CN113065212A - 一种基于鸟群算法的马达组合压力缓冲槽结构设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种基于鸟群算法的马达配流盘组合压力缓冲槽结构的设计方法,它的主要步骤包括:步骤一:建立组合压力槽下连续回转电液伺服马达密封容腔数学模型;步骤二:确定适应度函数C(i),运用鸟群优化算法对组合压力槽结构进行优化,得到组合压力槽的最优深度和深度角尺寸;步骤三:建立连续回转电液伺服马达组合压力槽下内流场模型;步骤四:马达内流场模型的网格划分;步骤五:利用FLUENT软件对组合压力槽下马达内流场模型的降压过程进行分析。通过该方法得到的最优组合压力缓冲槽结构,从而有效地缓解连续回转电液伺服马达换向时的压力冲击,对连续回转电液伺服马达的研制和发展具有十分重要的意义。
Description
技术领域
本发明涉及电液伺服马达旋转过程中产生的压力冲击领域,具体公开了一种基于鸟群算法的马达组合压力缓冲槽结构设计方法。
背景技术
连续回转电液伺服马达转动过程中叶片在高低压腔间不断切换,势必会引起压力冲击,从而对马达叶片造成磨损,甚至对马达的低速性能产生影响。为了降低连续回转电液伺服马达在工作时产生的压力冲击,目前最常用的方法是在马达配流盘上设置缓冲槽,缓冲槽的形状有孔型、半圆形和T型等。由于三角槽节流面积的大小与流量倒灌和压力冲击有关,为了更好的降低压力冲击,本发明公开了一种基于鸟群算法的马达组合压力缓冲槽结构设计方法,运用鸟群算法,对组合压力缓冲槽结构的深度和深度角进行了优化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是为了降低压力冲击对连续回转电液伺服马达低速性能的影响,设计了一种U型槽前端加三角槽结构的组合压力缓冲槽结构,并用鸟群算法确定其深度和深度角的最优结构尺寸。
为了实现上述目的,本发明的技术方案如下。
步骤一:建立连续回转电液伺服马达密封容腔数学模型。
步骤二:确定鸟群所在位置C(i),运用鸟群优化算法对组合压力槽结构进行优化,得到组合压力槽的最优深度和深度角尺寸;
(1)建立组合压力槽下连续回转电液伺服马达密封容腔的数学模型,得到连续回转电液伺服马达的压力梯度,将组合压力槽的深度和深度角值作为判定值C(i1)C(i2),马达在降压过程中的压力梯度作为目标函数;(2)在连续回转电液何服马达降压过程中,把马达叶片旋转角度、组合压力缓冲槽的深度和深度角尺寸为约束条件;(3)以连续回转电液伺服马达在长半径圆弧区域降压过程中的压力梯度为判定函数,初始化鸟群优化算法的各基本参数,如鸟群的总数、鸟类的粒子维度、最大的迭代次数、鸟类的飞行频率、觅食概率等参数,运用鸟群优化算法对马达配流盘组合压力槽进行优化。
步骤三:组合压力槽下马达内流场模型的建立与网格划分;
步骤四:利用FLUENT软件对组合压力槽下马达内流场模型的降压过程进行分析;(1)选择32#抗磨液压油;(2)指定进出口压力为6.5MPa、3.5MPa;(3)选k-ε湍流模型;(4)运用FLUENT软件进行计算,得到连续回转电液伺服马达叶片旋转角度为0°、0.4°、0.8°、1.2°、1.6°、2°、2.4°、2.8°以及3.2°时三角槽和组合压力槽下的计算结果;(5)通过计算结果得到压力变化曲线和压力梯度变化曲线。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果。
本发明设计了一种U型槽前端加三角槽的组合压力槽结构,并用鸟群优化算法对配流盘组合压力槽结构尺寸进行优化,从而得到最佳的组合压力槽结构,本发明的优点是降低马达叶片在高低压腔切换时的压力冲击,保证其压力过渡平稳,对连续回转电液伺服马达的研制具有十分重要的意义。
附图说明
图1是马达密封容腔结构图。
图2是三角槽结构示意图。
图3是U型槽结构示意图。
图4是组合压力缓冲槽结构图。
图5是目标函数优化曲线图。
图6是组合压力槽深度和深度角优化曲线。
图7是三角槽结构下马达内流场模型。
图8是组合压力槽结构下马达内流场模型。
图9是三角槽结构下马达内流场网格模型。
图10是组合压力槽结构下马达内流场网格模型。
图11是三角槽结构下马达密封容腔降压过程压力云图。
图12是组合槽结构下马达密封容腔降压过程压力云图。
图13是压力变化曲线。
图14是压力梯度变化曲线。
具体实施方式:
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述,以便更好地理解本发明。
