Strukturverbesserung und Parameteroptimierung eines Mikro-Durchflussregelventils

Dec 30, 2023

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 6850 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Mit dem Ziel, das Klebephänomen zwischen dem Ventilkern und der Ventilhülse zu untersuchen, wenn sich der Ventilkern bewegt, und um das Problem zu lösen, dass das Drehmoment, das zum Drehen des Ventilkerns erforderlich ist, groß ist, wird eine Flüssigkeits-Feststoff-Kopplungssimulationsanalyse des Ventilkerns durchgeführt In dieser Studie durchgeführt, wird dann die Ventilkernstruktur des Ventilkerns verbessert und seine Parameter basierend auf dem Vogelkolonie-Algorithmus optimiert. Die Kombinationsstruktur der Ventilhülse und des Ventilkerns wird untersucht, das Fluid-Feststoff-Kopplungsmodell wird von Ansys WorkBench erstellt und die statische Struktursimulationsanalyse der Ventilhülse und des Ventilkerns vor und nach der Strukturverbesserung und Parameteroptimierung wird durchgeführt. Die mathematischen Modelle des dreieckigen Puffertanks, des U-förmigen Puffertanks und des kombinierten Puffertanks werden erstellt und die Strukturparameter des kombinierten Puffertanks werden durch Vogelschwarmoptimierung optimiert. Die Ergebnisse zeigen, dass der dreieckige Puffertank eine gute Druckentlastungswirkung, aber eine große Wirkung hat. Der Druck des U-förmigen Puffertanks ist stabil und sanft, aber die Druckentlastungswirkung ist nicht ideal, während der kombinierte Puffertank eine offensichtliche Druckentlastungswirkung und eine gute Stabilität aufweist. Gleichzeitig sind die optimalen Konstruktionsparameter des kombinierten Pufferspeichers ein Einschnittwinkel von 72, ein Ebenenwinkel von 60 und eine Tiefe von 1,65 mm. Die hervorragende Struktur und Parameter der kombinierten Puffernut werden erreicht, so dass der Druckpuffer des Regelventils an der Schlüsselposition des Ventilanschlusses die beste Wirkung erzielt und eine wirksame Lösung zur Lösung des Klebeproblems des Ventilkerns bereitgestellt wird des Regelventils während des Betriebs.

Gegenwärtig wird das mikrokleine hydraulische Steuerventil in Chin immer häufiger eingesetzt. Forscher und Hersteller im In- und Ausland haben zahlreiche Untersuchungen zu Theorie, Struktur und Parametern durchgeführt1,2. Der Regler steuert die Flüssigkeit und treibt die Last an, indem er die Öffnung des Ventilanschlusses ändert. Seine Regelfähigkeit ist für den sicheren und effizienten Betrieb des Hydrauliksystems von großer Bedeutung3. Dies ist äußerst wichtig für die Struktur des Arbeitspaares und die Parameter der Arbeitsfähigkeit des Steuerventils. Luo Yuxuan et al.4 analysierten und fassten die Ursachen der Lagerspule in Ventiltechnikanwendungen zusammen. Die Gründe für das Festsitzen der Spule sind unterteilt in: mechanische Gründe, die durch Bearbeitungsgenauigkeit oder Montagefehler verursacht werden; Hydraulische Gründe, die durch das unausgeglichene Moment der Flüssigkeitswirkung auf die Spule verursacht werden; Thermische Ursachen, die durch die viskose Erwärmung der Flüssigkeit unter Hochdruckbedingungen verursacht werden, und Verschmutzungsursachen, die durch die Partikelrückhaltung im Ventilsitzspiel verursacht werden. Liu Guowen et al.5 untersuchten das Phänomen des Festsitzens von zweidimensionalen elektrohydraulischen Proportional-Wegeventilspulen und analysierten systematisch die radiale Klemmkraft von zweidimensionalen Spulen mit oder ohne Exzentrizität. Mithilfe der MATLAB-Software wird die Beziehung zwischen der radialen Klemmkraft der 2D-Spule, der Exzentrizität und dem Winkel zwischen Hoch- und Niederdrucklöchern berechnet. Abhängig von den Eigenschaften des 2D-Ventils werden Verbesserungsmaßnahmen für den elektrohydraulischen 2D-Proportional-Wegeventilschieber vorgeschlagen. Das Strömungsfeld auf der Ventilkernoberfläche wird durch CFD mit der Fluent-Software simuliert. Der Geschwindigkeitsvektor und die Druckverteilung vor und nach der Verbesserung werden verglichen und die Richtigkeit der verbesserten Maßnahmen überprüft. Pei Xiang et al.6 verglichen verschiedene Klemmphänomene von Drehventil- und Schiebeventilspulen. Die radiale Unwuchtkraft des Drehschiebers wird theoretisch analysiert und es werden konkrete Maßnahmen zur Reduzierung des Klemmphänomens des Drehschiebers vorgeschlagen. Um in der Zukunft Hilfe bei der Konstruktion und Anwendung eines Zellenradschleusens zu bieten. Sun Zegang et al.7,8. Untersuchte den Einfluss U-förmiger und V-förmiger Drosselrillenstrukturen auf die Kavitationsleistung des Ventils. Durch die Verbesserung der durch einen genetischen Algorithmus optimierten Drosselrillenstruktur kann die Antikavitationsleistung des Ventils deutlich verbessert werden. Li Weijia et al.9 untersuchten die Ventilöffnungs-Strömungseigenschaften des Schieberventils mit einer einzelnen U-förmigen, schrägen U-förmigen und V-förmigen Basis-Drosselnut unter der Bedingung einer konstanten Druckdifferenz unter Verwendung eines Partikelschwarm-Optimierungsalgorithmus Es wird eine optimale Größe des Drosselschlitzes erreicht, die den Anforderungen an die Öffnungs-Durchfluss-Charakteristik des Ventils unter der Bedingung einer konstanten Druckdifferenz entspricht. Cao Jia Hao et al.10 entwarfen eine neue Art von Begrenzungsstruktur mit Pufferrille, die die strukturelle Steifigkeit schwächte und die dämpfende Ableitung der Aufprallenergie verbesserte. Mithilfe der ANSYS-Software wird eine Parameter-iterative Optimierungsanalyse der ursprünglichen Grenzpufferstruktur durchgeführt, um eine sinnvolle Strukturparameterkombination zu finden. Anschließend wird die transiente dynamische Leistung der auf der Zeitbereichsmethode basierenden Struktur von der LS-DYNA-Software berücksichtigt und der Puffereffekt der herkömmlichen und neuen Typbegrenzungsstrukturen verglichen. Wu Weidong et al.11 zielten auf die Probleme des kleinen Durchfluss-Einstellbereichs und der langsamen Reaktion der U-förmigen Drosselnut eines bestimmten Typs von lastempfindlichen Ventilen ab. Eine Ω-förmige Drosselnut wurde durch Analyse der funktionalen Beziehung zwischen Ventilöffnung entworfen und Strömungsbereich. Der Algorithmus zur Partikelschwarmoptimierung (PSO) wird verwendet, um seine Organisationsparameter mit dem Ziel der Flussverstärkung zu optimieren. Zhang Zhandong et al.12 schlugen eine Berechnungsmethode vor, bei der ein K-förmiger Drosselschlitz an der Schulter des radialen Strömungslochs des Hauptschiebers des Umkehrventils hinzugefügt wird und mit dem Ziel die äquivalente Strömungsfläche des K-förmigen Drosselschlitzes ermittelt wird In der Situation, dass der Ventilanschluss des Umschaltventils der hydraulischen Unterstützung des Kohlebergwerks einen großen Strömungsflächengradienten aufweist, der nur die Ein-Aus-Steuerfunktion realisieren kann, und der Druckaufbau plötzlich erfolgt, wodurch der Druck leicht induziert werden kann Auswirkungen des unterstützenden Ölversorgungssystems. Der Zweck der aktiven Regulierung und Steuerung des Strömungsquerschnittsgradienten des Ventilanschlusses kann verwirklicht werden. Zhang Liqiang et al.13 befassten sich mit dem Problem des Einflusses des Ventilanschlussdrucks, der durch übermäßige interne Strömung eines Schieberventils verursacht wird. Nach der Analyse des Einflusses der Drosselrillenstrukturparameter auf die Strömungseigenschaften. Der genetische Optimierungsalgorithmus wird verwendet, um den Parato-Lösungssatz der U-förmigen Drosselnut zu erhalten, der die schnellen Reaktionseigenschaften der Strömung und die Druckstoßleistung erfüllt. Die Optimierungsergebnisse werden durch Auswahl spezifischer Parameter der Drosselrillenstruktur verifiziert. Li Ping14 stellte ein verbessertes Schema eines neuen Typs eines Drosseltanks (U-V-Kombinationstank) vor. Der Partikelschwarm-Optimierungsalgorithmus wird verwendet, um die Struktur der Drosselnut zu optimieren und die optimalen Strukturparameter zu erhalten. Bei gleicher Ventilöffnung ist die Durchflussfläche der neuen Drosselnut größer als die des ursprünglichen Wertes (U-förmige Nut). Wenn das Mehrkanalventil den Nenndurchfluss erreicht, verringert sich die Öffnung des neuen Ventils und der Durchflusseinstellbereich vergrößert sich. Yi Sheng et al.15 führten Simulationsuntersuchungen zu den Öffnungsströmungseigenschaften von sechs Arten von Drosselschlitzen durch: einzelne U-förmige, schräge U-förmige, V-förmige, 2U-förmige, 3U-förmige und U + V-förmige ; Unter Verwendung des GUI-Moduls in MABLAT wird die Optimierungsdesignsoftware für den Drosselschlitz basierend auf der Partikelschwarmoptimierung entwickelt. Fang Guihua et al.16 untersuchten den Einfluss verschiedener Parameter auf die stationäre hydrodynamische Kraft der U-förmigen Drosselnut und gingen davon aus, dass die Höhe der U-förmigen Drosselnut einen größeren Einfluss hatte als die Breite.

