波涌閥的優(yōu)化設(shè)計(jì)

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1波涌閥密封性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)

1．1優(yōu)化設(shè)計(jì)及其數(shù)學(xué)模型

優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型包括優(yōu)化設(shè)計(jì)三要素，即設(shè)計(jì)變量、約束條件和目標(biāo)函數(shù)［6－7］。(1)設(shè)計(jì)變量設(shè)計(jì)變量是指在機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中可進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)選的獨(dú)立參數(shù)，如構(gòu)件尺寸、運(yùn)動(dòng)參數(shù)、節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)等。參照波涌閥主要技術(shù)指標(biāo)和重要技術(shù)參數(shù)如表1所列，根據(jù)波涌閥密封面泄漏量計(jì)算公式，選取波涌閥密封面流量的工作流量q、水通過(guò)縫隙后的密封面間隙兩端壓力差Δp、密封面間摩擦力F、O型圈膠料的硬度Fn、波涌閥水運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)γ為設(shè)計(jì)變量。用矩陣形式表示為(2)目標(biāo)函數(shù)任何一項(xiàng)機(jī)械設(shè)計(jì)方案的好壞總可用一些設(shè)計(jì)指標(biāo)來(lái)衡量，這些設(shè)計(jì)指標(biāo)可表示為設(shè)計(jì)變量的函數(shù)，稱為優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)，也稱評(píng)價(jià)函數(shù)，是用來(lái)評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)方案優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)，是優(yōu)化設(shè)計(jì)追求的目標(biāo)。目標(biāo)函數(shù)作為評(píng)價(jià)方案中的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，有時(shí)不一定有明顯的物理意義和量綱，它只是設(shè)計(jì)指標(biāo)的一個(gè)代表值，因此正確地建立目標(biāo)函數(shù)是優(yōu)化設(shè)計(jì)中很重要的工作［6－7］。波涌閥的密封性能是檢驗(yàn)波涌灌溉設(shè)備整體性能的重要指標(biāo)，其防泄漏性能常根據(jù)泄漏量的多少來(lái)衡量。參考常用優(yōu)化設(shè)計(jì)的可選優(yōu)化目標(biāo)，以泄漏量最小(Function［f，g］=fun(x)=MinQ)作為設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)。(3)約束條件在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)變量的取值通常不是任意的，總要受到某些實(shí)際條件的限制，這些限制條件稱為約束條件或約束函數(shù)。如對(duì)某些尺寸、位置、強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等的限制［8－10］。受波涌閥密封面泄漏量設(shè)計(jì)變量的取值的不確定性的影響，波涌閥密封面泄漏量的邊界約束如下:波涌閥密封面流量的工作流量q約束x(1):0．0042m3/s＜x(1)＜0．011m3/s水通過(guò)縫隙后的密封面間隙兩端壓力差Δp約束x(2):4．9MPa＜x(2)＜6．86MPa密封面間摩擦力F約束x(3):x(3)＜16．35NO型圈膠料的硬度Fn約束x(4):45＜x(4)＜100(4)數(shù)學(xué)模型由設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件三要素所組成的機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型可表達(dá)為:在滿足約束條件下，尋求一組設(shè)計(jì)變量值，使得目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最優(yōu)值。

1．2優(yōu)化設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)求解

目標(biāo)函數(shù):minQ，即Q＜［Q］，式中Q為允許最大泄漏量。約束條件:0．0042＜Δp＜0．011，4．9＜q＜6．86，F(xiàn)＜16．35，45＜Fn＜100。取設(shè)計(jì)變量為四個(gè)，即:x(1)=Δp，x(2)=q，x(3)=F，x(4)=Fn約束只有上下界約束，但可將上下界約束轉(zhuǎn)化為約束方程g(x)≤0的形式。對(duì)扭矩和功率影響不大，故不需調(diào)整，維持原機(jī)的進(jìn)氣歧管管徑30mm不變。

2臺(tái)架試驗(yàn)

本次臺(tái)架試驗(yàn)的目的是進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算后的樣機(jī)試驗(yàn)。試驗(yàn)使用的汽油機(jī)是上述優(yōu)化各參數(shù)后的機(jī)型。試驗(yàn)時(shí)采用93#燃油，大氣溫度17．1oC，大氣壓力100．8kPa，相對(duì)濕度53．6%等。如圖12～14所示。通過(guò)試驗(yàn)與計(jì)算對(duì)比，結(jié)果表明，功率、扭矩、油耗率對(duì)比結(jié)果一致，偏差較少，對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)有很大的指導(dǎo)意義。

3結(jié)論

(1)利用GT－POWER軟件建立基礎(chǔ)樣機(jī)數(shù)值計(jì)算模型，計(jì)算值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，誤差在工程允許范圍內(nèi)，可用來(lái)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行變參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。(2)分析了進(jìn)氣諧振系統(tǒng)參數(shù)(進(jìn)氣總管長(zhǎng)度、進(jìn)氣總管管徑、進(jìn)氣歧管管徑等)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響規(guī)律，綜合考慮改造成本及性能提升，選定進(jìn)氣總管長(zhǎng)度為180mm，進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度和進(jìn)氣總管管徑維持原機(jī)參數(shù)不變。(3)制作的樣機(jī)與原機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)比，改造設(shè)計(jì)后的電噴發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩最大提高9．2%，功率最大提高9．2%，燃油消耗率最大降低15．4%。

作者：張忠杰 高昌珍 單位：太原理工大學(xué)陽(yáng)泉學(xué)院 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院