（机械设计及理论专业论文）复合式液压集成块优化设计.pdf

大连理t 大学硕士学位论文 摘要 发展液压阀的集成配置，是典型液压系统实现集成化和标准化的普遍要求。随着液 压元件日益复杂化、多元化，复合式液压集成块，即载有板式阀、叠加阀、插装阀等阀 体和其它各类附件的液压集成块，己成为目前液压系统发展和应用的主流。由于其外部 元件的多样性和结构的特殊性及内部孔道的连通复杂性，设计起来颇费工力。目前大多 数研究集中在板式阀或插装阀集成块，而涉及板式阀、插装阀、叠加阀混用的复合式液 压集成块设计研究则较为少见。 大连理工大学液压科研组针对液压集成块c a d 中核心问题一如何自动获得最优的 布局布孔集成方案，结合现代智能优化算法在布局优化设计中的应用，采用数学手段， 分别开发出基于m d t 的板式阀和插装阀集成块优化设计系统，自动、高效地实现了液 压集成块的外部元件布局和内部孔道网络布局优化设计，从而为解决集成块的布局布孔 问题提供了一条有效途径。现有研究成果更侧重理论研究，注重最优解的挖掘。 本文从工程实际的角度出发，侧重在适当放宽解的多样性和覆盖面的基础上，探索 最大限度缩短优化时间的有效途径。为此，在现有研究成果为基础上，以实现复合式液 压集成块布局布孔方案的总体优化为目标，总结复合式集成块复杂性特点，分析复合式 集成块的设计、制造规律，给出复合式集成块的数学模型。对现有布局策略进行改进， 以人工交互的方式，将j ( 程设计经验和优化算法融入复合式集成块的布局布孔优化设计 中。通过分析复合式液压集成块内部孔道的特点及其特殊性，总结出复合式集成块孔道 校核规则和连通规则，在此基础上采用改进的线网连通算法实现布孔设计。从复合式集 成块优化设计的需求出发，建立了含有足够信息量且方便适用的开放式数据库系统。 以上述研究为基础，应用v i s u a lc + + 6 0 开发环境和c a d 二次开发工具o b j e c t a r x ， 将集成块设计中存在的典型环节集总为一体，并将其嵌入到目前广泛使用的三维参数化 造型软件m d t 中，开发出复合型液压集成块优化设计系统。最后通过典型复合式液压 集成系统实例的完整设计，验证了该系统的可行性和通用性。 关键词：复合式集成块；数学优化模型；优化设计；通用块；布局和布孔 复合式液压集成块优化设计 o p t i m a ld e s i g nf o rc o m p o s i t eh y d r a u l i cm a n i f o l db l o c k a b s t r a c t i t i su n i v e r s a ld e m a n df o r t h et y p i c a lh y d r a u l i cs y s t e mt or e a l i z ei n t e g r a t i o na n d s t a n d a r d i z a t i o ni n d e v e l o p i n gi n t e g r a t e dh y d r a u l i cs y s t e m w i t ht h ec o m p l i c a t i o na n d d i v e r s i f i c a t i o no fc o m p o n e n t s c o m p o s i t eh y d r a u l i cm a n i f o l db l o c k( c h m b )w h i c h i n s t a l l e dp l a t ev a l v e s 1 a pv a l v e sa n dc a r t r i d g ev a l v e si st h em a i n s t r e a mi nt h ea p p l i c a t i o na n d d e v e l o p m e n to fi n t e g r a t e dh y d r a u l i cs y s t e m i th a sa l r e a d yb e e nt h eh a r dw o r kf o rd e s i g n i n g t h ei n t e g r a t e dh y d r a u l i cs y s t e mb e c a u s eo ft h ec o m p o n e n t sd i v e r s i t y ，s t r u c t u r es p e c i f i c i t ya n d t h ec o m p l e x i t yo fi n t e r n a lh o l e sc o n n e c t i o n f u r t h e r m o r e ，m o s tr e s e a r c hf o c u so np l a t ev a l v e o rc a r t r i d g ev a l v em a n i f o l db l o c k s h o w e v e r t h er e s e a r c ho nc h m bw h i c hr e l a t e st om