Durch Analyse kann festgestellt werden, dass es unter normalen Arbeitsbedingungen leicht zu Druckauswirkungen im Regelventil, insbesondere an der Schlüsselposition des Ventilanschlusses, kommt, die zu einer Verformung des Ventilkerns und dann zu einer Verformung des Ventilkerns führen das Klemmphänomen zwischen dem Ventilkern und der Ventilhülse bei Bewegung. Um dieses Problem zu lösen, wird in der konkreten Analyse zunächst das Strukturmodell des Regelventils vereinfacht. Anschließend wird ein mathematisches Modell erstellt, um es zu berechnen und zu untersuchen. Die Berechnungs- und Analyseergebnisse des dreieckigen Puffertanks und des U-förmigen Puffertanks werden erhalten Anschließend wird der kombinierte Puffertank vorgeschlagen und die Parameter des kombinierten Puffertanks werden durch den Vogelkolonie-Algorithmus optimiert. Dadurch wird die ursprüngliche Ventilkernstruktur verbessert. Abschließend erfolgt die vergleichende Analyse der Fluid-Feststoff-Kopplungssimulation vor und nach der Optimierung der Ventilanschlussstruktur des Regelventils. Daraus wird geschlossen, dass die kombinierte Puffernut die Kompressionsverformung des Ventilkerns reduzieren kann.

In diesem Artikel wird ein Mikrosteuerventil mit einstellbarer Durchflussrate beschrieben. Sein Arbeitsmechanismus gehört zur Kategorie der hydraulischen Drehventile und sein Aufbau ist in Abb. 1 dargestellt. Er besteht hauptsächlich aus Schalthebel, Schaltblock, Drucklager, Ventilhülse und Ventilkern. Das Mikrodurchflussregelventil regelt die Durchflussmenge, indem es den Schalthebel durch den Motor in Drehung versetzt und dann die Öffnungsgröße durch Drehen des Ventilkerns durch den Schaltblock anpasst.

Zweidimensionale Montagezeichnung eines Mikro-Durchflussregelventils.

