CN103745052B - 一种强振动环境下电磁换向阀选型优化方法 - Google Patents

Abstract

一种强振动环境下电磁换向阀选型优化设计方法，包括以下步骤：根据负载—流量特性，建立起强振动环境下电磁换向阀的仿真模型，输入振动形式及基本参数，利用已建立的仿真模型对强振动环境下电磁换向阀进行阀芯动态特性仿真，获得电磁换向阀的阀芯位移x动态特性曲线，计算换向稳定后电磁换向阀的阀芯位移x波动幅值Δx，优化过程为多目标、多因素的邻域优化寻值问题，系统综合考虑强振动F_m、阀芯质量m、弹簧刚度k、阀腔内体积V对电磁换向阀阀芯位移x动态特性的影响规律，确定多指标函数各因素的权重；本发明能够快速性和便捷性选定的电磁换向阀能否满足工况要求；经过优化后的结构参数，能提高电磁换向阀适应工况的能力。

Description

一种强振动环境下电磁换向阀选型优化方法

技术领域

本发明涉及一种强振动环境下电磁换向阀选型优化方法。

背景技术

电磁换向阀作为硬岩掘进装备(TBM)常用的一种液压元件，其结构、工作性能、加工成本和使用寿命决定了硬岩掘进机的掘进效率与经济性。电磁换向阀属于易损耗件，硬岩掘进装备(TBM)在其工作过程中刀盘上的刀具群直接切割坚硬的岩石，由此产生的剧烈振动由机架传递给掘进液压系统，液压系统承受非常大的随机突变载荷，这种恶劣的工作环境对电磁换向阀的振动适应性提出了极高的要求。因此，针对各类不同的振动条件，能否设计或选用满足工程施工需要的电磁换向阀成为决定硬岩掘进机开挖工作效率、工程进展与经济效益的关键因素。

传统的电磁换向阀的选型主要是依据电磁换向阀的压力—流量特性。本发明是专门针对TBM掘进中的强振动环境，因此传统的选型准则并不适合于强振动环境下的换向阀的选型。根据压力-流量设计准则选用不同类型的电磁换向阀，以保证电磁换向阀在无振动工况下能正常工作，在此基础上对电磁换向阀进行振动顺应性仿真优化。

发明内容

本发明目的在于提供一种强振动环境下电磁换向阀选型优化设计方法，主要是针对各类强振动条件下对电磁换向阀的关键参数优化设计，得到已知强振动条件下的目标电磁换向阀初步优化方案。

本发明是通过以下技术方案来实现的，包括：

(1)根据负载(阀芯的平衡方程)—流量(流量连续性方程)特性，建立起强振动环境下电磁换向阀的仿真模型，该模型考虑了强振动对阀芯造成的影响，通过F_m来表现。

阀芯的平衡方程

流量连续性方程

式中：m—阀芯质量，Kg x—阀芯相对于基座的相对位移，m

B—粘性阻尼系数，Ns/m k—弹簧刚度，N/m

Ks—稳态液动力系数，m ρ—油液密度，kg/m³

ΔP—压差，Pa Fi—电磁力，N

Fm—振动引起的惯性力，N Q₀—阀输入流量，m³/s

V—阀腔内的容积，m³ E—油液的弹性体积模量，MP_a

C_d—流量系数， W—阀口周长，m

(2)输入的振动形式及基本参数，为简谐信号振动时，输入的振动参数为振幅和频率；为斜波信号振动时，输入的振动参数为振动加速度；为随机振动时，输入均值、均方值、方差、概率密度函数、相关函数和功率谱密度函数；为三角信号振动时，输入步长和振幅。利用已建立的仿真模型对强振动环境下电磁换向阀进行阀芯动态特性仿真，获得电磁换向阀的阀芯位移x动态特性曲线，计算换向稳定后电磁换向阀的阀芯位移x波动幅值Δx(Δx＝xt-xt+Δt)。根据换向阀在公称压力下阀芯偏离原始位置不得大于2mm这一要求，确认该电磁换向阀是否能满足该振动环境下的工况需求，若阀芯的位移动态特性满足工况需求则直接选用；若不满足工况需求，系统自动进行电磁换向阀振动顺应性优化设计。

(3)优化过程为多目标、多因素的邻域优化寻值问题，不能单一的改变其中的某个参数。综合考虑强振动F_m、阀芯质量弹簧刚度阀腔内体积对电磁换向阀阀芯位移x动态特性的影响规律，确定多指标函数各因素的权重。该方法基于的理论是综合评分法。

综合评分法的一般公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{y}_i^{*}={\mathrm{\α}}_1{\left(y_i\right)}_1+{\mathrm{\α}}_2{\left(y_i\right)}_2+...={\mathrm{\Σ}}_k{\mathrm{\α}}_k{\left(y_i\right)}_k\\ {\mathrm{\α}}_k=c_k{r}_k\end{array}\right.$

式中：为第i号实验的综合评分；

α_k为第k项指标的评分系数；

C_k为第k项指标扩大系数；

r_k为第k项指标的权值；

(y_i)_k为第k项指标的评分。

采用修正后的综合评分公式为：

$y_i*=5\frac{t_s}{t_{so}}-11\frac{K_r}{K_{ro}}+85\frac{{\mathrm{\Δ}}_x}{{\mathrm{\Δ}}_{xo}}$

式中：t_s0为优化前调整时间，t_s为调整时间，ms；

K_r0为优化前阀芯位移超调量，K_r为位移超调量，m；

Δ_xo为优化前阀芯位移波动幅值，Δx为位移波动幅值，m。

根据已确定的多指标函数进行多指标正交试验，综合评分法分析表，获得满足强振动环境下的各因素数值，完成电磁换向阀的顺应性设计。采用这种选型优化方法后，能够快速确定选定的电磁换向阀能不能满足工况要去，体现了它的快速性和便捷性；同时经过优化后的结构参数，能提高电磁换向阀适应工况的能力，使其适应强振动的工作范围提高40％左右。