i x e m p l o y m e n to fp l a t ev a l v e ，l a pv a l v ea n dc a r t r i d g ev a l v ei sr e l a t i v e l yr a r e a i m i n gt ot h ec o r ep r o b l e mo fh o wt oa t t a i nt h eo p t i m u mi n t e g r a t e dl a y o u ta n d c o n n e c t i o ns c h e m e sa u t o m a t i c a l l y ，p l a t ev a l v eh m ba n dc a r t r i d g eh m bd e s i g ns y s t e m s w e r ed e v e l o p e db yd l u th y d r a u l i cr e s e a r c ht e r mw h i c hb a s e do ni n t e l l i g e n to p t i m i z a t i o n a l g o r i t h m sa n dm a t h e m a t i c a lm e a n s t h eo p t i m a ld e s i g no fh m bi si m p l e m e n t e d a u t o m a t i c a l l ya n de f f i c i e n t l y ，a n da n e f f e c t i v e a p p r o a c ht h a ti m p l e m e n t sl a y o u ta n d c o n n e c t i o no fh m bi sp r o v i d e d c u r r e n tr e s e a r c ha c h i e v e m e n t se m p h a s i z e sp a r t i c u l a r l yo n t h e o r e t i c a ls t u d ya n dm i n i n go fo p t i m a ls o l u t i o n t h ea u t h o rt r yt oe x p l o r et h ee f f e c t i v ew a yo fs h o r t e n i n go p t i m a lt i m ef u r t h e s ta tt h eb a s e o fe n g i n e e r i n gp r a c t i c eb ya p p r o p r i a t e l yl o o s i n gt h ed i v e r s i t yo rr a n g eo fs o l u t i o n t or e a l i z e t h eo p t i m u mi n t e g r a t e dl a y o u ta n dc o n n e c t i o ns c h e m e so fc h m b ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e li s g i v e no nt h eb a s eo fs u m m a r i z i n gt h ec o m p l e x i t y ，s t r u c t u r a lf e a t u r e so fc h m ba n dt h er u l e s o fi t s d e s i g na n dm a n u f a c t u r e t h es t u d yi m p r o v e sp r i o rl a y o u ts c h e m e i n t e g r a t e s e n g i n e e r i n ge x p e r i e n c ea n do p t i m i z a t i o na l g o r i t h m sb ym a n - m a c h i n ei n t e r a c t i v e l y o nt h e b a s eo fa n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i ca n dp a r t i c u l a r i t yo ft h eh o l e si n s i d ec h m b ，t h er u l e so f c h e c k i n ga n dc o n n e c t i o na r es u m m e du p ，a n dt h eo p t i m a ld e s i g no fc o n n e c t i o ni s i m p l e m e n t e db yu s i n gt h ei m p r o v e dl i n en e t w o r ka l g o r i t h m s a