Das Mikrodurchflussregelventil steuert den Auslassdurchfluss, indem es die Öffnungsgröße durch die Drehung des Motorventilkerns anpasst. Wie in Abb. 2 dargestellt, ist anhand der Pfeile im dreidimensionalen Diagramm zu erkennen, dass das Öl vom Einlass in das Ventil eintritt, durch den Strömungskanal im Ventilgehäuse fließt und dann in den Ventilkern fließt. Wenn sich der Ventilkern dreht, fällt die Ventilöffnung des Ventilkerns mit der Ventilöffnung der Ventilhülse zusammen, so dass das Öl im Ventilkern aus der Koinzidenzposition aus der Ventilhülse fließt und dann durch den Ventilgehäusestrom fließt Durchgang und aus dem Ölauslass heraus. Die Gesamtströmungsrichtung der Flüssigkeit stimmt mit dem Pfeil in der Abbildung überein.

Ölflussdiagramm des Mikroflussregelventils.

Wie in Abb. 3 dargestellt, wird das dreidimensionale Modell der Kombination aus Ventilhülse und Ventilkern anhand der obigen Teilezeichnungen erstellt. Das Funktionsprinzip der Ventilhülse ist wie folgt: Auf derselben Ringfläche der Ventilhülse ist in Abständen von 120 Grad ein gespreizter, hüftförmiger Ventilanschluss angeordnet, und auf der Ringfläche des Ventils ist ein Ringnut-Ventilanschluss angeordnet Ventilkern in Abständen von 120° versetzt, und alle zwei benachbarten Ventilöffnungen an der Ventilhülse entsprechen einer ringförmigen Ventilöffnung am Ventilkern. Wenn sich die Spule dreht, ändert sich der Grad der Übereinstimmung zwischen ihnen.

Kombinationsstruktur aus Ventilhülse und Ventilkern.

Der Servomotor treibt den Schalthebel zum Drehen an, sodass sich der Schaltgabelblock in der Bogennut am Boden der Ventilhülse hin- und herbewegt. Der Winkel der Bogennut am Boden der Ventilhülse beträgt 90°, sodass der maximale Drehwinkel des Ventilkerns 90° beträgt, wie in Abb. 4 dargestellt. Wenn sich der Arbeitsventilkern in der Bogennut umfänglich hin- und herbewegt, fällt die Öffnung zusammen Der Grad der Ventilhülse und des Ventilkerns ändert sich und die Ölmenge kann angepasst werden.

Arbeitsteil der Zellradschleuse.

Nimmt man den durch den Ventilkern und die Ventilhülse gebildeten abgedichteten Hohlraum als Forschungsobjekt, kann die Druckänderung im Ventilanschlusshohlraum mit der folgenden Formel berechnet werden:

wobei dp die Öldruckdifferenz im Ventilanschlusshohlraum des Regelventils ist; dV ist die Ölvolumendifferenz des Ventilanschlusshohlraums des Regelventils; βe ist der Elastizitätsmodul von Öl (MPa); V ist das anfängliche Ölvolumen (m3) im Öffnungshohlraum des Regelventils.

Unter der Annahme, dass das Anfangsvolumen des Ventilanschlussvolumens des Regelventils V beträgt, wird die Druckformel gemäß Gl. abgeleitet. (1) und der Ausdruck lautet:

wobei: ω die Geschwindigkeit des Regelventils (°/s) ist; θ ist der Rotorwinkel (°) des Regelventils.

Das Ölvolumen im Ventilanschlussvolumen kann durch \(dV/dt\) dargestellt werden, die Druckgradientenformel des Öls im Ventilanschlusshohlraum des Regelventils lautet wie folgt.

Die dreidimensionale Struktur der dreieckigen Pufferrille kann als dreieckiger Wirbelkörper betrachtet werden, und ihr Ebenenprinzip ist die relative Bewegung von Dreieck und Kreis. Seine Größe wird durch zwei Parameter gesteuert: Schnittwinkel Ф und Ebenenwinkel α, wie in Abb. 5 dargestellt.

Schematische Darstellung der dreieckigen Pufferrille tangential zur Ventilhülsen-Taillenrille.

Die dreieckige Puffernut befindet sich am Ende des Ventilanschlusses der U-förmigen Nut des Ventilkerns. Zunächst wird die Drehbewegung des Ventilkerns in eine ebene Bewegung erweitert, die dem Drehwinkel des Ventilkerns entspricht. Nach der Expansion kann dies als Verschiebung L der U-förmigen Nut des Ventilkerns nach unten gesehen werden. Anschließend wird die relative Bewegung der U-förmigen Nut des Ventilkerns und der taillenförmigen Nut der Ventilhülse in eine ebene Bewegung erweitert, die in ein mathematisches Modell vereinfacht wird. Anschließend wird das geometrische Modell zur Analyse und Lösung erstellt, wie in Abb. 6 dargestellt.

Koordinatendiagramm der Modellerstellung eines dreieckigen Puffertanks.

Wenn der Querschnitt einer dreieckigen Pyramide immer ein stumpfes Dreieck ist, ist die Beziehung zwischen dem Tiefenwinkel und dem Ebenenwinkel wie folgt und die Beziehung kann ausgedrückt werden als:

Simultane Lösung Gl. (5)–(7), können separat gelöst werden P(xP, yP), Q(xQ, yQ). Ersetzen Sie zwei Punkte P und Q. Die PQ-Lineargleichung kann wie folgt erhalten werden:

Wie in Abb. 7 dargestellt, vereinfacht die dreieckige Puffernut am Ventilkern das mathematische Modell der dreieckigen Puffernut. In diesem Zustand wird das räumlich rechtwinklige Koordinatensystem eingerichtet, in dem die Ebene ∆ADC mit der Arbeitsebene der U-förmigen Ventilöffnung des Ventilkerns zusammenfällt und dabei die Taillennut der Ventilhülse in eine dreieckige Form umgewandelt wird Puffernut. Wenn jeder Querschnitt ∆PQM ein stumpfes Dreieck ist, ist die Fläche von ∆PQM als Strömungsfläche der dreieckigen Nut definiert.

Räumliches Koordinatensystem des mathematischen Modells eines dreieckigen Puffertanks.

Für Dreiecke, deren Querschnitt stumpf gehalten wird, ist die Beziehung zwischen Tiefenwinkel und Ebenenwinkel wie folgt:

Anschließend wird ein räumliches rechtwinkliges Koordinatensystem mit dem Punkt A (a cos φ, a sin φ − rθ) als Koordinatenursprung erstellt und der Überstrombereich ∆PQM gelöst.

