液压约束活塞发动机配流系统的优化设计.pdf

第 4 5 卷第 8期 2 0 0 9 年 8 月 机械工程学报 J OURNAL 0F M ECHANI CAL ENGI NEERI NG VO1 ． 4 5 NO． 8 Au g ． 2 0 09 DoI 1 O ． 3 9 0 1 ， E． 2 0 0 9 ． 0 8 ． 1 9 7 液压约束活塞发动机配流系统的优化设计水 张铁柱 赵红 2 张洪信 2 肖景歧 2 1 ． 青 岛大学车辆电子技术研究所青岛2 6 6 0 7 1 ； 2 ．青岛大学机电工程学院青 岛2 6 6 0 7 1 摘要 液压约束活塞发动机是一种新型液压动力系统， 配流阀系统是其中不可缺少的重要元件。 对配流系统进行最优化设计， 可大幅度地缩短系统设计周期，改善设计方案，从而达到提高整机产品质量的目的。基于最优化技术，采用对容积效率和阀 的寿命线性加权的方法，得出了总目标函数，建立液压约束活塞发动机配流系统的优化模型。通过 Ma t l a b语言程序对其进 行优化设计，对优化数学模型进行求解。对优化前后的结果进行分析，优化后吸入阀和排出阀的冲击力分别下降了 4 8 ． 7 7 ％ 和 4 4 ．5 0 ％，优化后的容积效率提高了 1 0 ． 0 6 ％。计算结果表明，所采用的算法是可行的、有效的。对此系统的出水阀压力和 流量随转速、油门的变化关系进行试验研究，将试验结果与仿真结果进行对比，仿真结果与试验结果非常接近，误差在 6 ％ 以内。从而验证了液压约束活塞发动机阀式配流系统优化模型的正确性与精确性。 关键词配流系统 优化设计试验验证 中图分类号T K 4 Opt i mi z a t i o n De s i g n o f Va l v e pe Or i fic e S y s t e m o f Hy d r a u l i c Co n fi n e d P i s t o n En g i n e ZHANG Ti e z h u ZHAO Ho ng ZHANG Ho n g xi n 2 XI AO J i ng q i 1 ． I n s t i t u t e o f V e h i c l e a n d E l e c t r o n T e c h n o l o g y , Q i n g d a o Un i v e r s i t y , Qi n g d a o 2 6 6 0 7 1 ； 2 ． C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E l e c tr o n i c E n g i n e e r i n g ， Qi n g d a o Un i v e r s i ty, Qi n g d a o 2 6 6 0 7 1 Ab s t r a c t Hy d r a u l i c c o n fi n e d p i s t o n e n g i n e i s a n e w t y p e h y d r a u l i c p o we r s y s t e m ． T h e v a l v e t y p e o rifi c e s y s t e m i s a n i n d i s p e n s a b l e c o mp o n e n t i n i t ． Th e o p t i mi z a t i o n d e s i g n o f t h e v a l v e t y p e o rifi c e s y s t e m c a n s h o r t e n d e s i gn c y c l e s i gn i fic a n t l y a n d i mp r o v e d e s i gn p r o j e c t S O a s t o a c h i e v e t h e a i m o f i mp r o v i n g t h e w h o l e e n g i n e q u a l i t y ． B a s e d o n t h e o p t i mi z a t i o n t e c h n o l o g y , the o v e r a l l o b j e c t i v e f u n c t i o n i s a c h i e v e d t h r o u g h l i n e r we i g h t e d me t h o d o f c u b a g e e ffi c i e n c y a n d v a l v e l i f e ． Th e o p t i mi z a t i o n mo d e l o f v a l v e t y p e o rifi c e s y s t e m o f h y dra u l i c c o n fin e d p i s t o n e n g i n e i s b u i l t ．