no p e n i n gd a t a b a s ew i t h e n o u g hi n f o r m a t i o ni sb u i l tu p b ya n a l y z i n gt h ep r o p e r t ya n dc o n s t r u c t i o no fa l lc o m p o n e n t s b a s e do na b o v er e s e a r c h e s ，ac o m p o s i t em a n i f o l db l o c ki n t e l l i g e n to p t i m i z a t i o nd e s i g n s o f t w a r es y s t e mi sd e v e l o p e du n d e rm d ts o f t w a r eb yi n t e g r a t i n gt h ea l g o r i t h m so ft y p i c a l p a r t si nh m bd e s i g na n du s i n gv i s u a lc + + a n do b j e c t a r xd e v e l o p m e n tt o o l k i t i nt h ee n d at y p i c a li n t e g r a t e dh y d r a u l i cs y s t e mi sd e s i g n e du s i n gt h es y s t e m ，a n dt h ep r a c t i c a b i l i t ya n d u n i v e r s a l i t yo f t h i ss y s t e mi st e s t i f i e d 大连理工大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：c o m p o s i t eh y d r a l i cm a n i f o l db l o c k ：m a t h e m a t i c a lo p t i m i z a t i o nm o d e l ： u n i v e r s a lb l o c k ：o p t i m a ld e s i g n ：l a y o u ta n dc o n n e c t i o nd e s i g n 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， e e f l , 不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 盗轴一日期： 湖3 歹 大连理工人学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 堑至室毖 新签名：逊 人连理i ：人学硕士学位论文 1绪论 1 1 工程背景和问题的提出 液压传动与控制技术在国民经济各部门的广泛应用，促进了液压技术的飞速发展， 同t 3 , j 一使液压系统设计与制造的复杂性和集成化程度越来越高，进而对液压摔制技术提出 了史高的要求。罐于“液b h 理论”且面向高胜大流量的二通捅装阀的应运而，j i ，不仅在 控制的功率和速度上大人提高，而日具仃的成套控制结构有效弥补了传统板式阀在以卜 力+ 而的不足。_ ：通捅装阀作为传统方式的一种补充和发展，与板式阀搭配使用，二者互 为补充，相得益彰。 集成式液爪系统( i n t e g r a t e dh y d r a u l i cm a n i f o l ds y s t e m - - i h m s ) 采取液j f i 阀集l ”配 置，利实现舆型液压系统的集成化和标准化，凶此应用n 益广泛【1 1 。【j 1 于液压元件的 复杂化、多元化，刈1 其核心零部件液压集成块( h y d r a u l i cm a n i f o l db l o c k s - - h m b ) 提出 了，史高的要求，不仅要求承载传统的板式阀、替加阀及各类已件，还要求承载具自特殊 结构二通插装阀。它通过内部预制的孔道使其承装的液压元件相互连通，构成液压集成 回路，实现系统的工作要求。图1 1 和1 2 所示分别为某复合式液压系统的集成块体及 其装配体。 图1 1 液乐集成块 f i g 1 1h y d r a u l i cm a n i f o l db l o c k 1 2 液j i t 集成块装配体 f i g 1 2a s s e m b l yo b j e c to fl i m b 液压集成块作为液脏系统的核心单元，凶系统组成的非标准性和所承装阀体及其相 互连通关系的多样性所致，其外部是各种不规则承装元件在各而上的紧凑斫j 局，其内部 孔道构成十分密集、复杂的孔隙网络，设计起来颇费工力又容易出错。现有的液j j i 集成 块c a d 软件所能实现的功能多集r f l 在原理图绘制、孔道校核、实体造型及工程图输出 等方面。