不同结构参数对高速开关阀液压力的影响研究.pdf

第 卷第 期 年 月机 电 工 程 .收稿日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目()河北省高层次人才项目()南京工程学院高层次引进人才科研启动基金资助项目()作者简介:赵才虎()男安徽马鞍山人硕士研究生主要从事高速开关阀动态特性方面的研究:.通信联系人:陈誉男博士讲师:.:./.不同结构参数对高速开关阀液压力的影响研究赵才虎陈 誉朱天龙孙宝林张 晋(.南京工程学院 机械工程学院江苏 南京.燕山大学 机械工程学院河北 秦皇岛.海天塑机集团有限公司浙江 宁波)摘要:因其具有价格低廉、抗污染性强等优点高速开关阀已被广泛运用到各种车辆的制动系统中其动态性能直接影响到车辆的制动效果而阀芯所受的液压力是决定高速开关阀动态特性优劣的关键参数 针对不同参数对高速开关阀液压力的影响以及实际工程中阀芯液压力难以测量的问题采用计算流体动力学()对高速开关阀进行了数值模拟 首先基于有限体积法()建立了不同开度、压差、温度、以及结构参数(阀座节流孔直径和锥角)的三维仿真模型然后对比不同网格数量的仿真结果排除了网格数量对于仿真结果的影响并详细分析了各参数对液压力的影响得出了高速开关阀液压力与各参数之间的变化规律最后采用响应面分析结合遗传算法对开关阀的结构参数进行了优化 研究结果表明:随着阀芯开度的增加节流区域发生了转变较大的压差会导致液压力产生较大幅度的变化相较于高温低温对液压力有着更加显著的影响对结构参数进行优化后最小开度的液压力提高了.提高了阀控制稳定性为高速开关阀线性控制设计提供了理论基础关键词:液压控制阀阀芯液压力数值特性结构优化计算流体动力学有限体积法试验设计响应面分析中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):.().()().:()()()引 言高速开关阀具有低廉的价格和卓越的抗污染性能同时具有快速响应和高频率开关能力使其在工业自动化、能源、航空航天等领域得到了广泛应用 随着科技的不断发展高速开关阀有望在更多领域得到应用目前大部分高速开关电磁阀采用的是开关控制方式 将其应用于车辆制动领域时这种控制方式容易产生较大的压力冲击加剧制动系统噪声使踏板舒适性变差 随着对其性能要求的不断提高通过对高速开关阀液压力进行数值特性研究与优化分析阀芯受力的影响因素可以提高阀控制的稳定性为高速开关电磁阀的线性控制设计提供理论基础液压油流过阀口时阀芯对液压油的阻碍会导致液压油流动的方向和速度大小发生改变 依据牛顿第三定律液压油同样对阀芯产生一个相应的反作用力称之为液压力 目前国内外学者对高速开关阀液压力展开了大量研究并取得了一些成果 等人采用实验和数值模拟方式研究了液压力对高速电磁阀动态特性的影响 等人研究了伺服阀中液压力对动态特性的影响采用实验和数值模拟的方式探讨了液压力对伺服阀的频率响应、响应时间和线性度等性能的影响 万理平利用 软件中的多孔介质模拟了实际滤网对高速开关阀流场的影响结果表明滤网目数越大对阀的节流作用越大流体对阀芯的作用力越小 等人研究了比例控制阀中液压力对流量特性的影响采用实验和数值模拟方式研究了液压力对比例控制阀的流量响应、线性度和能耗等性能的影响 等人基于计算流体力学和侵蚀理论建立了阀口侵蚀的三维预测模型分析了不同因素下阀口侵蚀的变化规律 等人强调了在实现精确可靠的液压力控制方面所面临的挑战包括非线性、滞后效应和外部干扰等还介绍了改进液压力控制的各种解决方案和策略包括先进的控制算法、传感器技术和系统设计考虑现有的研究主要集中在液压力对电磁阀的性能影响方面缺乏流体介质等因素对液压力影响的研究笔者基于制动系统中高速开关阀的物理模型利用流体仿真技术对阀芯液压力进行数值特性研究分析作用在阀芯上的液压力影响因素为精确研究高速开关阀的动态特性提供理论依据 高速开关阀流场仿真模型高速开关阀通常是二通二位的电磁阀主要由隔磁管、动铁、推杆、阀铁、阀座、弹簧等组成其结构简图如图 所示图 高速开关阀结构简图.