T h e o p ti mi z a tio n d e s i gn i s c a r de d o u t b y u s i n g M a t l a b l ang u a g e a n d the o p t i mi z a t i o n ma the ma t i c mo d e l i s r e s o l v e d ． Th e r e s u l t s b e f o r e and a f t e r o p t i mi z a t i o n a r e a n a l y z e d ． Afte r o p t i mi z a t i o n ， the i mp a c t f o r c e s o f i n l e t v a l v e a n d o u t l e t v a l v e dro p 4 8 ． 7 7 p e r c e n t a n d 4 4 ． 5 0 p e r c e n t r e s p e c t i v e l y ， a n d t h e c u b a g e e ffic i e n c y ris e s 1 0 ． 0 6 p e r c e n t ． Th e r e s u l t s i n d i c a t e that the a r i thme t i c i s f e a s i b l e an d e ffe c t i v e ． T h e e x p e rime n t a l wo r k o f t h i s s y s t e m i s c a r r i e d o u t ， an d the c h an g e o f o u t l e t v a l v e p r e s s u r e an d fl o w r a t e a l o n g wi t h t h e c h ang e o f s p e e d a n d a c c e l e r a t o r i s s t u d i e d ． T h e e x p e rime n t a l r e s u l t s are v e r y c l o s e t o t h e s i mu l a ti o n r e s u l t s ， a n d t h e e r r o r i s wi t h i n 6 p e r c e n t ， t h u s v e ilf y i n g the c o r r e c t n e s s a n d p r e c i s i o n o f t h e o p t i mi z a t i o n mo d e l o f v a l v e t y p e o rifi c e s y s t e m o f h y dr a u l i c c o n fi n e d p i s t o n e n g i n e ． Ke y wo r d s V a l v e typ e o rifi c e s y s t e m Op t i mi z a t i o n d e s i gn E x p e ri me n t a l v e rifi c a t i o n 0 前言 在能源和环保的双重压力下，许多科技人员一 国家自然科学基金 5 0 5 7 5 1 0 7 和山东省 自然科学基金 Y 2 0 0 6 F 0 6 资助 项 目。2 0 0 8 0 9 2 2收到初稿，2 0 0 9 0 3 2 9收到修改稿 ● 方面积极致力于传统发动机本身的改进，一方面努 力开发新型动力装置，以适应能源结构的变化。液 压约束活塞发动机就是在这种背景下产生的一种新 型液压发动机 。