Die Gleichung kann durch Einsetzen des Punktes N(xN, a sin φ − rθ) in die lineare Gleichung PQ erhalten werden. Angenommen, der Punkt M(xN, yN, z) ist aus Abb. 7 ersichtlich. Schließlich kann durch Kombinieren der obigen Gleichung der Ausdruck des dreieckigen Pufferschlitzes wie folgt erhalten werden: (15).

Da es sich bei dem Regelventil um eine mikrohydraulische Komponente handelt, kann die Volumenänderung der dreieckigen Puffernut, die in den Ventilöffnungshohlraum des Regelventils hinein- oder aus ihm herausströmt, gemäß der Durchflussformel der Drosselblende ermittelt werden:

wobei: Cq der Durchflusskoeffizient ist; Ist die Eingangs- und Ausgangsdruckdifferenz des Regelventils (MPa); A ist der Drosselbereich des Ventilanschlusshohlraums; ρ ist die Dichte des Hydrauliköls (kg/m3).

Gemäß der obigen Formel gilt: Wenn sich das Volumen der dreieckigen Puffernut, das in den Ventilanschlusshohlraum hinein- oder aus ihm herausfließt, beim Betrieb des Regelventils ändert, ist der Hohlraum des Ventilanschlusses von einer Ventilhülse und einem Ventilkern umgeben Das Ölvolumen im Hohlraum basiert auf Gl. (15) und (16). Die Druckgradientengleichung der Dichtungskammer des Ventilanschlusses des Regelventils unter der dreieckigen Pufferrillenstruktur kann erhalten werden:

In der Formel ist nur der Überstrombereich ein variabler Wert, der Rest sind feste Werte, die eingestellt werden können:

Gemäß der obigen theoretischen Analyse wird eine numerische Simulation mit MATLAB durchgeführt, und die Kurven des Druckgradienten im Zeitverlauf unter verschiedenen Schnittwinkeln und verschiedenen Ebenenwinkeln unter einer dreieckigen Pufferrillenstruktur können durch Berechnung erhalten werden, wie in Abb. 8 dargestellt In der Abbildung nimmt der Druckgradient im Ventilöffnungshohlraum der Kombinationsstruktur aus Ventilhülse und Ventilkern mit der Drehung des Ventilkerns allmählich zu. Abbildung 8a zeigt die Kurve des Druckgradienten, die durch Ändern verschiedener Schnittwinkel erhalten wird, wenn der Ebenenwinkel auf einen festen Wert eingestellt ist. Beim Schnittwinkel Ф = 63° ist zwar der Druckgradient groß, die Druckwirkung jedoch relativ groß. Wenn sich der Druckgradient stark ändert und die Druckwirkung gering ist, sollte der optimale Schnittwinkel Ф = 72° gewählt werden. Abbildung 8b zeigt die Druckgradientenkurve, die durch Ändern verschiedener Ebenenwinkel erhalten wird, wenn der Schnittwinkel auf einen festen Wert eingestellt ist. Unter Berücksichtigung der Notwendigkeit eines bestimmten Druckgradienten und der Minimierung der Druckwirkung sollte der Ebenenwinkel β ϵ (45°, 81°) gewählt werden. Unter umfassender Berücksichtigung der Ergebnisse der Druckgradientenkurve kann daher festgestellt werden, dass die dreieckige Puffernut den besten Druckentlastungseffekt am Ventilanschlusshohlraum des Regelventils bei dem Schnittwinkel Ф = 72° und dem Ebenenwinkel β ϵ (45°, 81°).

Verlauf des Druckgradienten eines dreieckigen Puffertanks über die Zeit.

Der U-förmige Puffertank besteht aus einem halbzylindrischen Abschnitt und einem Abschnitt mit gleicher Querschnittsfläche. Die Größe seiner Struktur kann durch die Breite b und die Tiefe h des U-förmigen Puffers bestimmt werden Die Nut ist an der U-förmigen Ventilöffnung des Ventilkerns angeordnet. Wenn die U-förmige Nut im halbzylindrischen Abschnitt geöffnet wird, vergrößert sich die Strömungsfläche schnell, und wenn sie in den Abschnitt mit gleicher Querschnittsfläche übergeht, bleibt die Strömungsfläche unverändert.

Wie in Abb. 9 gezeigt, definieren wir zu diesem Zeitpunkt, dass der Winkel zwischen dem Tangentenpunkt und dem Mittelpunkt des Kreises und der horizontalen Richtung beträgt, wenn die U-förmige Puffernut gerade mit der taillenförmigen Nut in Kontakt kommt Der Tangentenwinkel des gedrehten halbzylindrischen Segments beträgt φ, die Tiefe und Breite der U-förmigen Pufferrille betragen b und es wird ein rechtwinkliges Koordinatensystem erstellt.

Koordinatendiagramm für die Einrichtung eines U-förmigen Puffertankmodells.

Wie in Abb. 9 gezeigt, kann das etablierte Koordinatensystem erhalten werden:

Diese Variablenachse φ ∈ (0, π/2). Es kann durch die Berechnung der obigen Formel erhalten werden:

Legen Sie das rechtwinklige Koordinatensystem des vereinfachten Modells fest. Die Gleichung des Halbkreises O und die Gleichung des Halbkreises OB seien:

Darunter ist h die Rillentiefe der U-förmigen Pufferrille. Gemäß der geometrischen Analyse hängt die Fläche S hauptsächlich mit der Länge von KT zusammen, kann jedoch für die gerade Linie KT in drei Fälle unterteilt werden, wie in Abb. 10 dargestellt.

Theoretisches Analysediagramm der Tangente zwischen der U-förmigen Puffernut und der Taillennut der Ventilhülse.

Wenn L ∈ [0, CE], wie in Abb. 10a gezeigt, ist ersichtlich, dass sich zwei Halbkreise an zwei Punkten K und T schneiden.

Wenn L ∈ [CE, DE], wie in Abb. 10b gezeigt, ist zu erkennen, dass der Punkt K den Kreis schneidet, während der Punkt T die gerade Linie schneidet.