为线圈 为轭铁 为隔磁管 为弹簧 为滤网座 为动铁 为阀芯 为阀体 为挡圈 为阀座图 中动铁在磁场中受电磁力驱动沿着轴向进行运动从而控制阀芯进行往复运动高速开关阀在工作时其阀芯受到电磁力、弹簧力、液压力等力的耦合作用液压力是影响阀控制稳定性的关键因素阀芯受力示意图如图 所示图 阀芯受力示意图.机 电 工 程第 卷笔者定义开度 为阀芯从闭合状态向上移动的距离液压力向上为正方向阀座节流孔直径为 阀座锥角为 通常高速开关阀的行程是毫米级其响应时间是毫秒级.物理模型与网格划分基于三种不同方案笔者建立电磁阀流体域三维模型开度为.、阀座锥角为 时高速开关阀的流体域三维模型如图 所示图 流体域三维模型剖视图.方案一 节流孔直径为.阀座锥角为开度范围为.以.为间隔开度范围为.以.为间隔建立各开度的仿真模型方案二 开度为.、.、.阀座锥角为 节流孔直径为.、.、.、.建立不同孔径的仿真模型方案三 开度为.、.、.节流孔直径为.阀座锥角为、建立不同阀座角度的仿真模型 开度为.、节流孔直径为.、阀座锥角为 阀口网格划分如图 所示图 阀口网格划分模型.笔者采用“”网格对仿真模型进行网格划分使六面体网格与多面体网格实现共节点连接从而提升网格中六面体的数量以达到提升求解效率与精度的目的由于阀口开度很小阀口处压力与流速变化梯度很大所以需要对阀口进行网格细化.仿真介质与边界条件笔者选用 液压油作为流体介质进行仿真计算其动力黏度随温度的变化情况如表 所示表 不同温度下 液压油的动力黏度 温度/动力黏度/().进出口边界条件分别设为压力进口和压力出口具体压力值及对应的压差如表 所示表 进出口压力设置 进口压力/出口压力/压差/.仿真模型选择笔者研究的开关阀响应速度快、频率高 在进出口压差较小的情况下不考虑空化现象宜选取标准 湍流模型 该模型适合完全湍流的流动过程模拟近壁处理采用标准的壁面函数它能够为大多数高雷诺数的边界限制流动提供合理、精确的预测 湍流方程如下所示:()()()()()()式中:为平均速度梯度引起的湍流动能为浮力引起的湍流动能为可压缩湍流脉动膨胀对总耗散率的影响各个常数保持默认值湍动能与耗散率的湍流普朗特数分别为.第 期赵才虎等:不同结构参数对高速开关阀液压力的影响研究 仿真结果与分析.网格无关性验证笔者进行网格独立性验证以排除网格数量对于仿真结果的影响 笔者共划分了四套网格分别包括.、.、.和.个网格笔者对比不同网格数量的速度分布和流线分布云图发现当网格数目大于.个后流体速度和流线分布趋势基本相同不同网格速度分布云图如图 所示图 不同网格速度分布云图.图()中笔者对比不同网格数量阀口处沿锥面的流速与压强变化取 个点读取各个点的流速与压力数值不同网格下锥面流速和压力变化如图 所示图 不同网格下锥面流速和压力变化图.从图 中可以看出:网格数目大于.个后流速与压力分布基本相同网格数目对于流场分布的影响可以忽略因此笔者最终确定.个网格为仿真研究中精度和效率之间的最佳选择.阀口开度对液压力的影响笔者选定流体介质温度为 、进出口压差为 对方案一模型的所有工况进行流场仿真液压力与开度的关系如图 所示图 液压力与开度的关系曲线图.区域 曲线开口向下在开度.左右出现拐点 在这个区域内随着阀门开度的增加液压力下降这表明阀口节流在这个区域内占主导节流随着阀门开度增加阀口的压降增加导致液压力下降区域 随着阀门开度进一步增加液压力急剧下降在开度为.