液压约束活塞发动机[ 1 - 3 ] Hy d r a u l i c c o n f i n e d p i s t o n e n g i n e ， HC P E 由青岛大学车辆 电子 研究所研制 、开发，是针对活塞式内燃机一液压泵 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 9 8 机械工程学报 第 4 5卷第 8 期 系统的改进装置，单缸轴向 HC P E结构原理如图 1 所示。 8 9 1 0 1 l 1 2 图 1 单缸轴向 HC P E结构原理图 1 ．连杆2 ． 导向滑块3 ． 联接杆4 ．流质入 口 5 ．液压柱塞6 ． 联接板7 ． 动力活塞8 ． 第 1 工作室 9 ．分流点l 0 ． 第 2工作室1 1 ． 流质出口 l 2 ． 第 3工作室1 3 ．曲轴 H C P E基本原理是将内燃机的活塞直接驱动柱 塞 形成一种 新型 液压动 力系 统 。配 流 阀系统 是 H C P E 中不可缺少的重要元件，也是易损件 ，系统 布置如图 2所示，吸入阀和排出阀均采用单向阀。 阀门工作性能的恶化，直接导致 H C P E系统容积效 率的降低 ，甚至破坏其正常工作。把最优化技术应 用于 HC P E配流阀系统的各种性能、结构参数等方 面的设计，可大幅度地缩短 H C P E配流阀系统设计 周期，改善设计方案，从而达到提高整机产品质量 的目的。 柱塞下极 限位置 图2 配流阀系统布置示意图 1 配流系统的优化模型 1 ． 1 目标函数 1 ． 1 ． 1 容积效率 对 HC P E来说，容积效率可定义为排出体积和 吸入体积加滑移量之比，用百分比来表示。在可以 确定吸入液体和排 出液体密度的条件下，H C P E 的 容积效率可 以用式 1 来计算 仉 ， 一 ， 一 1 一 1 式中P 。 ， P c 吸入、排出液体的密度 ，为常数 r 柱塞位于回程顶点瞬时，内部液体 体积和柱塞的排量之比，为常数 S 滑移量 ，以吸入流量损失的百分比 来表示 容积效率的大小与滑移量大小呈相反关系，因 此求最大的容积效率可以转化为求最小的滑移量， 即有 m l n r 兀 d o h o c o 式中 曲柄半径的转动周期 U 流量系数 排 出阀流 向系数 吸入 阀流 向系数 P液缸 内液体压力 排出管压力 吸入管压力 排出阀阀口局部阻力系数 毒吸入阀阀口局部阻力系数 1 ． 1 ． 2 阀的寿命 为使 HC P E能长期有效地正常工作，必须保证 配流阀系统有足够长的寿命。为了提高阀的使用寿 命 ， 应该提高其疲劳强度。因冲击疲劳占主要方面， 所 以本文以阀盘、 阀座之间的冲击力为分 目标函数， 使其最小化 ，从而得到阀的最长寿命。 可 以用 动载系数法确定 阀盘与阀座之 间冲击 力的方法，其计算公式如下I 4 】 P 8 3 式中 阀盘落在阀座上时的冲击动载 动载系数，一般取 2 。 阀盘面积 p 阀盘关闭瞬间所受到的压差力 因此，可以得出吸入阀盘冲击动载优化目标函数为 m i n 厂 凼 P g 。 4 4 排出阀盘冲击动载优化 目标函数为 mi n p 。 5 式中 ， 。 吸入阀、 排出阀阀盘所受到的冲击 动载 P g s , P g 。 吸入阀盘、 排出阀盘关闭瞬间所受 到的压差力 进水阀阀盘面积 ● 7 6 5 4 3 2 l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 0 9年 8月 张铁柱等液压约束活塞发动机配流系统的优化设计 1 9 9 出水阀阀盘面积 式中 1 ． 1 ． 3 总 目标函数 从以上所述可 以看出，本文所讨论的问题属于 多 目标优化问题， 采用线性加权法来建立总目标函数。 吸入阀盘总的评价 目标函数为 mi n f 排出阀盘总的评价 目标函数为 一， 。一吸入 阀盘和排 出阀盘 的最大 位移 。 ， m 。 吸入阀盘和排出阀盘质量 ∞ 曲柄半径转动角速度 常系数，fl 8 x l 0 ， ． 1 ， 吸入管道和排 出管道半径 1 _ 3 ． 2 阀隙液体流速约束条件 。 6 为了保证 阀的正常工作 ，阀隙液体流速必须控 制在一定范围内，即满足 n n [ r u d ch c6 J 2 ]p - P c]d t p c 7 ， 总 目标函数里 的权因子可以写成如下形式 缈[ q ] 1 8 由于各分 目标函数的量纲不一样 ，还要对各分 目标函数做量纲一化处理 。常用分 目标函数的最小 值去除分 目标函数。 容积效率分 目标函数没有单位 ， 而冲击动载分 目标函数 的单位是牛顿，其最小值选 取的是对其进行单 目标优化设计产生的最小值 。 