j 目f j 仃人多数研究集中在板式阀，涉及板式阀、插装阀、叠加阀混用的复合 复合式液压集成块优化设计 式集成块设计研究则较为少见。迄今为止，快速、高效、自动地得到复合式集成块最优 布局布孔方案这一核心问题，尚未得到良好的解决。 由此可见，一般的设计手段和常规的加工方法已不能满足复合式集成块设计和制造 的需要，在这种背景下，只有采用先进的c a d 方法才能缩短设计周期，提高设计质量。 本文的研究工作以大连理工大学液压科研组的现有成果为基础，以复合式集成块的优化 设计为目标，结合工程布局问题求解策略的研究，实现复合式集成块布局布孔方案的优 化设计，从而为提高液压系统的集成化水平和质量提供有利的技术保障。 1 2 集成块设计问题研究综述 1 2 1 国外研究现状 国际上从2 0 世纪7 0 年代初就开始研究和探索利用计算机进行液压系统和元件的辅 助设计工作，8 0 年代和9 0 年代间涌现出大批研究成果，迄今开发出的各类液压c a d 软件已有数十种。在液压集成块类零件设计方面的研发工作主要有： 德国亚琛工业大学( t e c h n i c a lu n i vo fa a c h e n ，g e r ) 在b a c k e 教授的领导下，于 2 0 世纪8 0 年代初期研制出在a t m c l a s s i cm o d e l7 8 7 0 计算机上用于设计液压控制阀块 的程序包h y k o n l 2 。该程序包由一组液压元件数据集和用于设计和布局的程序集组成， 通过对话交互布置液压元件，具有自动设计孔道、校核孔道、输出符合d i n 标准的阀块 视图和任意剖视图等功能。 1 9 8 3 年，英国巴斯大学( u n i vo fb a t h ，e n g ) 借鉴印刷电路板和集成电路的设计 思想在p d p i1 2 3 计算机上研制了v o l e 程序【3 】，可绘制液压集成块等元件的立体模型 图，包括复合剖面图、孔道实体图等，设计人员可以用来校核所设计的集成块油路连通 情况。 19 8 7 年，芬兰坦佩雷理工大学( t a m p e r eu n i v o f t e c h n o l o g y ，f i n ) 在h p l 0 0 0 a 7 0 0 小型机上借助a g p 三维图形软件开发出用于插装阀集成块设计的k y b l o 软件包【4 j ，可 做到孔道设计与干涉校验同步进行，具有修改孔径、移动孔位，线框模型消隐、孔表信 息输出、刀具选择、刀具轨迹定义及n c 代码生成等功能。 1 9 9 0 年，以色列理工学院( i s r a e li n s t o f t e c h n o l o g y ) 研制了c a d s s4 x 专用软件 1 5 j ，可用实体、线框、表面三种模型来表达集成块和孔道，根据人工设计的孔道坐标表 快捷地生成集成块各向视图，帮助使用者设计出满意的原型。 9 0 年代初，法国g r e n o b l e 机械学院的c h a m b o n 和t o l l e n a e r e 将人工智能和c a d 技 术相结合来解决集成块的元件布局和孔道设计问题。指出液压集成块的设计问题是个 空间部署问题( s p a c i n gp l a n n i n gp r o b l e m ) ，以满足液压元件安装的需要，又是一个路 大连理工大学硕士学位论文 线设计问题( r o u t i n gd e s i g np r o b l e m ) ，以设计最佳的孔道，为此将a i 中的空间部署理 论应用到集成块的设计中，在a p p l em a c i n t o s hi i 计算机上开发了一套基于产生式规则 的智能设计系统。 与此同时，一些国际知名的液压公司如美国e a t o nc o r p 、p a r k e rh a n n i f i nc o r p 、v e s t i n c 、m o o gl t d 、加拿大a p o l l om a c h i n e r yl t d 、意大利a t o s 公司、德国b o s c hr e x r o t h c o r p 等，也广泛开展了液压集成块c a d c a m 技术的研究与应用。其中在专用设计软 件开发方面比较突出的有： v e s t ( v i r t u a le n g i n e e r i n gs e r v i c e st e a m s ) 公司利用a u t o c a d 的a r x 开发环境开 发了液压集成块设计从原理图一集成块一装配体的一整套解决方案：s d t o o l s ( s c h e m a t i c d e s i g n t o o l s ) 和h y d r a w ( h y d r a u l i cc i r c u i t d e s i g n ) 软件应用“快捷目录”技术方便准 确地绘制液压原理图；a d t o o l s ( a s s e m b l yd e s i g nt o o l s ) 是一个2 d 装配绘图软件；在 a u t o c a d 上开发的m d t o o l s ( m a n i f o l dd e s i g nt o o l s ) 软件基于嵌入式规则进行孔道连 通和校核；a a t o o l s ( a u t o m a t e da s s e m b l yt o o l s ) 软件根据原理图和集成块设计信息动 态生成3 d 装配图以及2 d 正交视图。 