Wenn L ∈ [DE, (a + b) sin φ] ist, wie in Abb. 10c gezeigt, ist ersichtlich, dass sich zwei Punkte K und T mit einer geraden Linie schneiden.

Die gleichzeitige Lösung der obigen Gleichung kann zu den Punkten K(xK, yK) und T(xT, yT) führen; Durch die Vereinfachung der Modellanalyse kann geschlossen werden, dass der Überlaufbereich des U-förmigen Puffertanks ist. Man erhält folgende Formel:

Nach dem gleichen Prinzip ist für den Druckgradienten des Ventilanschlusshohlraums nur die Durchflussfläche ein variabler Wert und der Rest ein fester Wert. Wenn sich das Volumen des abgedichteten Hohlraums des Ventilanschlusses, der in die U-förmige Puffernut hinein- oder aus ihr herausfließt, ändert, besteht der Hohlraum des Ventilanschlusses aus einer Ventilhülse und einer Ventilkernstruktur, und das Ölvolumen im Hohlraum kann daraus abgeleitet werden Formeln (17), (18) und (39) sowie die Druckgradientengleichung im Ventilanschlusshohlraum des Regelventils mit der U-förmigen Pufferrillenstruktur können erhalten werden:

Gemäß der obigen Analyse wurde das mathematische Modell von MATLAB geschrieben und die Druckgradientenkurve der U-förmigen Puffernut mit der gleichen Tiefe und unterschiedlichen Schnittwinkeln sowie die Druckgradientenkurve der U-förmigen Puffernut mit dem gleichen Schnittwinkel und Nach der Berechnung können unterschiedliche Tiefen ermittelt werden.

Wie in Abb. 11a dargestellt, ist zu erkennen, dass der Druckgradient im Hohlraum des Ventilanschlusses mit der Drehung des Ventilkerns allmählich zunimmt. Wenn der Schnittwinkel \({\varphi }=72^\circ\) ist, ist dies der beste Schnittwinkel, wenn sich der Druckgradient stark ändert und die Druckwirkung gering ist. In Abb. 11b nimmt mit zunehmender Tiefe h auch der Druckgradient allmählich zu. Wenn man die Notwendigkeit eines bestimmten Druckgradienten berücksichtigt. Reduzieren Sie die Druckeinwirkung so weit wie möglich, die Tiefe h ∈ (1,5–1,7) sollte gewählt werden. Daher zeigt eine umfassende Betrachtung der Ergebnisse der Druckgradientenkurve, dass bei einem Schnittwinkel \({\varphi }=72^\circ\) und einer Tiefe h ∈ (1,5–1,7) die U-förmige Puffernut die beste Druckentlastung aufweist Wirkung am Ventilanschluss des Regelventils.

Verlauf des Druckgradienten des U-Puffertanks mit der Zeit.

Der Vogelschwarm-Optimierungsalgorithmus ist ein neuer biologischer heuristischer Optimierungsalgorithmus, der von Xian-Bing Meng et al. vorgeschlagen wurde. 17. Der Algorithmus basiert auf Schwarmintelligenz, die aus dem sozialen Verhalten und der sozialen Interaktion von Vögeln entwickelt wurde, und Vögel tauschen Informationen zwischen Gruppen durch Futtersuchverhalten, Alarmverhalten und Flugverhalten in ihren Lebensgewohnheiten aus18,19. Die Untersuchung dieser sozialen Verhaltensweisen und Interaktionen kann das Problem effektiv optimieren und bietet den Vorteil einer schnellen Konvergenz und der Vermeidung eines Absturzes in das lokale Optimum20,21. Vereinfachen Sie das Sozialverhalten von Vögeln in den folgenden Regeln.

Im Prozess der Alarmierung und des Futtersuchverhaltens von Vögeln kann jeder Vogel sein Alarmverhalten und sein Futtersuchverhalten willkürlich ändern;

Bei der Nahrungssuche, um die beste Erfahrung bei der Nahrungssuche zu machen. Jeder Vogel kann Einzelpersonen und Gruppen erfassen und aktualisieren.

Vögel versuchen, sich aufmerksam in die Mitte der Gruppe zu bewegen. Aufgrund der Konkurrenz unter den Vögeln nähern sich Vögel mit hohen Reserven eher der Mitte des Schwarms als Vögel mit geringen Reserven.

Vögel wechseln zufällig zwischen Produktion und Suche und fliegen regelmäßig an einen anderen Ort. Der Produzent ist der Vogel mit den höchsten Reserven, ansonsten entwickelt er sich zum Nachfrager. Andere Vögel wählen nach dem Zufallsprinzip zwischen dem Erzeuger und dem Antragsteller.

Bei der Nahrungssuche der Vögel werden die Vögel nach dem Zufallsprinzip in Anforderer und Erzeuger eingeteilt, und die Anforderer folgen den Erzeugern, um Nahrung zu finden.

Verhaltensweisen nach jeder Regel22,23 werden wie folgt angegeben: Angenommen, es gibt n Vögel im B-dimensionalen Raum. An der Position zum Zeitpunkt T suchen Individuen in Gruppen nach Nahrung, das heißt, die Position des Vogels zum Zeitpunkt T kann ausgedrückt werden als Xi(i ∈ 1, 2, … N).

Nahrungssuchverhalten: Wenn jeder Vogel aufgrund seiner unterschiedlichen Erfahrung nach Nahrung sucht, kann er gemäß Regel 2 einen mathematischen Weg schreiben:

Die Druckänderung im Hohlraum des Ventilanschlusses während der Drehung des Steuerventils wird untersucht. Gemäß der Druckgradientengleichung des abgedichteten Hohlraums unter der kombinierten Drucknutstruktur ändert sich der Druck im Ventilanschlusshohlraum. Um daher die Parameter des kombinierten Drucktanks mit besserer Druckreduzierungswirkung im Prozess der Druckreduzierung zu erhalten, wird der Druck im Ventilanschlusshohlraum des Regelventils mithilfe des Vogelschwarm-Optimierungsalgorithmus mit unterschiedlichem Schnitt simuliert und berechnet -in Winkeln und Tiefenabmessungen.