1 ． 2 设计变量的确定 本文 的 目标 函数 是设计变量 的隐 函数 ，针对 HC P E配流阀系统的结构，本文拟 以 m。 、m。 阀盘 质量 ， 、 阀盘直径 ， 。 舣、J Iz 一 阀盘最大位 移 ， p o s 、 p o e 弹簧预压力 为设计变量，其他参数对 配流阀系统的工作性能影响不大，因此作为常量来 处理 。 1 ． 3 约束条件的建立 1 - 3 ． 1 泵阀无冲击约束条件 根据阿道尔夫 的泵 阀无冲击理论【 5 】 ，泵阀工作 时必须满足 v d 。 w n ≤ [ v d 。 w n ] 9 式中 一 阀盘下行最大速度 [ 1 ， d 0 w n 】 阀盘下行的最大允许速度 由此得出，吸入阀盘无冲击约束条件为 f 譬一 1 一 缈 ≥0F “ -- 1 0 ～ ． s m “。， ＼ ‘ ， s 排出阀盘无冲击约束条件为 伽 l 等 一 】 一 ≥0F -- -- 1 1 ～ c m a x ， ， 、 ／ ， ≤ 【 V x ] ⋯ g 蛐 一 月 m 1 2 1 3 式中 v x 阀隙液体流速 [ V x ] 阀隙液体允许流速 ，本文取 6 m ／ s 9 一 柱塞吸入或排 出的最大流量 吸入 阀或排 出阀处于最大 升高时的 阀隙过流面积 因此可 以得 出吸入阀阀隙液体流速约束条件为 R c o n 一一 6≤0 1 4 式中 单缸柱塞断面积 R 曲轴半径 排出阀阀隙液体流速约束条件为 R c o n 一 ～一 6≤0 1 5 1 _ 3 _ 3 结构尺寸约束 1 阀盘直径约束条件 。 阀盘直径 d应不大于 许用值 【 ，但至少要大 于吸入管道和排 出管道直 径 ，即有以下两种情况。 吸入阀 2 r 1 ≤ ≤ [ 1 6 排 出阀 2 r 3 ≤ ≤ 1 7 式中， 一般取 1 2 0 1 5 0 mi ／ 1 ，本文取 1 2 0 m n l 。 2 阀体厚度 取值范围约束。为 了保证优化 后阀盘结构合理，存在如下约束条件 。 吸入阀 号 ≤ ≤ 言 1 8 排出阀 专 ≤ ≤ 19 本文对吸入阀6 s 8 mm，对排出阀 6 m m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 0 机械工程学报 第 4 5卷第 8 期 1 ． 3 ． 4 边界约束 边界约束为 ， ， 。 ， 。 ， P o 。 ， p o ， m ， m 。 ≥0 2 0 1 ． 4 优化数学模型 通过前面的论述，可 以得到配流阀系统优化设 计的数学模型。 吸入阀数学模型为 设计变量 m。 、d s 、 h s 、P 0 。 n f mf c o l 出 r 觚 r 21 一 砒 一 ,4 2 ≤ 0 s ． t ． 砌c 一 - 6 G O 2 ， i ≤ G i rl 】 号 ≤ ≤ 一 m s ， 一 ， 一 。 ， 一Po 。≤0 排出阀数学模型为 ’ 设计变量m s 、d s 、h s 、P o 。 mi n 觚 觚 ～ 畋≤ ≤ ≤0 一 ， ， 一 ， 一J ， 一P o 。≤0 2 程序实现与结果分析 十 口。2 一 2 1 一 2 2 2 ． 1 程序实现 由上述优化数 学模型 可以看出本文所 讨论 的 问题属于非线性优化问题。因此本文采用复合形法 对上述优化数学模型进行求解。 本文的优化设计程序采用 Ma t l a b语言编写。 程 序框图如图 3所示。 是 口 始点 ， 边界约束 b o u n d s 生成随机点 矩阵符合 边界约束 判断每个点 是否符合性 能约束 g 产生合格点 矩阵满足诸 约束 计算每个点的函数 值，选出函数值最 大点，即坏点％ 用反射公式 所 1 a X O c 求出新点 判断薪是否符合诸 条件且是否符合 ＼ ／ ／ ℃ ／ 否 向形心移近一半 ⋯ 1 0 ．5 x o r 一 a 是否大于 s 例如e l O - 否 『 代替X h X p 为函i 值仅次于 X h 的点 否 馥 图3 程序框图 - ． i 兰 最优值 ] 发 敛矩阵的 心，结束 2 ． 2 结果分析 本文优化对象为 W3 8 5 1 6 ／ 2三缸 H C P E ，吸入 阀、排出阀选取的初始点为 W3 8 5 ． 1 6 ／ 2初始设计数 据，如下所示。吸入阀m。 0 ． 0 5 8 7 k g ， 0 ． 0 4 2 m， 。 0 ． 0 1 8 0 r n ， P o 。 1 ． 2 6 ；排出阀mc -- 0 ． 0 3 1 7 k g ， 0 ． 