左右降为零 曲线在这个区域呈现良好的线性关系表明液压力与阀门开度之间存在强烈的线性相关性这表明仍由阀口主导节流作用随着阀门开度的增加阀口的压降呈线性增加导致液压力下降区域 液压力变为负值曲线近似为开口向上的抛物线 在这个区域内随着开度的增加液压力的绝对值逐渐增加约在开度为.左右达到最大值然后随着开度的进一步增加而稍有下降 这表明主导节流作用的区域从阀口转移到了阀座节流孔阀座节流孔的压降是导致液压力下降的主要原因流体介质温度为 、进出口压差为 时不同阀门开度的压强分布如图 所示机 电 工 程第 卷图 不同开度的压强分布云图.从图 中可以看出:流体通过阀口狭窄处压力梯度迅速下降随着开度逐渐增加阀座节流孔压强逐渐下降图()中的节流孔处压强()明显小于图()处的压强值()笔者沿着阀座壁面取不同高度的点读取各个点的压强值探究不同开度阀口的压强变化情况开度为.时阀口速度分布及所取压强点位置如图 所示图 .开度阀口速度云图.不同开度锥面压力变化如图 所示图 中对于较小的开度(.)在节流孔处(即横坐标 值较小)压强很大未发生明显压降在阀口产生明显压降最后回归到出口压强 对于较大的阀口开度(.)在节流孔处有着明显的压降虽然阀口也有压降但压图 不同开度锥面压力变化.降的梯度明显没有(.)开度大最后回归至出口压强 在开度逐渐增大的过程中初始阶段节流效应主要由阀口决定流体在阀口处发生了显著的压降 然而随着开度进一步增大节流区域从阀口转向阀座节流孔当开度为.时节流效应主要由阀座节流孔决定进一步增大开度并不会增加液压力 阀座节流孔处压强低表明流经此处的油液流速很高正如图 中所示:在阀座节流孔处存在高速流体流动说明阀座孔口处存在节流效应.压差对液压力的影响针对方案一笔者选取流体介质温度为 进出口压差分别为 、探究压差变化对液压力的影响第 期赵才虎等:不同结构参数对高速开关阀液压力的影响研究 在.开度不同压差速度分布如图 所示图 不同压差的速度云图.从图 中可以看出:压差越大阀口的流速越快流速的增速也越快不同压差下液压力与开度的关系如图 所示图 不同压差下液压力与开度关系曲线.图 中在相同温度条件下压差越大、液压力变化幅度越大从局部放大图可以看出:压差越大曲线与液压力为(虚线所示)的交点横坐标越小即压差越大正向液压力所处开度范围越小阀芯可控开度范围越小这是因为压差越大小开度状态下流速的增速越快阀口处的低压和负压所占面积越大因此压差越大则液压力变化范围越大此外在同一开度下液压力增幅与压差的增幅近似成正比表明液压力与压差之间存在线性关系不同阀口开度下压差与液压力之间的关系如图 所示图 不同开度下液压力与压差关系曲线.图 表明:在小开度范围(.)液压力与压差近似成正比而在较大的开度范围(.)液压力与压差近似成反比且随着开度增加曲线的斜率在不断减小研究结果表明:在高速开关阀中阀进出口的压差对液压力有显著影响较大的压差导致液压力的变化更大同时使得阀芯开度的可控范围变小 液压力和压差之间的关系复杂并且取决于开度小的开度下呈线性关系而较大的开度下呈反比关系机 电 工 程第 卷这些研究结果对于优化高速开关阀的设计有较大价值.温度对液压力影响笔者在.节的方案一中选定工作压差为 温度分别为 、探究流体介质温度变化对阀芯液压力的影响不同温度下液压力与开度关系的曲线图如图 所示图 不同温度下液压力与开度关系曲线图.从图 中可以看出:低温对液压力有很大影响高温对液压力影响较小 随着温度降低曲线开口在不断变小到 时开口已变成负值温度相关系数矩阵如图 所示图 中相关系数值越大椭圆越扁平打“”表示两者之间相关性不显著图 进一步支持了图 的研究结果其显示 与其他温度没有显著相关性并且具有负相关系数 另一方面高温之间呈现强烈的相关性说明在较高温度下温度对液压力的影响较小流体的动力黏度随温度的变化如图 所示图 各温度相关系数矩阵图.