实施例
本发明公开了一种基于鸟群算法的马达组合压力缓冲槽结构设计方法,具体步骤如下:
步骤一:分别建立三角槽、U型槽和组合压力槽下连续回转电液伺服马达密封容腔的数学模型,以连续回转电液伺服马达配油盘、叶片一、叶片二、转子和定子内曲线组成的密封容腔为研究对象,如图1所示。假设密封容腔初始体积为V,密封容腔内油液体积变化为马达密封容腔内的压力变化可用以下公式计算:
压力公式推导表达式为:
密封容腔内油液压力梯度如下公式表达:
其中:ω为马达的转速(°/s);θ为马达的转子转角(°);V为马达的密封腔初始体积(m3);β∈为油液的弹性模量(MPa);dp为密封容腔油液压力微分;dv为密封容腔油液体积微分;经三角槽流入或流出连续回转电液伺服马达密封容腔的体积变化可根据节流小孔的流量公式得到:
其中:Cq为流量系数;ΔP为马达进出口压差(Pa);A为回油腔的节流面积;ρ为液压油的密度(kg/m3);
组合压力槽是将三角槽和U型槽进行组合,即在U型槽前端加上三角槽,如图4所示。三角缓冲槽结构简单,可以看作成一个加工后形成的三棱椎体。三角槽的结构主要由平面角和深度角两个参数控制。其中面Δabd与连续回转电液伺服马达的配油盘工作平面重合,叶片在转过三角槽的过程中,任意截面Δefg为等边三角形,则定义Δefg的面积为三角槽的过流面积。U型槽可以看成半圆柱段和等截面积段两部分组成,通过其宽度和深度确定结构大小,将U型槽的过流面积分为半圆柱段和等面积段两部分计算。组合压力槽结构比单一缓冲槽复杂,需划分不同的阶段建立其理论模型,需分别三角槽和U型槽的过流面积。
根据三角槽的结构示意图2,计算后的三角缓冲槽过流面积A1可以以下公式表示:
式中:γ1为三角槽的平面角(°);γ2为三角槽的深度角(°);r为马达配流窗口的前缘半径(mm);θ为马达叶片在三角槽上转过的角度(°)。
由三角缓冲槽流入或流出马达密封容腔的体积变化为:
在马达工作时,其密封容腔的油液体积可表示为:
式中:R1为定子大圆弧半径(mm);R2为马达转子半径(mm);z为马达叶片个数;b为叶片厚度(mm)。
可以得到三角缓冲槽结构下马达密封容腔内的压力梯度方程:
根据U型槽的结构示意图3,计算后的U型槽过流面积A2可以以下公式表示:
同理,经过U型槽流入或流出马达密封容腔体积的体积变化可根据节流小孔的流量公式得到:
可得U型槽结构下马达密封腔内压力梯度方程:
其中:r为马达配油窗口的前缘半径(mm);b为U型槽的宽度(mm);L为U型槽的深度(mm);α为叶片在半圆柱上转过的角度(°);θ为叶片旋转过半圆柱段的角度。
组合压力槽作为两种缓冲槽的组合,面积应与两种缓冲槽保持一致,且三角槽和U型槽的占比为2:3,通过三角槽和U型槽的大小占比,能够计算出叶片分别转过三角槽和U型槽阶段所需的角度。
根据式(5)和(9),可以得到组合压力槽下的过流面积,其表达式为:
液压油通过组合压力槽流入或流出马达密封容腔的体积变化,可根据节流小孔的流量公式(4)得到,其表达式可如下为:
根据式(4)、(12)和(13),可以得到组合压力槽结构下马达密封腔的压力梯度方程:
步骤二:确定鸟群所在位置C(i),运用鸟群优化算法对组合压力槽结构进行优化,得到组合压力槽的最优深度和深度角尺寸,主要分为以下几个步骤:
(1)将组合压力槽的深度和深度角尺寸作为鸟群所在位置Ci1和Ci2,马达在降压过程中的压力梯度方程作为目标函数(FitFunc),得到鸟群所在位置的适应度值F(x)为:
(2)在连续回转电液何服马达降压过程中,把马达叶片旋转角度、组合压力缓冲槽的深度和深度角尺寸为约束条件;叶片从0°转动3°即可实现降压,因此马达叶片旋转角度为:0°<θ<3°,深度尺寸区间约束为1.45<L<1.65,深度角尺寸区间约束6.5°<γ2<9.5°;(3)以连续回转电液伺服马达在长半径圆弧区域降压过程中的压力梯度为判定函数,初始化鸟群的总数设置为10,空间维度为1维,迭代次数为600次,鸟群飞行频率为8,认知系数C和社会进化系数S都为1,参数a1、a2也设置为1。代入相关参数,运用Matlab对目标函数进行优化,得到目标函数优化曲线和组合压力槽深度和深度角优化曲线,如图5和图6所示;当鸟群优化算法迭代到第53步时,目标函数开始收敛,收敛于-1.2741,当组合压力槽宽度为2mm,平面角为8°时,深度角为9.41°和深度为1.532时降压效果最优。
步骤三:建立三角槽和组合压力槽下马达内流场模型的建立与网格划分;