0 3 0 n l ， c m “0 ． 01 2 0 r l l ， po 2． 4 6 N 。 根据约束条件 ，设置初始变量的取值 范围如 下。吸入 阀0 ． 0 1 G m。 G 0 ． 1 ，0 ． 0 3 8 G d G 0 ． 0 5 6 ，0 ． 0 0 5 ax≤ 0 ． 0 2 5 ， l ≤ p o 。 ≤ 4 ；排出阀0 ． 0 1 G m。 G 0 ． 1 ， 0 ． 0 2 6 G G0． 0 4 2 ， 0． 0 05 -． ． he ma x G0． 0 2 0，1 G po G4。 运行复合形法程序，得到吸入阀和排出阀的优 化数据 。把优化前后的数据列地进行对比，如下表 点 ． 与 处 柬 点 半 约 的 一 合 件 的 符 IJ 条 线 已 合 连 算心符 心 阱膨 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 0 9年 8月 张铁柱等液压约束活塞发动机配流系统 的优化设计 所示。 表优化前后的数据 吸入阀、 排出阀的初始冲击力分别是 1 0 0 6 ． 1 N、 2 0 5 3 ． 5 N，优 化后 的冲 击力 分别 是 5 l 5 ． 4 6 N、 1 1 3 9 ． 6 N，分别下降 4 8 ． 7 7 ％、4 4 ． 5 0 ％。对优化前后 的容积效率进行仿真，三缸 HC P E 的原始容积效 率是 0 ． 8 2 1 3 ，优化后的容积效率是 0 ． 9 0 4 3 ，提高 1 0 ． 0 6 ％。可以看出，优化效果还是比较明显的。 3 配流系统的试验验证 为了验证 HC P E 阀式配流系统优化模型的正 确性与可靠性 ，对此系统进行试验研究 。在试验 中，流质为水 ，将液压约束活塞发动机的油门开度 分 别 设 置 为3 0 ％、4 0 ％、 5 0 ％、 6 0 ％ 、7 0 ％、 8 0 ％、9 0 ％、1 0 0 ％J L 种开度，并且将发动机的转速 分别设置为 1 1 0 0ff mi n 、1 3 0 0 r ／ mi n 、1 5 0 0 r ／ mi n 、 1 7 0 0 ffmi n、 1 9 0 0 r ／ mi n 、2 l 0 0 ffmi n 、2 3 0 0 r ／ mi n 、 2 5 0 0 r ／ mi n八种转速。在不 同的油门开度和不 同转 速下，通过相应的仪器来测量配流系统的压力和流 量，从而确定出水 阀的压力和流量随油门开度和转 速的变化关系 。 另外，根据对 阀式配流系统 的主体部分、进水 阀和出水阀分别进行了运动学和动力学的分析 ，并 对此系统进行了仿真研究。根据试验结果 ，得 出的 出水阀压力与转速 、油门之 间的关系曲线如图 4所 示 。出水阀压力的试验结果与仿真结果的相对误差 如图 5所示。 出水阀流量与转速 、油门之 间的关系 曲线如图 6所示 ，出水 阀流量的试验结果与仿真结果的相对 误差如 图 7 所示。 一 奋 量 丑 图 4 出水 阀压力与转速、油门之 间的关系 曲线 O O o 榭 莨 - o 罂 _ o O 图 5 出水阀压力的试验结果与仿真结果的相对误差 图 6 出水阀流量与转速、油门之间的关系曲线 t ‘ ， lll1j 接 罂 图 7 出水阀流量的试验结果与仿真结果的相对误差 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 机械工程学报 第 4 5卷第 8 期 通过以上 曲线比较可以看出，仿真结果与试验 结果非常接近，误差在 6 ％以内。可以说明此优化 模型是正确的，并且具有较高的精度。 4 结论 1 以提高配流阀的容积效率、延长配流 阀使 用寿命为 目标建立了内燃式约束活塞发动机配流阀 结构优化设计的多 目标数学模型，实例计算表 明， 所建立的模型准确、可靠 。 2 优化 设计模 型属于非线性优化 问题 ，用 Ma t l a b 语言编制了复合形法软件对模型进行了有效 求解 ；优化后吸入阀盘和排出阀盘的冲击力分别下 降 4 8 ． 7 7 ％和 4 4 ． 5 0 ％，整机容积效率提高 1 0 ． 0 6 ％， 改善程度较大。计算结果表明，所采用的算法是可 行的、有效的。 3 通过试验验证，仿真结果与试验结果非常 接近，误差在 6 ％以内，可以证明此优化模型的正 确性和精确性 。 参考文献 [ 1 ]1 张铁柱． 双调节机械能量输出的方法及其装置中国， Z L 0 1 1 1 5 1 6 7 ． 6 【 P ] ． 