Dieses Papier zielt auf das Druckgradientenmodell des Ventilanschlussvolumens des Regelventils unter dem kombinierten Tank ab und optimiert die Parameter des kombinierten Drucktanks gemäß dem Flussdiagramm des Algorithmus24,25 des Vogelschwarmoptimierungsalgorithmus, wie in gezeigt Abb. 12. Der spezifische Prozess ist wie folgt.

Initialisieren Sie die Grundparameter des Vogelschwarm-Optimierungsalgorithmus, wie die Gesamtzahl der Vögel, die Partikeldimension der Vögel, die maximale Anzahl von Iterationen, die Flugfrequenz der Vögel, die Futtersuchwahrscheinlichkeit und andere Parameter, und generieren Sie die Population unter verschiedenen Bedingungen Einschränkungen.

Legen Sie die Druckgradientengleichung des Regelventils im Druckentlastungsprozess als Zielfunktion fest. Markieren Sie sie entsprechend der Position \({x}_{i,j}^{t}\) der Herde als (Ci). Gemäß der Zielfunktion wird der Fitnesswert F(x) berechnet, der der Position jedes Vogels entspricht, und der anfängliche optimale Fitnesswert F(x1)min und bestlnindex werden aus den Fitnesswerten als Code ausgewählt, der seiner optimalen Fitness entspricht Wert.

Aktualisieren Sie gemäß der Aktualisierungsstrategie, die dem biologischen Verhalten der Vögel entspricht, den Rand (0,1) > pi der Vögel. wenn rand(0,1) > pi, entsprechend der Vogelart Gl. (48) zur Durchführung des Alarmverhaltens. Fahren Sie mit Schritt 4 fort, nachdem Schritt 3 abgeschlossen ist.

Aktualisieren Sie den individuellen Fitnesswert der Herde erneut und vergleichen Sie ihn mit dem im vorherigen Moment berechneten Fitnesswert, um den optimalen Fitnesswert der Herde der nächsten Generation F(xi)min zu aktualisieren. Wenn die Anzahl der Iterationen i = 1 und glbol_best = F(xi)min; Vergleichen Sie die Größen von glbol_besti−1 und F(xi)min,glbol_besti = min{glbol_besti−1,F(xi)min}.

Beurteilen Sie, ob die Iteration die Iterationsbeendigungsbedingung erfüllt. i = i + 1 wird ausgeführt und die Anzahl der Iterationen i in diesem Moment wird mit der maximalen Anzahl von Iterationen tmax verglichen. Wenn i < tmax, springe zurück zu Schritt 3; andernfalls ist die Optimierung abgeschlossen.

Flussdiagramm des Vogelschwarm-Optimierungsalgorithmus.

Im Allgemeinen besteht die Beendigungsbedingung für die Iteration darin, dass die Iteration die Iterationsgrenzzahl überschreitet und die Algorithmusoperation endet, andernfalls wird die Iteration fortgesetzt26,27. Da die dreieckige Puffernut und die U-förmige Puffernut in einem optimalen Tiefen- und Ebenenwinkelbereich liegen und jede ihre eigenen Vorteile hat, ist es bei der Kombination der beiden Nuten erforderlich, die Parameter zu optimieren. In diesem Artikel wird der Vogelschwarmalgorithmus zur Optimierung der Parameter verwendet. Das Algorithmus-Flussdiagramm des Vogelschwarm-Optimierungsalgorithmus ist in Abb. 12 dargestellt.

Da sowohl die dreieckige Pufferrille als auch die U-förmige Pufferrille im Einzelbetrieb gewisse Mängel aufweisen, schlagen wir eine kombinierte Pufferrille mit dreieckiger Pufferrille am vorderen Ende der U-förmigen Pufferrille vor. Die kombinierte Puffernut ist eine komplexe kombinierte Struktur, die in verschiedene Stufen unterteilt werden muss, um das mathematische Modell des Ventilanschlusshohlraums zu erstellen. Die Strukturen von zwei Arten von Puffernuten wurden zuvor berechnet, und auf der Grundlage des oben Gesagten wird das Ventilöffnungshohlraummodell der kombinierten Puffernut abgeleitet. Wie in Abb. 13 dargestellt, nimmt ab der dreieckigen Puffertankstufe die Überlauffläche allmählich zu und der Druckstoß ab.

Schematische Darstellung der kombinierten Tankstruktur.

Nach dem Eintritt in den U-förmigen Pufferbehälter verändert sich die Überlauffläche stetig und die Druckwirkung nimmt allmählich ab. Aus struktureller Sicht weist der kombinierte Puffertank stabilere Druckentlastungseigenschaften auf als dreieckige Puffertanks und U-förmige Puffertanks. Der Strömungsbereich unter der kombinierten Pufferrillenstruktur kann als Taillenrille der Ventilhülse betrachtet werden, die wiederum mit der dreieckigen Pufferrille und der U-Pufferrille zusammenfällt.

Da es sich bei der kombinierten Pufferrille um eine Kombination aus dreieckiger Pufferrille und U-förmiger Pufferrille handelt, sollte ihre Fläche gleich der Fläche beider Pufferrillen sein, sodass das Längenverhältnis der beiden Pufferrillen 2:3 beträgt. Die Fläche beider sollte 2/5 bzw. 3/5 der Gesamtfläche ausmachen. Durch die Berechnung des MATLAB-Algorithmus beträgt der optimale Schnittwinkel 72, indem die dreieckige Puffernut mit der U-förmigen Puffernut verglichen wird. Zu diesem Zeitpunkt liegt der optimale Ebenenwinkel zwischen 45 und 63°, während die optimale Tiefe h der U-förmigen Pufferrille zwischen 1,5 und 1,7 mm liegen sollte. Entsprechend dem Größenverhältnis des dreieckigen Puffertanks und des U-förmigen Puffertanks im kombinierten Puffertank kann die Formel für die Überlauffläche des kombinierten Puffertanks ermittelt werden.

