振動環(huán)境下插裝閥選型及優(yōu)化

第二插裝閥具有布置能力大、動作速度快等特點。因此，它被廣泛應用于能源系統(tǒng)。國內外學者對其工作性能進行了研究，如zhang等人。1振動加速度對插裝閥振動的影響根據MB264-311型TBM撐靴液壓系統(tǒng)中插裝閥所處液壓回路實際工況,建立振動條件下的插裝閥仿真模型,該仿真模型采用AMESim軟件中的液壓元件設計功能建立,如圖1所示。振動信號源被加載在插裝閥的閥套上,模擬基礎振動對插裝閥產生的影響,利用AMESim提供的信號源可以模擬閥套被迫振動位移、閥套所受振動的作用力等不同方式,振動加速度區(qū)間可控。在圖1所示模型中,外界振動對插裝閥的影響以隨機位移的方式被加載在閥套上。中國鐵建重工集團在越南TBM施工工地所測數據顯示,撐靴系統(tǒng)處位移為隨機振動位移,當刀盤轉速為8.5r/min,插裝閥入口壓力為22.7MPa時,閥套所受振動時域波形圖如圖2所示,插裝閥受迫振動的加速度集中在±1m/s插裝閥在正常工作時,其所受液壓作用力與彈簧作用力會達到平衡狀態(tài),而強烈的受迫振動導致這種平衡狀態(tài)發(fā)生改變,閥芯開啟度也會隨平衡狀態(tài)的改變而發(fā)生變化,插裝閥開口高度受振動影響而隨機波動,因此通過插裝閥閥口的液壓油流量也會出現脈動現象。以某公司產LC40A40D6XB型插裝閥進行仿真試驗,振動參數條件參照鐵建重工所測數據,振動加速度處于±1m/s由圖3可知,通過插裝閥閥口的流量不平穩(wěn),出現強烈的振蕩現象。液壓元件流量波動幅值超過10%時,視為該元件性能失效2選型方法的選擇傳統(tǒng)的插裝閥選型方法是根據其工作時的壓力-流量特性來確立插裝閥的規(guī)格及性能參數,這種方法適用于絕大多數無振動影響或振動不劇烈的工作環(huán)境,而TBM在強振動環(huán)境下工作,不能忽略外部振動對插裝閥的工作性能影響,因此傳統(tǒng)的選型方法對工作在TBM上的插裝閥而言并非十分合適。為了使插裝閥能適應強振動環(huán)境,必須確立一種振動環(huán)境下的插裝閥選型方法。2.1振動環(huán)境下的插裝閥選用由于插裝閥閥芯開啟度的變化是引起閥口流量波動的最重要因素,為了使其能更好地適應強振動環(huán)境,控制插裝閥閥芯開啟度是一個可行的策略。因此振動環(huán)境下的選型原理為:利用仿真軟件對插裝閥進行性能分析,記錄閥芯開啟度的仿真結果并分析,若閥芯開啟度的波動幅值均位于某一特定窄區(qū)間內,判定該插裝閥能適應特定的振動環(huán)境。振動環(huán)境下的插裝閥選型流程如圖4所示。為使插裝閥滿足在不同振動環(huán)境下工作的穩(wěn)定性,用戶可根據實際情況確定閥芯位移波動幅值的范圍,如插裝閥所受振動條件為高頻率、低幅值時,定義波動幅值超過5%為性能失真,評判準則為閥芯開啟度波動幅值不超過5%。判斷插裝閥是否符合選型評判準則的具體計算方法分2步進行。第1步為計算閥芯開啟度在平衡狀態(tài)時的平均值X式中,X.value(i)為記錄第i個閥芯開啟度仿真結果,當先導閥油路存在或不存在液阻時,閥芯到達穩(wěn)定狀態(tài)的時間會從0.08s至0.017s不等用戶選擇的插裝閥閥芯偏移量均值不大于5%倍閥芯開啟度均值X2.2e6xb型產品的仿真現有TBM工作時受迫振動條件為高頻率、低幅值,根據傳統(tǒng)壓力-流量特性計算分析,某公司40通徑LC40B40E6XB型產品可滿足要求,其結構參數如表1所示。根據表1修改對應的仿真模型參數,設定仿真時間為0.2s,仿真步長為0.001s,泵源流量為1000L/min,系統(tǒng)壓力為20MPa,記錄閥芯開啟0.1s后的仿真結果,如表2所示。根據表2計算可知,Ⅱ型插裝閥在穩(wěn)定狀態(tài)下的開啟度均值X對于該型插裝閥,有3a腔成分配比a正交試驗法當插裝閥不能適應振動環(huán)境時,可對插裝閥結構參數進行優(yōu)化設計,影響插裝閥工作性能的主要結構參數有閥芯質量m,A腔受壓面積A正交試驗法是根據一套規(guī)格化的數據表來進行試驗,利用數理統(tǒng)計的科學方法分析實驗結果,是處理多因素實驗時常采用的一種科學方法。該方法可以確定多因素之間的主次順序,較快地進行多因素最優(yōu)化設計3.1結構尺寸對工作性能影響的正交試驗將彈簧剛度A,閥芯質量B和插裝閥A腔受壓面積C確立為試驗因素,為充分考慮結構尺寸對其工作性能的影響,特設立4個水平尺寸,進行三因素四水平的正交試驗。試驗因素與水平如表3所示。3.2振動對插裝閥仿真的影響根據三因素四水平方案,以保證各因素的正交性和全面性,選用正交表L由表4所示實驗結果可知,流量波動程度最小的是第10組實驗A利用圖1所示模型對插裝閥在不同振動條件下的流量特性進行仿真分析,插裝閥所受振動幅值為1~10mm,所受振動頻率為100~600Hz,流量波動比值不大于5%是該閥可正常工作的區(qū)域。優(yōu)化前的插裝閥工作情況如圖5所示,優(yōu)化后的插裝閥工作情況如圖6所示。由圖5和圖6的仿真結果可知,經優(yōu)化后,插裝閥的流量波動比值在同等振動條件下較優(yōu)化前明顯減小,其最大值由8%下降為7%,可正常工作區(qū)域增加約12%,能適應更復雜的振動環(huán)境。4插裝閥彈簧剛度的優(yōu)化由于TBM工作環(huán)境惡劣,在復雜工況條件下,現有插裝閥類型可能不能滿足TBM工作穩(wěn)定性要求,為此,采用一種簡易優(yōu)化法來解決該問題。由正交實驗法可知,插裝閥彈簧是適應外部振動的主要因素,且彈簧是插裝閥結構參數中最容易修改的參數,可以較便捷地獲取,因此采用改變彈簧剛度的辦法可以改變其對受迫振動的適應性。若LC40B40E6XB型插裝閥所受外界振動為簡諧振動,分別取彈簧剛度為1.2×10由圖7可知,當插裝閥的彈簧剛度從1.2×105正交試驗優(yōu)化插裝閥結構參數(1)TBM在強振動環(huán)境下工作,由傳統(tǒng)選型方法選擇的插裝閥未考慮振動影響,通過插裝閥的流量波動幅值較大,可能會出現性能失真。(2)一種振動環(huán)境下的插裝閥選型方法其原理是:利用仿真工具模擬外部振動條件進行仿真實驗,控制插裝閥閥芯偏移量均值不大于5%倍閥芯開啟度均值X(3)