为了研究组合压力槽对连续回转电液伺服马达换向时压力冲击的影响,不考虑马达泄漏;为了分析马达在短半径区域升压过程中的压力变化情况,以叶片与回油腔相切的位置开始,马达叶片旋转角度0.4°为间隔,运用UG软件建立马达两相邻叶片从0°、0.4°、0.8°、1.2°、1.6°、2°、2.4°、2.8°以及3.2°九个位置时马达密封容腔内流场三维模型,如图7和图8所示;本发明选择Workbench中的MESH网格划分对模型进行网格划分,在马达密封容腔内流场模型中,马达叶片顶端和定子表面接触部分的间隙较小以及三角槽尖角处部分尺寸较小,为了保证精确的数值计算结果,对该部分区域进行网格细化处理。由于篇幅有限,只展示0°时三角槽和组合压力槽下的网格模型,如图9和图10所示。
步骤四:利用FLUENT软件对组合压力槽下马达内流场模型的降压过程进行仿真分析,具体以下几个过程:
(1)选择32#抗磨液压油;(2)指定进出口压力为6.5MPa、3.5MPa,(3)选择k-ε湍流模型;(4)运用FLUENT软件进行计算,得到连续回转电液伺服马达叶片旋转角度为0°、0.4°、0.8°、1.2°、1.6°、2°、2.4°、2.8°以及3.2°时三角槽和组合压力槽下的计算结果;(5)通过仿真分析得到马达密封容腔在降压过程中的压力云图,由于篇幅有限,只展示0°时三角槽和组合压力槽下的压力云图,如图11和12所示;(6)通过计算结果得到压力变化曲线和压力梯度变化曲线,如图13和14所示。
Claims (4)
1.一种基于鸟群算法的马达组合压力缓冲槽结构的设计方法,组合压力缓冲槽其特征在于在U型槽前端加三角槽,运用鸟群优化算法对连续回转电液伺服马达组合压力缓冲槽结构进行优化,包括以下步骤:
步骤一:建立组合压力槽下连续回转电液伺服马达密封容腔数学模型;
步骤二:确定鸟群所在位置C(i),运用鸟群优化算法对组合压力槽结构进行优化,得到组合压力槽的最优深度和深度角尺寸;
步骤三:三角槽和组合压力槽下马达内流场模型的建立与网格划分;
步骤四:利用FLUENT软件对三角槽和组合压力槽下马达内流场模型的降压过程进行分析。
2.根据权利要求1所述的一种基于鸟群优化算法的连续回转电液伺服马达组合压力槽结构设计,其特征对于组合压力槽结构下的马达内流场进行数值计算,主要分为以下几个过程:
a)选择32#抗磨液压油;b)指定进出口压力为6.5MPa、3.5MPa;c)选择湍流模型;d)运用FLUENT软件进行计算,得到连续回转电液伺服马达叶片旋转角度为0°、0.4°、0.8°、1.2°、1.6°、2°、2.4°、2.8°以及3.2°时三角槽和组合压力槽下的计算结果;e)通过计算结果得到压力变化曲线和压力梯度变化曲线。
3.根据权利要求1所述的一种基于鸟群算法的马达配流盘组合压力槽结构的设计方法,其特征是确定鸟群所在位置C(i),运用鸟群算法对马达配流盘结构进行优化,主要分为以下几点:
a)建立组合压力槽下连续回转电液伺服马达密封容腔的数学模型,得到连续回转电液伺服马达的压力梯度,将组合压力槽的深度和深度角值作为判定值C(i1)C(i2),马达在降压过程中的压力梯度作为目标函数;
b)在连续回转电液何服马达降压过程中,把马达叶片旋转角度、组合压力缓冲槽的深度和深度角尺寸为约束条件;
c)以连续回转电液伺服马达在长半径圆弧区域降压过程中的压力梯度为判定函数,初始化鸟群优化算法的各基本参数,如鸟群的总数、鸟类的粒子维度、最大的迭代次数、鸟类的飞行频率、觅食概率等参数,运用鸟群优化算法对马达配流盘组合压力槽进行优化。
4.根据权利要求2所述的一种基于鸟群算法的马达预压缩容腔结构设计方法,其特征运用FLUENT对连续回转电液伺服马达在升压和降压过程的研究方法一致,所以本文只对降压过程进行研究。
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沈志琦: "连续回转电液伺服马达压力冲击及内泄漏研究", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士)工程科技Ⅱ辑》 * |
陈帅: "叶片式连续回转电液伺服马达密封与换向冲击特性研究", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士)工程科技Ⅱ辑》 * |
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