“十二五”期间我国对TBM的需求量在200台以上，已成为TBM需求量最大的国家，因此强振动下电磁换向阀的优化设计具有良好的应用前景。利用此方法用户可以迅速判断所选的电磁换向阀是否满足工况需求；若不满足工况，则进行电磁换向阀振动顺应性优化设计，具有重要的理论研究和实际意义。

附图说明

图1为电磁换向阀自动选型优化设计方法的流程图；

图2为强振动环境下电磁换向阀的仿真模型。

具体实施方式

下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

参看图1，进行电磁换向阀选型优化时，首先输入基础参数，包括工作压力P_o和工作流量Q_o，并输入强振动形式(为简谐信号振动时，输入的振动参数为振幅和频率；为斜波信号振动时，输入的振动参数为振动加速度；为随机振动时，输入均值、均方值、方差、概率密度函数、相关函数和功率谱密度函数；为三角信号振动时，输入时间步长和振幅)。然后利用内部电磁换向阀结构参数数据库，选择合适的电磁换向阀，选定后，把电磁换向阀的结构参数(包括m、V、k、W)的值赋给强振动下电磁换向阀的仿真模型，如果Δx≤2mm，则电磁换向阀满足强振动的工作范围，则选定该电磁换向阀；如果Δx≥2mm，则程序自动对该电磁换向阀进行结构参数优化，并输出优化后的结构参数m、V、k、W，系统重新用电磁换向阀的仿真模型来验证优化的正确性，同时供用户参照设计，本仿真的仿真模型如图2所示。

该方法的理论基础为利用修正后的综合评分公式对其进行正交试验。为了保证各个影响因素取值的均衡分散性和综合可比性，对每个因素取5个水平。因素与水平位级数值见表1。

表1因素水平表

选用正交表L9(33)，结果如表2所示，表中综合评分值(yi*)根据三项指标同等重要，根据各项实验结果统一标准。其中调整时间、位移超调量和位移波动幅值都是越小越好。

表2试验计划及试验结果表

表3综合评分法分析表

根据正交试验的结果对其进行处理以确定各因素的主次顺序、因素的优水平及试验因素的最优组合。由表3知因素的主次顺序及最优方案分别为：ABC，最优方案为A₂B₃C₁，其次为A₁B₂C₃。

Claims (1)

1.一种强振动环境下电磁换向阀选型优化设计方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)根据负载—流量特性，建立起强振动环境下电磁换向阀的仿真模型，该模型考虑了强振动对阀芯造成的影响，通过F_m来表现；

阀芯的平衡方程

流量连续性方程

式中：m—阀芯质量，Kg x—阀芯相对于基座的相对位移，m

B—粘性阻尼系数，Ns/m k—弹簧刚度，N/m

ρ—油液密度，kg/m³ Ks—稳态液动力系数，m

ΔP—压差，Pa Fi—电磁力，N

Fm—振动引起的惯性力，N Q₀—阀输入流量，m³/s

V—阀腔内的容积，m³ E—油液的弹性体积模量，MP_a

C_d—流量系数， W—阀口周长，m

(2)输入的振动形式及基本参数，为简谐信号振动时，输入的振动参数为振幅和频率；为斜波信号振动时，输入的振动参数为振动加速度；为随机振动时，输入均值、均方值、方差、概率密度函数、相关函数和功率谱密度函数；为三角信号振动时，输入步长和振幅；利用已建立的仿真模型对强振动环境下电磁换向阀进行阀芯动态特性仿真，获得电磁换向阀的阀芯位移x动态特性曲线，计算换向稳定后电磁换向阀的阀芯位移x波动幅值Δx，Δx＝x_t-x_t+Δt；根据换向阀在公称压力下阀芯偏离原始位置不得大于2mm的要求，确认该电磁换向阀是否能满足该振动环境下的工况需求，若阀芯的位移动态特性满足工况需求则直接选用；若不满足工况需求，系统自动进行电磁换向阀振动顺应性优化设计；

(3)优化过程为多目标、多因素的邻域优化寻值问题，不能单一的改变其中的某个参数，系统综合考虑强振动F_m、阀芯质量m、弹簧刚度k、阀腔内体积V对电磁换向阀阀芯位移x动态特性的影响规律，确定多指标函数各因素的权重；

综合评分法的一般公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{y}_i^{*}={\mathrm{\α}}_1{\left(y_i\right)}_1+{\mathrm{\α}}_2{\left(y_i\right)}_2+...={\mathrm{\Σ}}_k{\mathrm{\α}}_k{\left(y_i\right)}_k\\ {\mathrm{\α}}_k=c_k{r}_k\end{array}\right.$

式中：为第i号实验的综合评分；α_k为第k项指标的评分系数；c_k为第k项指标扩大系数；r_k为第k项指标的权值；(y_i)_k为第k项指标的评分；

采用修正后的综合评分公式为：

$y_i*=5\frac{t_s}{t_{so}}-11\frac{K_r}{K_{ro}}+85\frac{{\mathrm{\Δ}}_x}{{\mathrm{\Δ}}_{xo}}$

式中：t_s0为优化前调整时间，ms；

t_s为优化后调整时间，ms；

K_r0为优化前阀芯位移超调量，m；

K_r为优化后阀芯位移超调量，m；

Δ_xo为优化前阀芯位移波动幅值，m；

Δ_x为优化后阀芯位移波动幅值，m；

根据已确定的多指标函数进行多指标正交试验，综合评分法分析表，获得满足强振动环境下的各因素数值，完成电磁换向阀的顺应性设计。