振动环境下插装阀选型及优化

振动环境下插装阀选型及优化

第二插装阀具有布置能力大、动作速度快等特点。因此，它被广泛应用于能源系统。国内外学者对其工作性能进行了研究，如zhang等人。1振动加速度对插装阀振动的影响根据MB264-311型TBM撑靴液压系统中插装阀所处液压回路实际工况,建立振动条件下的插装阀仿真模型,该仿真模型采用AMESim软件中的液压元件设计功能建立,如图1所示。振动信号源被加载在插装阀的阀套上,模拟基础振动对插装阀产生的影响,利用AMESim提供的信号源可以模拟阀套被迫振动位移、阀套所受振动的作用力等不同方式,振动加速度区间可控。在图1所示模型中,外界振动对插装阀的影响以随机位移的方式被加载在阀套上。中国铁建重工集团在越南TBM施工工地所测数据显示,撑靴系统处位移为随机振动位移,当刀盘转速为8.5r/min,插装阀入口压力为22.7MPa时,阀套所受振动时域波形图如图2所示,插装阀受迫振动的加速度集中在±1m/s插装阀在正常工作时,其所受液压作用力与弹簧作用力会达到平衡状态,而强烈的受迫振动导致这种平衡状态发生改变,阀芯开启度也会随平衡状态的改变而发生变化,插装阀开口高度受振动影响而随机波动,因此通过插装阀阀口的液压油流量也会出现脉动现象。以某公司产LC40A40D6XB型插装阀进行仿真试验,振动参数条件参照铁建重工所测数据,振动加速度处于±1m/s由图3可知,通过插装阀阀口的流量不平稳,出现强烈的振荡现象。液压元件流量波动幅值超过10%时,视为该元件性能失效2选型方法的选择传统的插装阀选型方法是根据其工作时的压力-流量特性来确立插装阀的规格及性能参数,这种方法适用于绝大多数无振动影响或振动不剧烈的工作环境,而TBM在强振动环境下工作,不能忽略外部振动对插装阀的工作性能影响,因此传统的选型方法对工作在TBM上的插装阀而言并非十分合适。为了使插装阀能适应强振动环境,必须确立一种振动环境下的插装阀选型方法。2.1振动环境下的插装阀选用由于插装阀阀芯开启度的变化是引起阀口流量波动的最重要因素,为了使其能更好地适应强振动环境,控制插装阀阀芯开启度是一个可行的策略。因此振动环境下的选型原理为:利用仿真软件对插装阀进行性能分析,记录阀芯开启度的仿真结果并分析,若阀芯开启度的波动幅值均位于某一特定窄区间内,判定该插装阀能适应特定的振动环境。振动环境下的插装阀选型流程如图4所示。为使插装阀满足在不同振动环境下工作的稳定性,用户可根据实际情况确定阀芯位移波动幅值的范围,如插装阀所受振动条件为高频率、低幅值时,定义波动幅值超过5%为性能失真,评判准则为阀芯开启度波动幅值不超过5%。判断插装阀是否符合选型评判准则的具体计算方法分2步进行。第1步为计算阀芯开启度在平衡状态时的平均值X式中,X.value(i)为记录第i个阀芯开启度仿真结果,当先导阀油路存在或不存在液阻时,阀芯到达稳定状态的时间会从0.08s至0.017s不等用户选择的插装阀阀芯偏移量均值不大于5%倍阀芯开启度均值X2.2e6xb型产品的仿真现有TBM工作时受迫振动条件为高频率、低幅值,根据传统压力-流量特性计算分析,某公司40通径LC40B40E6XB型产品可满足要求,其结构参数如表1所示。根据表1修改对应的仿真模型参数,设定仿真时间为0.2s,仿真步长为0.001s,泵源流量为1000L/min,系统压力为20MPa,记录阀芯开启0.1s后的仿真结果,如表2所示。根据表2计算可知,Ⅱ型插装阀在稳定状态下的开启度均值X对于该型插装阀,有3a腔成分配比a正交试验法当插装阀不能适应振动环境时,可对插装阀结构参数进行优化设计,影响插装阀工作性能的主要结构参数有阀芯质量m,A腔受压面积A正交试验法是根据一套规格化的数据表来进行试验,利用数理统计的科学方法分析实验结果,是处理多因素实验时常采用的一种科学方法。该方法可以确定多因素之间的主次顺序,较快地进行多因素最优化设计3.1结构尺寸对工作性能影响的正交试验将弹簧刚度A,阀芯质量B和插装阀A腔受压面积C确立为试验因素,为充分考虑结构尺寸对其工作性能的影响,特设立4个水平尺寸,进行三因素四水平的正交试验。试验因素与水平如表3所示。3.2振动对插装阀仿真的影响根据三因素四水平方案,以保证各因素的正交性和全面性,选用正交表L由表4所示实验结果可知,流量波动程度最小的是第10组实验A利用图1所示模型对插装阀在不同振动条件下的流量特性进行仿真分析,插装阀所受振动幅值为1~10mm,所受振动频率为100~600Hz,流量波动比值不大于5%是该阀可正常工作的区域。优化前的插装阀工作情况如图5所示,优化后的插装阀工作情况如图6所示。由图5和图6的仿真结果可知,经优化后,插装阀的流量波动比值在同等振动条件下较优化前明显减小,其最大值由8%下降为7%,可正常工作区域增加约12%,能适应更复杂的振动环境。4插装阀弹簧刚度的优化由于TBM工作环境恶劣,在复杂工况条件下,现有插装阀类型可能不能满足TBM工作稳定性要求,为此,采用一种简易优化法来解决该问题。由正交实验法可知,插装阀弹簧是适应外部振动的主要因素,且弹簧是插装阀结构参数中最容易修改的参数,可以较便捷地获取,因此采用改变弹簧刚度的办法可以改变其对受迫振动的适应性。若LC40B40E6XB型插装阀所受外界振动为简谐振动,分别取弹簧刚度为1.2×10由图7可知,当插装阀的弹簧刚度从1.2×105正交试验优化插装阀结构参数(1)TBM在强振动环境下工作,由传统选型方法选择的插装阀未考虑振动影响,通过插装阀的流量波动幅值较大,可能会出现性能失真。(2)一种振动环境下的插装阀选型方法其原理是:利用仿真工具模拟外部振动条件进行仿真实验,控制插装阀阀芯偏移量均值不大于5%倍阀芯开启度均值X(3)