e a t o n 公司开发的v i c k e r sl i b r a r yo fs i c v ( s c r e wi nc a r t r i d g ev a l v e s ) 软件是一个 包含一千多种元件的符号库，帮助专业工程师在a u t o c a d 上进行进行泵、马达、阀和 集成块的方案设计及零部件工程图设计，并把设计数据与加工指令n c 代码相连接，具 有c a d c a m 一体化的特征。 1 2 2 国内研究现状 国内液压c a d 技术研发工作虽大约晚起步1 0 年，但迄今已有很大发展，3 0 年来 紧密跟踪国外先进技术，取得了一些具有我国特色的研究成果。 浙江大学流体传动与控制国家重点实验室路甬祥、陈鹰教授等，于1 9 8 9 年研制成 功插装阀液压系统设计f p t c c a d s 系统【6 】。该系统由液压系统原理图生成模块、液压 系统总装图生成模块、准三维立体模型生成模块和插装阀设计模块五部分组成。在三维 插装阀集成块c a d 系统中，以a u t o c a d 为基础软件，利用l i s p 语言对绘图软件进行 二次开发，利用变参数技术建立三维集成块立体构筑工具库，以实现集成块三维显示， 利用“知识基嵌入 方法解决了从立体图到工程零件图的转化。2 0 0 2 年，又采用特征对 象化的设计思想，提出对象化特征连接的概念，研究液压集成块的三维参数化设计方法， 开发了液压集成块c a d 软件v b c a d ，并给出“两步校核的孔道干涉检查算法【_ 7 。 上海交通大学钟廷修教授等自1 9 8 6 年开始研究插装阀c a d 软件【8 】，编写了校核插 装阀孔道的程序；9 0 年代相继在工作站和p c 机上开发出面向插装阀的c v c a d 软件， 复合式液压集成块优化设计 具有三维c a d 的设计环境，能自动完成二通插装阀集成系统液压原理图及其对应的集 成装置装配图、零件图的绘制工作，并实现了c a d 和c a p p 间的非几何加工信息连接； 于1 9 9 7 年在a u t o c a d 上二次开发出面向集成块的h m b c a d 软件并不断完善，具有集 成块体及孔道数据输入与编辑、孔道校验、三维造型、自动绘制装配图、零件图、孔系 输出等多项功能，已经在一些单位得到实际应用。2 0 0 1 年周惠友等【9 】提出应用虚拟设计 技术进行液压集成块设计的新趋势，将遗传算法引入液压阀布局设计和孔道连通设计 中，并用有向图描述孔道连通规划的数学模型。 华中科技大学根据模块化设计和再设计工程的思想进行了液压集成块c a d c a m 系统h c a d 的开发，针对液压集成块内部孔系的连通设计及其通断性校验、液压集成 块孔系加工的路径规划等问题进行了研究，从而提高了液压集成块的设计、加工效率和 质量【1 0 】。 广东工业大学于2 0 0 0 年开发的h g m c 软件系统实现了液压集成块从方案选择、元 件布置、外形干涉校验、孔道连通校核、工程图纸输出以及设计效果评价全过程的智能 化、自动化设计，并采用成组技术进行液压集成块c a d c a m 的信息编码设计i l 。 1 9 9 7 - - 2 0 0 2 年，澳门大学( u n i vo f m a c a u ) 的w o n g ，p k 和香港理工大学( h o n g k o n gp o l y t e t h n i cu n i v ) 的c h u e n ，c w 等运用面向对象方法构造集成块模型并采用特 征技术来组织和管理集成块c a d c a m 产品信息，可以方便地定义和修改元件与回路； 在a u t o c a d 上开发的原型软件可以根据一些设计规则进行元件布局，并在李氏迷宫算 法的基础上研究了三维路径连通算法【l2 。 天津大学于2 0 0 6 年引入广义装配的概念，将液压集成块的设计过程分为液压阀布 局、油路概念设计、油路详细设计和液压集成块校核四个阶段，借助于计算机辅助设计 软件的装配技术及装配部件之间的关联关系，用v b 在s o l i dw o r k s 环境下进行了二次 开发，研制了液压集成块快速设计原型软件系统【l 川。 此外，东南大学、天津理工学院、安徽工学院、北京科技大学和北京机床研究所、 榆次液压件厂等单位也都对液压集成块的设计和制造技术进行了各具特色的研究。 大连理工大学是国内较早开展液压c a d 研究开发的单位之一，于1 9 9 4 年开发出了 面向集成式液压系统的y c a d j 软件包【1 4 】，包括原理图设计、块体结构设计及其零件图 和集成块装配图绘制等模块，采用人工智能技术实现自动设计工艺孔。