图 不同温度液压油动力黏度 .在 和 之间动力黏度变化为.变化幅度最大 这表明在低温条件下温度的变化可以导致动力黏度的显著变化从而引起液压力的大幅变化 然而在高温条件下温度对动力黏度的影响较小液压力的变化也较小 同时因为动力黏度的变化会影响阀内部流场分布特性导致出口流量变化不同温度下各开度的流量及部分速度变化如图 所示图 不同温度下各开度流量及典型速度云图.第 期赵才虎等:不同结构参数对高速开关阀液压力的影响研究 图 左侧显示了不同温度下各开度的流量右侧给出了.开度下 和 的速度云图可以看出在同一开度下温度越低动力黏度越大液压油通过阀口速度越小出口流量越小研究表明:流体介质温度是影响阀芯液压力的重要因素低温对比高温对液压力有更大的影响 动力黏度随温度的变化与液压力的变化一致在低温下动力黏度的变化较大从而导致液压力变化较大 这是因为温度影响着流体的动力黏度如图 所示 在不同温度下(与 之间)液压油的动力黏度变化了.变化幅度最大综合图 和图 可以看出:动力黏度的变化与液压力变化一致 低温状态下温度变化会引起动力黏度的大幅变动导致液压力发生很大变化 高温状态下温度对动力黏度影响较小液压力变化也很小液压油通过阀口速度越大出口流量越大.结构参数对液压力影响该节研究了节流孔直径、阀座锥角对液压力的影响 笔者设定进出口压差为 流体介质温度为 笔者基于方案二进行仿真计算结果如表 所示表 不同直径阀座节流孔对应的液压力 孔径/开度.开度.开度.以一般工作压差 为例笔者选取流体介质温度为 开度为.、.、.阀座节流孔直径为.阀座锥角为、进行仿真计算其结果如表 所示表 不同阀座锥角对应的液压力 锥角/()开度.开度.开度.根据表 数据可以看出:在恒定条件下阀座节流孔直径较大会导致液压力较高 然而阀座锥角与液压力之间的关系未必总是线性的 在同一孔径和锥角情况下开度越大液压力的数值越小但是在不同的孔径或者锥角情况下不同开度液压力增幅与变化趋势各不相同 节流孔直径和阀座锥角对液压力有显著影响并且它们之间的关系是非线性的 阀座节流孔直径和阀座锥角会同时影响到闭合时阀芯球头与阀座之间的密封性因此节流孔直径和锥角受到物理结构的限制 因为节流孔直径和阀座锥角对液压力有显著影响所以需对其进行结构参数优化 开关阀结构参数优化.设计变量选择根据第 节的分析阀座节流孔直径为 阀座锥角为 时会对液压力产生重大影响 因此笔者将它们设为设计变量根据电磁阀本身的物理结构笔者可确定设计变量参数、的取值范围参数及变化范围如表 所示表 设计变量及参数变化范围 参数/单位初始值变化范围/./().试验设计和响应面分析笔者对设计变量进行中心复合设计()以阀座节流孔直径、阀座锥角 为输入液压力 为输出选取 组样本数进行实验计算样本点及试验结果如表 所示表 样本点及试验结果 序号试验因素试验结果/()液压力/.响应面法结合数理统计原理采用试验设计对指定样本点集合进行试验分析得到设计变量的目标函数与约束函数的响应面模型其可以预测非试验点的响应值 笔者采用遗传聚合响应面算法其根据可用的不同类型的响应面(全二阶多项式、非参数回归、克里金法和移动最小二乘法)构建最适合每个输出参数的响应面类型为方便参数化建模笔者构建阀座半锥角和阀座机 电 工 程第 卷节流孔半径与液压力的响应面如图 所示图 阀座关键参数与液压力的响应面.从图 中可以清晰看出阀座半锥角、节流孔半径与液压力三者的关系在小节流孔半径情况下随着阀座锥角的增大液压力变小而对于大节流孔半径随着阀座锥角的增大液压力先变小后变大.基于遗传算法的目标优化在最小开度为.时液压力越大液压力的跨度范围越大当液压力随开度变化的幅值越大与其对应的电磁力幅值范围就越大控制电流方式的脉宽调制()的调控范围也就越大从而使调控精度更好笔者以.