基于CFD的液压滑阀多学科优化设计

为了降低滑阀开启和关闭过程中瞬态液动力的影响,提高液压滑阀换向稳定性和可靠性,以典型的三位四通换向滑阀为对象,利用计算流体动力学方法(CFD)对滑阀开启过程进行了动态模拟,可视化地解析了流道结构参数对瞬态液动力的影响.针对滑阀阀芯、阀座沉槽、阀芯间流道结构,建立了参数化模型,借助于CFD解析、试验设计、近似模型技术,对滑阀动态解析过程进行了一体化集成,并以二阶响应面函数的形式表达了开启瞬间瞬态液动力与流道结构参数之间的响应面模型.最后,对流道结构参数进行了优化设计,为提高滑阀性能提供了定量化再设计依据.     

面向多路阀结构拓扑设计的多工况综合性能评价

针对开环条件下液压多路阀结构拓扑需满足多种工况下性能复合的流固耦合设计难题,本研究提出了面向多路阀结构拓扑设计的多工况综合性能评价方法.以液压挖掘机多路阀回转联为对象,将阀芯换向过渡过程分为微动、比例调速以及全开口节流3个开启区段.设定其阀芯节流槽结构参数为变量,分别以3个开启区段的性能为评价目标,构建了面向多路阀结构拓扑设计的多工况综合性能评价的多目标优化设计模型.在验证多路阀流场仿真结果与其台架实验结果基本一致的基础上,对上述优化模型计算结果进行仿真.结果表明,优化所得结构拓扑形态对应的稳态综合性能得到明显改善,说明本方法对于此类复杂工况条件下多路阀结构拓扑设计问题具有参考价值.     

液压挖掘机换向阀微动特性的健壮性评价

针对液压挖掘机换向阀微动性能评价问题,提出采用最小敏感流量系数作为定量化评价微动性能的方法。在先导压力与工作流量同步的条件下,以相对先导压力的工作流量变化梯度为其微动性能评价指标,并在以液压马达表达工作流量变化的前提下构建液压挖掘机换向阀微动的仿真过程,通过与多路阀动态特性实验台架物理实验结果对比来验证其仿真的可靠性;以某型号整机微动性能良好的液压挖掘机多路阀回转联为对象,在其微动初段敏感度与微动末段敏感度之比为7.35的情况下,敏感流量系数的变化具有健壮性。研究结果表明,将最小敏感流量系数作为其微动性能评价指标具有较高的合理性,对阀芯的结构拓扑形态优化设计具有实际意义。     

挖掘机多路阀的载荷分类设计

为解决挖掘机不确定性非平稳随机载荷与确定性阀芯拓扑形态的匹配问题,提出了挖掘机多路阀的载荷分类设计。将挖掘机非平稳随机循环载荷近似地分解为由作业条件决定的趋势项和由力学特性决定的随机项;构建趋势项负载参数化模型,选择具有显著性影响的模型参数表达载荷变化;根据典型作业条件及机体机构确定负载模型参数变化域(负载变化范围),将负载模型参数变化域离散为若干类别,各类别在较小的载荷变化范围内设计对应阀芯,根据不同挖掘机的实际载荷变化范围选择恰当阀芯,以此实现机种作业载荷与其阀芯拓扑的匹配。以某20吨级液压挖掘机回转联阀芯与回转载荷的匹配为研究对象,验证了该设计方法的有效性。挖掘机多路阀的载荷分类设计,可实现面向不同机种、不同作业条件,满足多路阀节流特性要求的阀芯拓扑形态快速响应设计。     

带有K形节流槽的液压支架换向阀改进设计

针对煤矿综采工作面现有液压支架换向阀阀口过流面积梯度大、仅能够实现开关型控制功能的现状,以及由此造成的支架供液系统内液压冲击剧烈问题,提出在阀芯径向过流孔凸肩位置增设K型节流槽的换向阀改进设计方案。得出了K型节流槽等效阀口过流面积计算方法,采用AMESim软件搭建了换向阀液压仿真模型;并对现有开关型换向阀和改进换向阀进行了对比研究。结果表明:带有K型节流槽的换向阀改进方案可实现阀芯开启过程中的阀口过流面积分段线性增大规律,在阀芯开度小于5. 5 mm时,阀口过流面积梯度较小;在阀芯开度大于5. 5 mm后,该梯度数值增大至与现有换向阀相当;阀口通流流量和阀口压力可相应实现分段增大规律。改进设计思路对于面向支架不同工艺动作的换向阀结构优化具有借鉴意义。     

多路阀阀芯拓扑形态设计的流量数参数模型

为避免多路阀阀芯拓扑形态设计中满足多种复杂载荷条件的计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)仿真的庞大计算量,提出了多路阀阀芯拓扑形态设计的流量数参数模型。由于多路阀常处于饱和流量状态,故假设流量系数仅与阀芯拓扑形态和阀芯位移有关,用流量数作为表达节流槽流量控制特性的参数。首先,通过有限变量空间中的CFD仿真样本,运用统计学方法建立不同节流槽结构的流量数参数模型。然后,通过线性叠加得到阀口的流量数参数模型。最后,以20吨级液压挖掘机多路阀为研究对象,使用流量数参数模型实现了一定载荷特征与性能要求下的多路阀节流结构定制化设计。研究结果表明,流量数参数模型对复杂载荷条件下多路阀阀芯拓扑形态设计具有良好的设计精度与简便性。     