Nach den Formeln (15) und (39)

Der Druckgradient des Ventilöffnungshohlraums unter der kombinierten Struktur aus Ventilhülse und Ventilkern wird als Zielfunktion verwendet, der Ebenenwinkel und die Tiefe h werden als Randbedingungen verwendet und der Druckgradient wird als Zielfunktion verwendet. Setzen Sie die Gesamtzahl auf 10, die räumliche Dimension auf 1, die Anzahl der Iterationen auf 100, die Flugfrequenz auf 8, den kognitiven Koeffizienten auf 1, die Parameter a1 und a2 auf 1 und den sozialen Evolutionskoeffizienten auf 1. Die Parameter des kombinierten Druckbehälters werden mithilfe des Vogelschwarm-Optimierungsalgorithmus optimiert. Die Zielfunktion wird mit der MATLAB-Software simuliert und die Ergebnisse sind in Abb. 14 dargestellt.

Optimierungskurve der Zielfunktion.

Um den optimalen Druckgradienten des Ventilanschlussvolumens unter der kombinierten Struktur aus Ventilhülse und Ventilkern zu erhalten, wird die eingeführte Fitnessfunktion iteriert und der Minimalwert der Fitnessfunktion iteriert. Wie in Abb. 14 dargestellt, beginnt die Zielfunktion im Vogelschwarmalgorithmus gegen −1,94 zu konvergieren, wenn die iterative Berechnung den 53. Schritt erreicht. Zu diesem Zeitpunkt werden auch Optimierungsergebnisse für den Ebenenwinkel im Bereich von 45–72 und die Tiefe im Bereich von 1,5–1,7 mm erhalten. Aus Abb. 15a lässt sich erkennen, dass die variable Optimierungskurve bei einem Ebenenwinkel von 60 tendenziell stabil ist und den Druckreduzierungsprozess im Ventilanschlusshohlraum unter der kombinierten Pufferrillenstruktur stabilisiert und den optimalen Druckreduzierungswert einstellt Wirkung wird erzielt; Aus Abb. 15b geht hervor, dass bei einer Tiefe von 1,65 mm die Kurve allmählich stabiler wird und der beste Wert für den Druckentlastungseffekt erzielt wird. Es ist ersichtlich, dass der Druckreduzierungseffekt am besten ist, wenn der Ebenenwinkel der kombinierten Puffernut 60 ° und die Tiefe 1,65 mm beträgt.

Iterative Kurve der Tiefenwinkel- und Tiefenoptimierung.

Der Zweck der Optimierung besteht darin, die Spannungskonzentration an der U-förmigen Kerbe der kombinierten Struktur aus Ventilhülse und Ventilkern zu reduzieren und gleichzeitig den normalen Betrieb des Regelventils sicherzustellen. Im Vergleich zur Einzelzieloptimierung des dreieckigen Pufferschlitzes und des U-förmigen Pufferschlitzes ist es wahrscheinlicher, dass die Mehrzieloptimierung des Vogelschwarmalgorithmus eine bessere Lösung erhält, und der Einfluss von Entwurfsvariablen auf die Zielfunktion ist klarer28. 29. Durch den Fluid-Feststoff-Kopplungssimulationsvergleich der Kombinationsstrukturen der Ventilhülse und des Ventilkerns aus nicht gerillter, dreieckiger Puffernut, U-förmiger Puffernut und kombinierter Puffernut werden die Vorteile der optimalen kombinierten Puffernut analysiert und analysiert verglichen.

Unter der Bedingung, dass die Genauigkeit der numerischen Berechnung unter Berücksichtigung der komplexen gekrümmten Oberflächenstruktur des Regelventils gewährleistet ist, werden für das Regelventil unstrukturierte tetraedrische Gitter verwendet. Anschließend wird gemäß dem Gitterunabhängigkeitstest die Anzahl der durch die Flüssigkeit erzeugten Gitter bestimmt in der Kombinationsstruktur aus Ventilhülse und Ventilkern beträgt 1,18 Millionen, wodurch die Genauigkeit der numerischen Berechnungsergebnisse vollständig gewährleistet und die Ausdehnungsschicht für die Flüssigkeit im Ventilkörper festgelegt werden kann, wie in Abb. 16 dargestellt.

Interne Flüssigkeitsgitter des Regelventils.

Die Eigenschaften des Fluidmaterials sind in Tabelle 1 dargestellt, und seine Grenzfläche zum Festkörper liegt nahe am tatsächlichen Modell, um die anschließende Fluidsimulation realistischer zu gestalten. Darüber hinaus tritt der Kopplungseffekt der Kombinationsstruktur aus Ventilhülse und Ventilkern nur an der Schnittstelle von Flüssigkeit und Feststoff auf. Normalerweise wird die Lagrange-Bewegungsformel verwendet, um das Verhalten eines festen Mediums (Partikelbewegung) zu simulieren, und die Euler-Formel wird verwendet, um einen Flüssigkeitsfluss (das Verhalten einer Flüssigkeit an einer bestimmten Position im Raum) zu simulieren. Bei der Simulation der Flüssigkeit-Feststoff-Kopplung eines Regelventils kann unter Berücksichtigung des Flüssigkeit-Feststoff-Kopplungseffekts jede Lagrange-Euler-Formel (ALE) verwendet werden, um die Wechselwirkung zwischen Flüssigkeit und festem Medium oder Flüssigkeit und freier Oberfläche zu beschreiben30,31. Die ALE-Methode wird verwendet, um die Flüssigkeits-Feststoff-Kopplung der Kombinationsstruktur aus Ventilhülse und Ventilkern zu behandeln. Im „Referenzrahmen“ ist der Feststoff als Lagrange-Funktion und die Flüssigkeit als Euler-Funktion festgelegt. Das geometrische Modell und das Raster des Ventilkörpers und der Flüssigkeit können sich überlappen, und die zugehörigen Parameter des Regelventils sind in Tabelle 2 aufgeführt, die auf die Flüssigkeitseinheit übertragen werden können, wodurch der Ventilkörper und die Flüssigkeit miteinander verbunden werden. Nehmen Sie Kontakteinstellungen für jeden Teil des Modells vor, wobei die Kontaktfläche zwischen der Ventilhülse und der Flüssigkeit im Ventilkern so eingestellt ist, dass sie verklebt wird. Zwischen dem Ventilkern und der Ventilhülse besteht ein Spalt und der Kontakt ist reibungsfrei.