在此基础上，又 陆续推出了专门面向液压集成块的m b c a d a m ”】和面向插装阀块的c v c a d a m l l 6 两 个软件，解决了液压集成块孔道校核和连通设计问题，并且提出了一套集成块类零件特 征的定义、分类和框架表达方法，建立了基于特征的零件产品模型，为c a d c a m 集成 系统的开发与研究提供了一个统一的信息模型，更进一步对液压集成块虚拟设计的建模 大连理工大学硕士学位论文 技术进行了研究。近年来田树军教授等【1 7 】对液压集成块的智能优化设计进行了深入的研 究，指出液压集成块设计的关键是液压阀布局和孔道连通的集成优化设计问题，并提出 了用遗传算法、模拟退火算法及人机结合的智能虚拟设计模式进行液压集成块的优化设 计。同时提出将集成块孔道网络的结构优化设计与网络流场动态性能仿真分析结合为一 体的研究方向，并采用功率键合图和c f d 方法【l8 】相结合的手段实现液压集成块在整体 上的动静态性能和局部管道中流体质点流动的细致刻画，并在虚拟现实环境中直观展 示，实现在产品设计开发阶段预知其动态性能并进行有针对性的改进和提高，从而达到 更高性能品质的结构优化设计。这些工作为本项目的研究开发奠定了良好的基础。 1 2 3 研究综述 综上所述，由于液压集成块设计问题的典型性和复杂性以及集成式液压系统的广泛 应用，吸引了国内外众多研究机构和学者的研究兴趣。在2 0 世纪8 0 年代到9 0 年代2 0 年间，随着计算机技术的发展，涌现了大批的研究成果。目前国内外研究的液压集成块 研究的集成块c a d 技术和应用软件中不乏优秀研究成果，有效地提高了设计质量和工 作效率，其中不少成果在一些企业已经得到应用并产生了良好的效益。但是，迄今为止， 由于缺乏新的理论、方法和技术的支持，在液压集成块的设计问题上，始终没有实现较 大的突破，同时也留下较大的研究空间有待于进一步探索。 通过对现有研究成果的总结得出，复合式集成块设计的核心问题是其外部布局和内 部布孔集成方案的自动优化设计，是在孔道自动连通算法支撑下的三维空间中液压元件 布局方案的自动寻优。这是一种复杂的带性能约束的立体空间布局问题，在数学上可以 归结为组合最优化。现有的c a d 方法尚不能十分有效地处理和解决复合式集成块设计 过程中的关键性技术问题，目前最关键的是将研究重心集中到复合式集成块外部布局和 内部布孔集成方案的优化设计中，将工程实际中设计人员的规则经验和计算机的快速乃 至智能计算能力相结合，共同参与方案设计，并借鉴通用布局问题的解决思路，通过采 用有效求解组合优化问题的优化算法来攻克这一难题。 1 3 课题来源及研究基础 1 3 1 课题来源 本论文研究内容来源于国家自然科学基金资助项目“基于智能优化和虚拟设计的液 压集成块c a d 方法研究”( 编号：5 0 3 7 5 0 2 3 ) 和辽宁省科学技术基金项目“基于虚拟 设计技术的液压集成块c a d 关键技术研究( 2 0 0 2 2 1 3 2 ) 。 复合式液压集成块优化设计 1 3 2 研究基础 目前，科研组成员对液压集成块六个方面的核心设计问题，即结构优化设计、虚拟 现实设计、性能优化设计、c a m 系统开发、虚拟装配系统开发和工程数据库系统设计 以及它们之间的继承方式进行了详细的研究，建立了一套完善的液压集成块c a d c a m 集成系统。 在结构优化设计方面，因板式阀和插装阀在结构和控制原理上存在较大差异，如果 液压集成块上既有板式阀又有插装阀，会使得液压集成块c a d 问题更加复杂，科研组 将复杂的问题分解，分别对板式阀和插装阀液压集成块设计问题进行研究，针对液压集 成块c a d 中核心问题一如何自动获得最优的布局布孔集成方案，结合现代混合优化算 法在布局优化设计中的应用，开发出基于m d t 的板式阀、插装阀集成块优化设计系统 1 , 1 9 , 2 0 1 。系统可根据液压原理图元件信息和连通信息及设计者给定的元件初始位置，自 动、高效地完成液压集成块的布局布孔优化设计。迄今为止，采用数学手段，自动、高 效地实现液压集成块的外部元件布局和内部孔道网络布局优化设计，进而得出最优解， 在国内己处于领先水平。 但从工程实际的角度出发，液压集成块的优化设计在以下方面还存在一定的探索空 间： ( 1 ) 现有集成块优化设计系统分别集中于板式阀或插装阀，涉及板式阀、插装阀、 叠加阀混用的复合式集成块设计还未研究，如何快速、高效地获得复合式集成块最优或 较优的布局布孔方案这一核心问题，还需要进一步探讨。 ( 2 ) 在工程实际中，大批量生产不同用途及规格的液压集成块企业，往往对液压 集成块的性能指标没有过高要求，其更注重于生产效率的提高，要求在满足产品性能指 标基础上，尽可能缩短设计时间。科研组所开发的集成块优化设计系统重视最优解的发 掘和智能优化理论的研究，需要从多个布局布孔集成方案中自动寻找最优解，使得优化 时间较长，与生产和实践需求尚存在一定差异。 1 4 课题的研究内容 在大连理工大学液压科研组现有研究成果的基础上，针对现存的问题和不足，密切 结合当今前沿的理论方法和生产实际，从复合式集成块布局布孔设计设计和制造规律出 发，对复合式集成块的设计问题进行深入而全面的研究工作。本文的研究内容包括： ( 1 ) 总结复合式集成块设计问题的复杂性特点，以及块体类零部件的结构特征和 设计、制造信息组成规律，分析集成块布局布孔立体空间关系，给出设计问题的数学模 型，提出复合式集成块总体优化设计的方案规划。 