2 0 0 4 - 0 9 0 1 ， ZHANG T i e z h u ．E n e r g y o u t p u t me t h o d a n d d e v i c e o f d u a l r e g u l i o n ma c h i n e r y C h i n a ， Z L 0 1 1 1 5 1 6 7 ． 6 [ P ] ． 2 O O 4 ． O 9 ． 01 ． [ 2 】Z H AN G H o n g x i n ， Z HA N G T i e z h u ， WAN G Y u s h u n ， e t a 1 ． Dy n a mi c mo d e l a n d s i mu l a t i o n o f fla t v a l v e s y s t e m o f i n t e r n a l c o mb u s t i o n wa t e r p u mp [ ．C h i n e s e J o u r n a l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 5 ， 1 8 3 4 1 1 - 4 1 4 ． [ 3 】赵红，张铁柱，霍炜，等．约束活塞型内燃式水泵阀式 配流系统工作特性研究[ J ] ．中国机械工程， 2 0 0 6 ，1 7 9 9 4 9 ． 9 5 3 ． Z HAO Ho n g ，Z HANG T i e z h u ， HUO We i ，e t a 1 ． Re s e a r c h o n o p e r a ti n g c h a r a c t e r i s t i c o f v a l v e t y p e o r i fi c e s y s t e m o f c o n fi n e d p i s t o n i n t e r n a l c o mb u s ti o n p u m p [ J ] ． C h i n a Me c h ani c a l E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 6 ， 1 7 9 9 4 9 - 9 5 3 ． [ 4 ]4 周秋沙，周锡容．往复泵泵阀阀面应力计算方法探讨[ J 】 ． 石油机械， 1 9 9 1 ， 1 9 1 1 4 ． 1 8 ． Z HO U Q i u s h a ， Z HO U Xi r o n g ． A n i n v e s t i g a ti o n int o t h e me tho d o f c a l c u l a t i n g the s t r e s s o n t h e c o n e s u r f a c e o f a r e c i p r o c k i n g p u mp v a l v e [ J ] ． C h i n a P e t r o l e u m Ma c h i n e ry, 1 9 9 1 ， l 9 1 1 4 1 8 ． 【 5 】万邦烈，李继志．石油矿场水利机械【 M】 ．北京石油工 业 出版社。 1 9 9 0 ． WAN Ba n g l i e ， LI J i z h i ． Hy d r a u l i c ma c h ine r y i n p e tr o l e um o r e y ard [ M] ． B e ij ing P e tr o l e um I ndu s t r yP r e s s ， 1 9 9 0 ． [ 6 】赵胜，往 复泵泵 阀设计 计算[ J 】 ．化工与通 用机械， 1 9 8 1 9 3 3 - 3 9 ． ZHAO S h e n g ．De s i g n c a l c u l a ti o n o f a r e c i p r o c a ti n g p um p v a l v e [ J ] ． F l u i d Ma c h i n e ry, 1 9 8 1 9 3 3 - 3 9 ． 作者简介张铁柱，男，1 9 6 0 年出生，博士。教授，博士研究生导师。 主要研究方向为车辆新型传动系统、发动机及泵等。 E ma i l z h a n g t z q d u ． e d u ． c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m