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，閥芯重且動作速度快，在快速運動至行程終端時，往往會發(fā)生劇烈的沖擊和振動，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動時對閥體的沖擊，在一定程度上能起到阻尼的作用［3］。 但在實際工作過程中，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，因此需要對快速啟閉閥阻尼腔流場進(jìn)行分析，并對泄壓孔孔徑進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，在達(dá)到阻尼目的的同時，降低峰值壓力。

目前， 對于阻尼結(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)計工況，針對閥芯質(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P-B10B直動滑閥式溢流閥進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化設(shè)計［8］。 Ping Y設(shè)計制造了一種新型微流體耦合阻尼減振器，在試驗的基礎(chǔ)上，通過對減振器內(nèi)部流體動力學(xué)現(xiàn)象的分析，建立了減振器的非線性動力學(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)對配流過程的影響為研究對象，對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［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，對作用在阻尼套筒閥芯上的流動力進(jìn)行了實驗和數(shù)值研究，以確定流場的差異對最小化力的影響［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)部流體動力學(xué)現(xiàn)象，基于能量方程建立該閥的阻尼結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型，采用遺傳算法對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)計不同介質(zhì)腔，筆者綜合快速啟閉閥工作情況，針對阻尼腔進(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，活塞端部高速運動至行程末端，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 阻尼腔的動力學(xué)優(yōu)化模型

為分析快速啟閉閥阻尼過程動態(tài)特性，推導(dǎo)方程時做如下假設(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

閥瓣開啟時受介質(zhì)力向右運動，同時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——活塞運動速度，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 運動方程

阻尼過程中泄壓孔孔徑不變，活塞運動加速度為［16］：

式中 L——阻尼行程，m。

聯(lián)立式（1）～（3）得活塞運動速度方程：

式中 v0——活塞初速度，m/s。

同時得到加速度方程：

2.4 泄壓孔結(jié)構(gòu)及壓力

由式（6）、（7）可知，活塞運動速度越大，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）得到一個殘余速度v∞為：

由此得到阻尼腔壓力方程為：

3 試驗驗證

3.1 試驗過程

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

圖2 試驗流程簡圖

圖3 阻尼腔試驗壓力曲線

3.2 試驗驗證

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

計算泄壓孔孔徑d 0.049 m

計算峰值壓力P 65.56 MPa

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

圖4 阻尼腔壓力曲線的理論結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)對比

從圖4中看出， 理論模型計算得到的阻尼腔峰值壓力與試驗油液峰值壓力相對誤差小于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，緩解活塞端部對閥體的沖擊，需要對泄壓孔孔徑進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。 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)；遺傳運算；控制參數(shù)設(shè)定。

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

得到選擇概率后，采用輪盤賭法來實現(xiàn)選擇操作，得到每個個體的累積概率：

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

4.2 優(yōu)化目標(biāo)

運動慣性是產(chǎn)生壓力沖擊和機(jī)械結(jié)構(gòu)振動的最主要原因，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，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，筆者采用實數(shù)編碼，初始種群由編碼方法產(chǎn)生，對初始種群挑選出的染色體進(jìn)行遺傳運算時，交叉運算采用兩點變交叉， 變異操作采用單點變異操作，用輪盤賭選擇方法根據(jù)初始種群適應(yīng)值計算得到概率。

圖5 每代最優(yōu)值對應(yīng)的阻尼速度曲線

遺傳算法參數(shù)如下：

種群規(guī)模 200個

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，快速啟閉閥活塞運動速度逐漸減小。 優(yōu)化前活塞的運動速度降低很快，優(yōu)化后活塞運動速度降低緩慢，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%， 活塞運動速度由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，整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

5 結(jié)論

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

5.2 通過采用遺傳算法對泄壓孔孔徑進(jìn)行了優(yōu)化，得到阻尼腔孔徑為0.053 m時，阻尼腔峰值壓力降低了20%， 活塞運動速度減緩至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，即減緩活塞端部對閥體的沖擊，從而有效提高閥門的可靠性和工作壽命。