Statische Strukturanalyse (ANSYS) wird verwendet, um die kombinierte Struktur des Ventilkerns und der Ventilhülse zu analysieren32,33. Durch die Ergebnisse der folgenden statischen Analyse wird die interne Struktur des Steuerventils weiter optimiert und verbessert.

Führen Sie eine statische Simulationsanalyse des Ventilkerns und der Ventilhülse im Inneren des Regelventils durch und erhalten Sie die entsprechende Karte der Gesamtverformungswolke, wie in den Abbildungen dargestellt. 17, 18, 19 und 20. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass die maximale Verformung in der Nähe der Ventilöffnung des Ventilkerns auftritt. Bei der Drehung des Ventilkerns kann durch Vergleich der maximalen Verformung vor und nach dem optimierten Design der Schluss gezogen werden, dass die kombinierte Puffernut einen bemerkenswerten Druckentlastungseffekt hat, gefolgt von der dreieckigen Puffernut und der U-förmigen Puffernut. Daraus lässt sich schließen, dass das Öffnen der Puffernut das Auftreten von Festsitzen, die durch die Verformung des inneren Ventilkerns und der Ventilhülse des Regelventils verursacht werden, verringern kann und dass die Wirkung der Kombination der Puffernut am besten ist.

Verformungsdiagramme von Ventilhülse und Ventilkern vor der Implementierung der Puffernut.

Verformungsdiagramm der Ventilhülse und des Ventilkerns der dreieckigen Puffernut.

Verformungsdiagramm von Ventilhülse und Ventileinsatz unter U-förmigem Pufferspeicher.

Verformungsdiagramm der Ventilhülse und des Ventilkerns unter dem kombinierten Pufferspeicher.

Anhand des Verformungsdiagramms, das durch Fluid-Feststoff-Kopplungssimulation unter der Struktur einer nicht gerillten, dreieckigen Puffernut, einer U-förmigen Puffernut und einer kombinierten Puffernut erhalten wurde, ist ersichtlich, dass sich die Puffernutstruktur am Ventilanschluss des Ventilkerns befindet kann die Spannungskonzentration durch Druckeinwirkung reduzieren. Gemäß Abb. 21 liegt die Gesamtverformung des Regelventils unter denselben Betriebsbedingungen in der Reihenfolge kombinierte Puffernut < dreieckige Puffernut < U-förmige Puffernut < ungeöffnete Puffernut, was zeigt, dass sich die Puffernut effektiv öffnen lässt Reduzieren Sie die Verformung der kombinierten Struktur aus Ventilhülse und Ventilkern des Regelventils, und die Reduzierung der kombinierten Puffernut ist am offensichtlichsten.

Verformung der Ventilhülse und der Spule in jedem Pufferschlitz.

Ziel ist es, das Phänomen zu bekämpfen, dass der Ventilkern des Mikrodurchflussregelventils aufgrund von Druckstößen verformt wird und die Ventilhülse in Bewegung bleibt, und das Problem zu lösen, dass das Drehmoment, das erforderlich ist, um den Ventilkern in Drehung zu versetzen, groß ist, Am Ventilanschluss des Ventilkerns wird eine Puffernut geöffnet. In diesem Artikel wird die Struktur des Puffertanks optimiert, seine Parameter optimiert und die verbesserte Struktur durch Fluid-Feststoff-Kopplungssimulation verglichen. Die Schlussfolgerungen lauten wie folgt.

Es werden mathematische Modelle der Ventilhülse und des Ventilkerns dreieckiger bzw. U-förmiger Puffernuten erstellt und deren Druckgradientenkurven durch MATLAB-Simulationsberechnungen ermittelt. Durch die Analyse wird der Schluss gezogen, dass, wenn die optimale dreieckige Pufferrille und die optimalen Strukturparameter der U-förmigen Pufferrille gleichzeitig ermittelt werden sollen, der Schnittwinkel 72 betragen sollte, der Ebenenwinkel im Bereich von 45–72 liegen sollte Die Tiefe sollte 1,5–1,7 mm betragen, und der Druckreduzierungseffekt kann zu diesem Zeitpunkt erzielt werden.

Durch die Untersuchung der Struktur eines dreieckigen Puffers und einer U-förmigen Pufferrille wurde eine kombinierte Pufferrillenstruktur entwickelt, die die Vorteile beider vereint. Unter Berücksichtigung des Tiefenwinkels und der Tiefe als Einschränkungen wird daher der Druckgradient des Ventilanschlusshohlraums unter der kombinierten Pufferrillenstruktur als Zielfunktion verwendet. Durch den Vogelschwarmoptimierungsalgorithmus (BSA) wurde festgestellt, dass der Druckreduzierungseffekt des kombinierten Puffertanks am besten ist, wenn der Ebenenwinkel 60 und die Tiefe 1,65 mm beträgt. Zu diesem Zeitpunkt sind die Strukturparameter die optimalen Werte für den Tiefenwinkel und die Tiefe des kombinierten Pufferspeichers.

Durch die Fluid-Feststoff-Kopplungsanalyse der kombinierten Struktur von Ventilhülse und Ventilkern vor und nach der Optimierung wird der Schluss gezogen, dass das Öffnen der Puffernut die Verformung des Ventilkerns wirksam verbessern kann und im Vergleich zu U-förmigen Puffernuten und dreieckigen Puffernuten Die kombinierte Puffernut kann die Verformung der kombinierten Struktur aus Ventilhülse und Ventilkern wirksam verbessern.

Dadurch werden die hervorragende Struktur und die hervorragenden Parameter des kombinierten Puffertanks erreicht und der Druckeinfluss des Regelventils an der Schlüsselposition des Ventilanschlusses wird optimal reduziert, was eine wirksame Lösung zur Lösung des Blockierungsproblems darstellt des Regelventils während des Betriebs.

Die in dieser Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Jianying Li

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JL und GQ verfassten den Haupttext des Manuskripts und bereiteten Abbildungen und Tabellen vor. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Jianying Li.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Qu, G., Li, J., Peng, C. et al. Strukturverbesserung und Parameteroptimierung des Mikro-Durchflussregelventils. Sci Rep 13, 6850 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-30955-8

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Eingegangen: 27. Dezember 2022

Angenommen: 03. März 2023

Veröffentlicht: 26. April 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-30955-8

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