大连理_ 丁大学硕士学位论文 ( 2 ) 针对工程实际中设计时间和生产效率之间的矛盾，研究在在适度放宽解的多 样性和覆盖面的基础上，最大限度地缩短设计时间。本文拟在满足集成块性能指标的基 础上，最大限度地缩短集成块优化设计时间，合理解决两者( 设计时间和设计质量) 之 间的矛盾。因工程设计经验对集成块的优化设计具有重要的指导价值，对其充分利用可 对优化起到事半功倍的作用。故本文结合人工交互，将工程设计经验和优化算法融入复 合式集成块的布局布孔优化设计中。 ( 3 ) 应用v c + + 和o b j e c t a r x 开发工具包，实现上述各种算法和设计思路，将复 合式集成块设计中存在的元件布局设计、孔道校核、孔道网络连通优化设计等典型环节 的实现算法集成为专门的复合式集成块设计程序，并将其嵌入到目前广泛使用的三维参 数化造型软件m d t ( a u t o c a dm e c h a n i c a ld e s k t o p ) 中，在m d t 原有功能的基础上开 发优化设计系统，实现复合式集成块布局布孔优化设计。 复合式液压集成块优化设计 2 复合式集成块优化设计问题研究 2 1复合式集成块结构及其设计特点 2 1 1复合式集成块优化设计概念 本文将载有板式阀、叠加阀、插装阀等阀体和其它各类附件的液压集成块定义为复 合式集成块。通常的板式阀集成块外部元件由板式阀、叠加阀等各类元件组成，块体内 部孔道均为直通孔；插装阀集成块外部元件由插装阀盖板和先导控制阀等元件组成，块 体内部孔道主要有阶梯孔和阶侧孔，故其内部孔道结构更具多样性和复杂性。复合式集 成块与单一的板式阀或插装阀集成块布局布孔设计相比，其外部元件既有插装阀又有板 式阀，内部孔道既有直通孔又有阶梯孔、阶侧孔。复合式集成块的优化设计，是指在块 体外部板式阀、插装阀以及其他辅件共存的元件布局和块体内部阶梯孔、阶侧孔、直通 孔等共存的孔道布局环境下，集成块布局布孔方案的自动寻优，因此布局布孔设计更加 复杂。 2 1 2 复合式集成块设计复杂性及设计过程 ( 1 ) 复合式集成块的复杂性 复合式集成块通常是由阀块体以及其上安装的板式阀、插装阀、叠加阀、管接头、 附件等元件组成。传统的板式阀结构形式较为简单，以二位四通电磁换向阀为例，如图 2 1 所示，阀块体上的油孔和集成块体上的油孔直接相关，集成块块体上的通油孔为直 通孔，其孔径与阀块体上相关通油孔径相同。而插装阀在结构和控制方式上区别于传统 的板式阀、叠加阀，如图2 2 所示，它由主阀及控制主阀动作的控制元件两部分组成， 是通过对相互分离的单个控制阻元的选择来实现液压系统中压力、流量和方向的控制。 主阀由插装件( 阀芯、阀套) 、端盖、弹簧等组成。控制元件由盖板和先导控制阀等组 成，它根据插装阀不同的控制功能，安装有相应的先导控制级元件，以实现对液压系统 压力、流量和方向的控制。 由于复合式集成块体上集中了形状各异的板式阀、插装阀等各类元件，在此布局环 境下进行设计，需要全面分析和总结安装在集成块各面上板式阀、插装阀和各类附件的 独特结构、空间位置关系和约束条件后再进行合理布局。同时，由于插装阀的独特坐式 结构，需要在集成块上对应有与插装件有配合关系的阶梯孔及阶梯孔的侧向连接孔，因 此在集成块内部集中了阶梯孔、阶侧孔、直通孔、控制油孔、螺纹孔等多种孔道。这使 得元件外形干涉校核和孔道连通及其校核更加复杂。 一8 一 大连理工人学硕士学位论文 二位四通换向阀 集成块体 图2 1 二位四通换向阀的结构图 f i g 2 1 s t m c t u l eo fc o m m u t a t ev a l v e 先导控制阀 控制盖板 插装件 插件安装孔 集成块体 a 图2 2 二通插装阀的结构及原理图 f i g 2 2 s t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo fc a r t r i d g ev a l v e b 复合式集成块主要由以下三个部分组成： 集成块体 集成块体是集成式液压系统的关键零部件，它既是液压元件的承装体，又是它们油 路连通的通道体。一般有组合式集成块、整体式集成块和复合式集成块之分。组合式集 成块通常由数个按典型控制回路设计的、具有一定控制功能的单个功能块，采用层状叠 加连接或块式连接而成。整体式集成块是指按回路或系统执行机构的排油腔进回油阻力 控制的实际需求和主机的布置及外观的要求单独设计的阀块。复合式集成块是指集成块 复合式液压集成块优化设计 上除插装阀外，还有板式阀等其它类型的液压阀类，它具有传统控制结构在实现三位四 通方向控制时简单廉价和插装阀控制的多功能等优点。 外部元件 复合式集成块的外部元件包括板式阀、插装阀、叠加阀、管接头和各类附件，液压 阀一般为标准件。板式阀、叠加阀均由连接螺钉安装在阀块体上，实现液压回路的控制 功能。管接头用于外部管路与集成块的连接。附件主要包括管道连接法兰、工艺孔堵塞、 油路密封圈等。插装阀包括插装件、控制盖板、先导控制阀。控制盖板主要用来固定插 装件和保证密封，以实现主油路的控制，按其形状可分为方形控制盖板和圆形控制盖板 两类，根据d i n 2 4 3 4 2 规定，当二通插装阀的公称通径大于等于巾8 0 时，控制盖板采用 圆形结构，公称通径为巾8 0 以下的采用方形结构。