开度的液压力最大为优化目标使用遗传算法进行优化求解 经求解得到三组最优解 笔者对这三组解进行仿真验算将结果与遗传算法所得最优解进行对比验证计算所得最优解集如表 所示表 最佳优化解集 序号试验因素试验结果验算结果/()液压力/液压力/误差/.经过笔者验证优化的结果与仿真验算的结果误差均小于.考虑实际加工工艺要求与制造成本笔者选取阀座节流孔直径为.阀座锥角为 优化前阀座节流孔直径为.阀座锥角为液压力为.优化后节流孔直径为.阀座锥角选取 液压力为.比优化前提高了.结束语为了研究不同参数对高速开关阀液压力的影响笔者首先建立了不同开度、压差、温度以及结构参数的仿真模型然后详细分析了各参数对液压力的影响最后采用了响应面分析并结合遗传算法对开关阀的结构参数进行了优化研究结论如下:)随着阀口开度的变大主要节流区域发生了改变 在阀口开度逐渐增加的过程中首先是阀口起主导节流作用但当开度增加到.左右时阀座节流孔开始起主导节流作用 高速开关阀进出口两端压差越大液压力变化幅度越大阀芯可控开度范围越小)高温对液压力影响较小而低温对液压力有很大影响这取决于流体介质的动力黏度变化 在低温之间动力黏度变化幅度可达 动力黏度的大幅变动会导致液压力剧烈变化 而高温之间动力黏度变化幅度在 左右温度的改变不会引起动力黏度的大幅变化液压力变动也很小)阀座节流孔直径和阀座锥角对液压力有很大影响且这种影响是无序的 对阀座节流孔直径和阀座锥角两个结构参数进行了优化可以扩大与液压力匹配的电磁力范围 优化后节流孔直径为.阀座锥角为 电磁力范围扩大了.当前笔者的研究主要聚焦于阀芯液压力暂未考虑电磁铁结构的问题 在后续的工作中笔者会考虑增大液压力对电磁铁功率和尺寸的影响并对高速开关阀的动态特性进行研究参考文献():.():.吴进军焦宗夏李晨风等.基于高速开关阀理论模型的阀体流量估算方法研究.液压与气动():.():.():.王春光刘晓薇刘展麟等.某高速开关阀阀芯液压力影响因素研究.机床与液压():.第 期赵才虎等:不同结构参数对高速开关阀液压力的影响研究 .():.():.():.万理平.制动系统中电磁阀性能的研究.广州:华南理工大学机械与汽车工程学院.:.():./.():.:.():.孟爱红.液压执行机构压力精确控制研究.北京:清华大学汽车工程学院.:.姚 静田月蒋东廷等.高速开关阀液压力影响因素研究.液压与气动():.():.钟 铮何睿何鹏等.天然气压缩机流量调控系统执行机构参数分析及设计.流体机械():.():.蒋永兵侯聪伟郝娇山等.套筒开孔对双层套筒阀流动特性的影响.排灌机械工程学报():.():.吴嘉懿岳阳李军业等.主给水调节阀节流窗口周向设计及其对流动特性的影响.工程设计学报():.():.李娜娜冀 宏魏列江等.影响高速开关阀响应特性的主要设计参数分析.液压与气动():.():.任小勇甄 亮.一种高速开关阀的结构设计与磁场仿真分析研究.甘肃科技纵横():.():.刘 昊.新型板式高速开关阀结构分析与流场仿真研究.哈尔滨:哈尔滨理工大学机械动力工程学院.:.杨煜兵张春光刘光恒等.基于响应面法的柱塞泵迷宫密封优化设计.流体机械():.():.任 旺刘芳华仲昭杰等.基于多目标的刨切机床身结构优化设计.机械与电子():.():.李 源黄 华郭润兰.基于响应面法的加工中心立柱结构多级多目标参数优化设计.机械设计():.():.张在房张佳翔.基于响应面模型和集成方法的数控机床整机优化.组合机床与自动化加工技术():.():.方继根.高速开关阀耦合场特性研究及优化设计.北京:机械科学研究总院.:.苏 力薛 峰.阀芯限位电液数字阀控系统及位置精度控制研究.液压气动与密封():.():.李慧君李 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