快速啟閉閥阻尼腔特性分析與結構優化

趙 佳 陳修高 周 義 夏志明 張希恒

（1.蘭州理工大學石油化工學院；2.國家電投集團科學技術研究院有限公司；3.博雷控制系統有限公司）

沖擊是在工程領域中經常遇到的力學現象［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，往往會發生劇烈的沖擊和振動，使系統工作不穩定， 甚至出現密封件失效的情況，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置不合理，沒有達到預期的效果，阻尼腔內壓力過大，超過工況要求，因此需要對快速啟閉閥阻尼腔流場進行分析，并對泄壓孔孔徑進行優化設計，在達到阻尼目的的同時，降低峰值壓力。

目前， 對于阻尼結構已經有大量的研究成果，多數關于阻尼機構的研究側重于液壓阻尼器和油缸結構的分析與優化［4～7］。王幼民以節流調速回路為設計工況，針對閥芯質量、閥芯工作面積及泄壓孔液阻等變量， 應用復合形直接尋優算法，對P-B10B直動滑閥式溢流閥進行了參數優化設計［8］。 Ping Y設計制造了一種新型微流體耦合阻尼減振器，在試驗的基礎上，通過對減振器內部流體動力學現象的分析，建立了減振器的非線性動力學模型［9］。 杜恒和魏建華建立ADAMS/Simulink/AMESim聯合仿真模型和多目標優化函數，并應用遺傳算法進行聯合仿真優化［10］。 王毅翔以軸向柱塞泵配流盤阻尼槽結構對配流過程的影響為研究對象，對多種不同的阻尼槽結構進行了精細的過流面積分析，并對阻尼槽結構參數進行優化［11］。 姚琳等推導出四軸連通油氣懸架數學模型，建立了聯合仿真模型，并應用遺傳算法進行了優化設計［12］。 Zhang J H等使用帶節流孔的阻尼套筒來改變閥門的內部幾何形狀，對作用在阻尼套筒閥芯上的流動力進行了實驗和數值研究，以確定流場的差異對最小化力的影響［13］。 關于快速啟閉閥內部阻尼結構性能和參數優化技術的研究卻很少，筆者根據快速啟閉閥內部結構和阻尼腔內部流體動力學現象，基于能量方程建立該閥的阻尼結構動力學模型，采用遺傳算法對阻尼腔泄壓孔孔徑參數進行優化，優化結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

快速啟閉閥結構復雜，閥體內設計不同介質腔，筆者綜合快速啟閉閥工作情況，針對阻尼腔進行研究。 圖1為阻尼腔部分結構示意圖，當閥門開啟時，活塞端部高速運動至行程末端，腔內的油液升壓并經泄壓孔流出，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阻尼。

圖1 快速啟閉閥阻尼腔結構示意圖

2 阻尼腔的動力學優化模型

為分析快速啟閉閥阻尼過程動態特性，推導方程時做如下假設：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

閥瓣開啟時受介質力向右運動，同時受阻尼腔油液阻尼壓力和閥體內壁摩擦力作用，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有關的系數。

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 泄壓孔結構及壓力

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，先對上游泵進行調試，在系統全壓差達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

快速啟閉閥的相關技術參數如下：

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

將參數帶入理論模型中， 計算所得數據如下：

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果與試驗數據對比

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%，說明該理論模型準確。

4 阻尼腔參數優化中的遺傳算法

遺傳算法（Genetic Algorithms，簡稱GA或者GAs） 是由密歇根大學教授Holland J H和他的學生于20世紀60年代末到70年代初根據達爾文“自然選擇，適者生存”的自然規律提出來的［17］，是常用來解決多目標優化問題的一種優化方法，它是通過模擬自然界的生物進化過程，將遺傳機制和生物進化論有機結合而形成的一種搜索最優解的算法［18］。

4.1 方法應用

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行優化設計。 筆者根據所建立的快速啟閉閥優化模型和優化目標，采用遺傳算法對泄壓孔孔徑進行優化。

基本遺傳算法的操作步驟為：初始種群的產生；參數編碼；適應度函數；遺傳運算；控制參數設定。

每個個體被選中進行遺傳運算的概率為該個體的適應值和群體中所有個體適應值總和的比例。 對于個體i，設其適應值為Fi，種群規模為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選擇操作，得到每個個體的累積概率：

共輪轉NP次，每次輪轉時，隨機產生ξk∈U（0，1），當PPi-1≤ξk＜PPi時，選擇個體i。

4.2 優化目標

運動慣性是產生壓力沖擊和機械結構振動的最主要原因，為避免機械沖擊，又不產生過高的峰值壓力，在其他條件不變時，利用遺傳算法，以泄壓孔孔徑為優化參數來降低阻尼腔峰值壓力，滿足快速啟閉閥阻尼腔設計要求。

4.3 約束條件

設置約束條件如下：

a. 依據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. 根據該閥的工況要求，阻尼腔壓力允許值為P≤65 MPa；

c. 目標函數末速度應小于其初速度， 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 結果分析

每代最優值對應的阻尼速度如圖5所示，種群最優值在13代后趨于穩定，算法收斂，得到泄壓孔孔徑最優值，根據優化特征精度要求，筆者采用實數編碼，初始種群由編碼方法產生，對初始種群挑選出的染色體進行遺傳運算時，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初始種群適應值計算得到概率。

圖5 每代最優值對應的阻尼速度曲線

遺傳算法參數如下：

種群規模 200個

復制率 80%

最大代數 13代

變異率 10%

變異幅值 0.8

優化前后的參數列于表1。

表1 優化前后的參數

由表1看出優化后，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，優化前后，阻尼腔內的壓力隨著阻尼行程的增加而減小。 優化前腔內峰值壓力高達65.56 MPa，優化后，泄壓孔孔徑增大，阻尼腔整體壓力降低， 阻尼腔內峰值壓力降為52.09 MPa，既可以滿足結構強度要求，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。 優化前活塞的運動速度降低很快，優化后活塞運動速度降低緩慢，達到了緩沖的效果。

圖6 阻尼行程-壓力曲線

圖7 阻尼行程-速度曲線

綜上所述， 采用遺傳算法優化阻尼孔徑后，腔內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特性曲線趨于平緩，整個系統運行穩定。

5 結論

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%，證明理論模型的準確性。

5.2 通過采用遺傳算法對泄壓孔孔徑進行了優化，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，達到了優化的目的。

5.3 通過結構優化，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。