控制盖板按其控制功能的不同可分为 方向控制盖板、压力控制盖板、流量控制盖板及复合控制盖板等。先导控制阀一般安装 于控制盖板之上( 也有直接安装在集成块体上的板式阀) ，它通过较小通径规格的先导 阀控制来实现主阀组件的动作。最常用的先导控制阀主要有巾6 和巾1 0 通径规格的标准 电磁换向阀及以它为基础的叠加阀组。由此可知，复合式集成块外部是多种类型元件组 成的混合型部件，不仅规格型号繁多，而且种类相当复杂，由此构成其多样性。 内部孔道 集成块内部的孔道与外部元件的通油孔道直接相关，复合式集成块外部布局元件的 多样性也决定了其内部孔道的复杂性和多样性。不仅有直通油孔、定位孔、连接螺钉孔、 集成块安装孔，还会有插装阀插件安装孔、插装阀侧向油孔等。同时，为保证孔道正确 连通而不发生干涉，有时还要设置若干工艺孔。 值得注意的是，由于插装阀特殊的座阀式结构，形成了复合式集成块内部阶梯式孔 道( 插件安装孔) 。每个阶梯式孔道都对应一个控制阻力，通过同一盖板下的控制孔来 控制先导元件，从而实现各种运动机能的控制。每一个阶梯式孔道在其所在面上的中心 点坐标与其盖板的安装坐标相一致，所以盖板的安装位置也就是阶梯孔的钻孔中心；同 时，由于阶梯孔的孔径较大，故阶梯孔之间的连通应以能直接相连，尽量不设工艺孔为 最佳状态。以此为准则，由阶梯孔之间的连通关系也可以确定控制盖板的布局位置。此 外，插装阀安装孔的孔径较大、控制孔孔径较小的结构特点使得控制孔道连通时具有很 强的连通阻碍性，且插装阀安装孔的阶梯式结构和侧向油孔的连通特殊性，使得复合式 集成块的孔道设计较之单一的板式阀或插装阀集成块均更为复杂。 ( 2 ) 复合式集成块设计过程 复合式集成块和其它集成块的设计生产的总体过程是一致的，其全生命周期主要包 括六个过程：原理图设计、集成块设计、校核设计、加工制造、加工检查、系统装配。 大连理工人学硕士学位论文 其中最关键的是集成块设计过程，可以分为装配关系设计和连通关系设计两个阶段。设 计的初始条件是从系统原理图得到的液压元件信息和元件油孔之间的连通关系信息。 装配关系设计布局( l a y o u t ) 装配关系设计是确定阀块体的总体尺寸、液压元件的安装面安装位置安装角度、 公共油口管接d 控制油口以及其它特殊油口位置的设计过程。装配关系设计要求主要 包括：a ) 结构紧凑，体积尽可能小；b ) 承装元件要有足够的安装调试空间；c ) 布 局应为连通关系设计创造有利条件；d ) 满足用户对装配关系的一些特殊要求。 连通关系设计布孔( c o n n e c t i o n ) 集成块的连通关系设计是指按照系统原理图的要求，在装配关系设计的基础上，确 定连通孔道的深度，以及必要时设置的工艺孔的位置和深度。连通关系设计要求包括如 下内容：a ) 保证百分之百实现液压原理图的连通关系；b ) 工艺孔数目尽量少，连通 路径长度尽量短；c ) 相通孔道要保证一定的通流面积，不相通的孔道之间满足一定的 壁厚要求；d ) 满足某些阀的动态特性要求。 由此可知，复合式集成块设计的核心内容是外部元件的布局设计和内部孔道的连通 设计，同时为保证设计结果的可行性和合理性，在设计过程中或设计完成后必须对块体 进行多种校核和检查，包括外部元件的干涉检查和孔道的安全校核等。通过上述分析， 可以将复合式集成块设计问题的特点简单地归纳为：外部元件布局和内部布孔集成方案 的总体优化设计。这也是本文努力实现的最终目标。 2 1 3 布局与布孑l 的关系 复合式集成块设计的主要内容包括外部元件的布局设计和内部孔道的连通设计。布 局和布孔既相辅相成又相互制约，设计中应两者兼顾。如果布局合理，则孔道连通方便， 工艺孔数目少；反之，若布局欠合理，则孔道间很容易发生干涉，工艺孔数目也多，甚 至无法保证正确连通，这种情况下，需要调整布线顺序或者重新进行布局方案设计。所 以说，布局方案为孔道连通创造初始条件，同时连通设计也对布局方案给出量化评价， 为布局方案调改提供依据。因此本文提出，复合式液压集成块设计中布局设计和布孔设 计是相互影响、不可分割的两个阶段；复合式集成块优化设计是布局布孔集成方案的寻 优问题，其目标函数应是对布局结果和布孔结果的综合评价。 既然布局设计和布孔设计是紧密联系、不可分割的，因此只有把两者结合起来，才 能很好地完成复合式集成块的优化设计。由此，形成了复合式集成块设计的两个迭代循 环，如图2 3 所示；其中小循环是在孔道连通设计内部调整连通顺序，大循环则是不断 调整布局方案后进行布孔计算。因此，必须采取一种具有智能性的优化策略，完成液压 复合式液压集成块优化设计 元件在块体上的布局定位、实时校核下的孔道自动连通、连通方案的目标评价和布局方 案的自动调改等设计内容和步骤的自动实施，最终生成复合式集成块布局布孔优化方 案。 大循环小循环 2 2 数学优化模型 图2 3 自动优化设计流程 f i g 2 3 p r o c e d u r eo fa u t o m a t i co p t i m a ld e s i g n 2 2 1 设计变量 ( 1 ) 复合式集成块设计基本概念 空间关系