带有K型节流槽的液压支架换向阀改进设计

针对煤矿综采工作面现有液压支架换向阀阀口过流面积梯度大、仅能够实现开关型控制功能的现状,以及由此造成的支架供液系统内液压冲击剧烈问题,提出在阀芯径向过流孔凸肩位置增设K型节流槽的换向阀改进设计方案。得出了K型节流槽等效阀口过流面积计算方法,采用AMESim软件搭建了换向阀液压仿真模型;并对现有开关型换向阀和改进换向阀进行了对比研究。结果表明:带有K型节流槽的换向阀改进方案可实现阀芯开启过程中的阀口过流面积分段线性增大规律,在阀芯开度小于5. 5 mm时,阀口过流面积梯度较小;在阀芯开度大于5. 5 mm后,该梯度数值增大至与现有换向阀相当;阀口通流流量和阀口压力可相应实现分段增大规律。改进设计思路对于面向支架不同工艺动作的换向阀结构优化具有借鉴意义。     

基础振动下电磁换向阀设计方法

针对工程机械工作过程中产生的强振动引起电磁换向阀阀芯瞬态液动力和电磁力变化,进而影响电磁换向阀压力-流量特性和换向时间的问题,建立基础振动下电磁换向阀的动力学仿真模型,并通过实验验证模型的正确性。运用多目标遗传算法对振动环境下电磁换向阀的主要结构参数进行优化设计。研究结果表明:阀的最佳设计参数是阀芯质量为0.005 kg,阻尼系数为22.03 N·s/m,弹簧刚度为2 384.8 N·m;优化后,基础振动下电磁换向阀流量波动失效区域降低80%,流量降低区域全部消失,换向时间延长区域降低62%。该研究可为基础振动下电磁换向阀的选型和设计提供依据。     

液压支架立柱液压系统阀芯卡滞诊断

针对目前无法快速准确的诊断液压支架工作过程中液压系统阀芯卡滞故障的问题,以ZF5600/16.5/26支架为例,研究电液换向阀阀芯卡滞问题对立柱升柱承载过程的影响。利用AMESim仿真软件建立立柱控制回路模型,以不同阀芯开启度代替阀芯卡滞状况,得出不同阀芯卡滞状况下立柱升柱特性曲线,通过对比分析不同曲线变化状态,可快速锁定出错液压阀位置,提高检修效率,防止故障危害蔓延。     

面向液压挖掘机电控多路阀的控制系统参数整定

针对传统液压挖掘机多路阀结构与整机性能间的耦合、液压控制系统精度低带来的整机控制不匹配问题,为实现液压挖掘机多路阀简单化设计和整机控制系统自适应变化,提出面对液压挖掘机电控多路阀的控制系统参数整定方法.界定操纵电手柄输出为0-1数字信号,考虑整机多路阀结构特征,设计液压挖掘机电控多路阀的变参数一阶控制系统,提出综合系统冲击、能量利用率、跟随性三项指标作为参数整定的评价算法.通过设计电手柄-控制器-液压挖掘机整机性能表达的数字化平台三者衔接的半物理仿真平台进行试验,分析结果表明:控制系统有效,且控制器响应的一阶控制系统参数T、K可基于整机性能整定得出;时间常数T可由电控多路阀阀芯固有频率和阀芯开度决定,与阀芯阻尼比相关度较小.     

不同锥角的直动式溢流阀稳态液动力分析

为了降低稳态液动力对比例溢流阀性能的影响,分析了阀座带锥角和阀芯带锥角两种比例溢流阀的基本结构方案,利用PRO/E建立两种结构下不同锥角的流道模型.通过计算流体动力学(CFD)流场仿真软件对不同阀座与阀芯锥角的锥阀口流场进行数值模拟,分析不同锥角阀口的压力流场分布.对不同结构、不同锥角情况下的稳态液动力进行分析,结果表明:阀座带锥角比阀芯带锥角的结构稳态液动力减小了35%~60%;当阀座半锥角为32.5°,阀芯半锥角为30°时,稳态液动力最小.     

滑移网格法在滑阀三维瞬态流场解析的适用性分析

在滑阀换向过程的三维有限元解析中,由于流固耦合造成其网格大变形,出现三维瞬态流场解析发散的问题.提出了面向滑阀三维瞬态流场解析的滑移网格法,即通过在静止网格与动态网格间用平行滑移网格连接构建三维解析模型,以避免瞬态流场解析中动态网格反复重构所造成的计算发散问题,实现滑阀换向过程的三维瞬态流场解析.研究以某液压挖掘机多路阀回转联为对象,以液压元件动态特性试验台试验结果为基准,对比平稳工况条件下的解析值与实验结果,验证了滑移网格法在滑阀三维瞬态流场解析中的适用性,为建立挖掘机动态载荷与其阀芯结构形态间的动力学映射关系提供了工程化表达路径.     

