhǔn)確性。

5.2 通過采用遺傳算法對(duì)泄壓孔孔徑進(jìn)行了優(yōu)化，得到阻尼腔孔徑為0.053 m時(shí)，阻尼腔峰值壓力降低了20%， 活塞運(yùn)動(dòng)速度減緩至1.74 m/s，達(dá)到了優(yōu)化的目的。

5.3 通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，減小了快速啟閉閥阻尼腔壓力，即減緩活塞端部對(duì)閥體的沖擊，從而有效提高閥門的可靠性和工作壽命。