水压大流量高速开关阀设计及试验研究

为满足大流量和快响应电液控制系统的需求,采用大功率直线电机分步直接驱动先导阀与主阀阀芯,将直线电机驱动技术与先导阀结构紧密结合,研制出一款直线电机驱动的水压高速大流量开关阀.建立了开关阀AMESim模型,并对其关键结构参数进行了仿真优化,得到了其动态特性曲线.通过Matlab/Simulink对直线电机位置环及速度环进行双环运动规划,控制阀芯的运动状态,进而实现阀口开度的精确数字控制,提高了大流量高速开关阀的控制精度.完成了开关阀原理样机的研制,开展了直线电机控制的运动轨迹试验研究.结果显示,其跟随性能良好,能够实现设定的运动规划,与仿真结果基本相符,满足高速、大流量的技术要求.      

固定锥形阀特性参数及流动特征的仿真分析

固定锥形阀应具备良好的水力特性以满足管线系统中不同工况的调流和消能要求,以DN1200锥形阀为研究对象,利用计算流体力学(computional fluid dynamics,CFD)方法分析不同开度下的稳态工况及开、关阀过程的瞬态工况,通过对比流量系数、流阻系数、排放系数、汽蚀系数、消能率等阀门特性参数及套筒闸的动静态不平衡力和阀内流场分布等,全面分析了固定锥形的水力特性。结果表明,流量系数和排放系数具有较好的线性特性,其过流能力随开度增大而线性增加。流阻系数和消能率曲线的变化趋势相同,小开度时对水流的流动阻碍和能量损耗作用明显,开度增大后流阻系数和消能率迅速减小。汽蚀系数表征实际工况中的汽蚀可能程度,在设计流量工况下,各开度对应的汽蚀系数呈抛物线变化趋势。另外,由于流动和启闭同在轴向,故套筒闸主要受到轴向的不平衡力;稳态不平衡力与水流方向相同,而开关阀过程的瞬态不平衡力均与水流方向相反,且关阀力略大于开阀力。最后,分别以各开度下的压力、流速、湍动能和湍流耗散率等流场分布对固定锥形阀的流动规律进行说明。     

位置扰动型电液力控制系统多余力的抑制

在位置扰动下,电液力控制系统中液压缸被动运动引起强迫流量,导致多余力的产生。为了减少多余力对系统跟踪性能的影响,首先建立位置扰动下的电液力控制系统数学模型,分解出多余力表达式,在此基础上提出采用一个与系统中电液伺服阀主阀芯运动方向相反的补偿用电液伺服阀来消除多余力的方案,然后以一个典型的液压系统为例,借助Simulink软件进行数值仿真分析。结果表明,补偿阀能够及时、有效地排出强迫流量并大幅减少多余力,位置扰动下多余力减少量最多达93.5%,输出力跟踪幅值误差不大于2%,稳态误差不大于1.8%。     

空中轨道结构车-轨耦合模型试验研究

介绍了新型预张弦索空中轨道结构的原理与受力特点,设计了63m结构的1∶15模型并进行了试验.通过不同弦索张拉力、不同移动荷载和不同行车速度三个因素的近90种组合,对空中轨道结构的部分静力与动力性能进行了研究,对移动荷载和行车速度影响下的弦索应力响应、结构动态挠度变化进行了测试.通过对动力放大系数的分析,提出特定张力、荷载与速度间的关系,为空中轨道真实结构的研究和应用提供理论依据.     

伺服阀主阀芯的建模与仿真

运用流场分析软件,对伺服阀主阀芯在阀口开口大小一定时的内部流场进行模拟仿真.仿真结果表明,阀口处压差是影响阀内部流场的主要因素之一.仿真所得阀口的速度场与压力场数据与伺服阀流量特性的理论计算结果一致,符合液体流动的规律.     

基于AMESim注塑机负载敏感系统仿真分析

构建了负载敏感系统并介绍了其节能原理,利用AMESim软件建立了仿真模型,对系统恒流时负载压力变化对泵输出流量的影响和负载敏感阀阀芯面积对系统动态性能的影响进行了仿真研究.仿真结果表明:系统恒流时泵的输出流量不受负载压力变化的影响,负载敏感阀阀芯面积对系统的稳定性具有重要影响.     

液压挖掘机动力学研究

通过对液压挖掘机在工作过程中工作装置所受到的力和运动之间关系的研究，对液压系统液体流动和工作装置运动分别对挖掘力的影响作出了定量分析，并建立了相应的数学模型。关键在于根据能量守恒定律，解决了不能直接用动静法研究因惯性力所引起的冲击载荷问题，并推导出两种计算动载荷（或瞬息力）的公式，使液压挖掘机在工作过程中可能出现的最大瞬息力的取值有了理论依据