[发明专利]一种强振动环境下电磁换向阀选型优化方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种强振动环境下电磁换向阀选型优化方法。 

背景技术

电磁换向阀作为硬岩掘进装备（TBM）常用的一种液压元件，其结构、工作性能、加工成本和使用寿命决定了硬岩掘进机的掘进效率与经济性。电磁换向阀属于易损耗件，硬岩掘进装备（TBM）在其工作过程中刀盘上的刀具群直接切割坚硬的岩石，由此产生的剧烈振动由机架传递给掘进液压系统，液压系统承受非常大的随机突变载荷，这种恶劣的工作环境对电磁换向阀的振动适应性提出了极高的要求。因此，针对各类不同的振动条件，能否设计或选用满足工程施工需要的电磁换向阀成为决定硬岩掘进机开挖工作效率、工程进展与经济效益的关键因素。 

传统的电磁换向阀的选型主要是依据电磁换向阀的压力—流量特性。本发明是专门针对TBM掘进中的强振动环境，因此传统的选型准则并不适合于强振动环境下的换向阀的选型。根据压力-流量设计准则选用不同类型的电磁换向阀，以保证电磁换向阀在无振动工况下能正常工作，在此基础上对电磁换向阀进行振动顺应性仿真优化。 

发明内容

本发明目的在于提供一种强振动环境下电磁换向阀选型优化设计方法，主要是针对各类强振动条件下对电磁换向阀的关键参数优化设计，得到已知强振动条件下的目标电磁换向阀初步优化方案。 

本发明是通过以下技术方案来实现的，包括： 

（1）根据负载（阀芯的平衡方程）—流量（流量连续性方程）特性，建立起强振动环境下电磁换向阀的仿真模型，该模型考虑了强振动对阀芯造成的影响，通过F_m来表现。

阀芯的平衡方程         （1） 

流量连续性方程        （2）

式中：m—阀芯质量，Kg             x—阀芯相对于基座的相对位移，m

           B—粘性阻尼系数，Ns/m        k —弹簧刚度，N/m

       Ks—稳态液动力系数，m        —油液密度，kg/

 P—压差，Pa                 Fi—电磁力，N     

           Fm—振动引起的惯性力，N     —阀输入流量， /s

       V—阀腔内的容积，           E—油液的弹性体积模量，

       —流量系数，               W—阀口周长，m 

（2）输入的振动形式及基本参数，为简谐信号振动时，输入的振动参数为振幅和频率；为斜波信号振动时，输入的振动参数为振动加速度；为随机振动时，输入均值、均方值、方差、概率密度函数、相关函数和功率谱密度函数；为三角信号振动时，输入步长和振幅。利用已建立的仿真模型对强振动环境下电磁换向阀进行阀芯动态特性仿真，获得电磁换向阀的阀芯位移x动态特性曲线，计算换向稳定后电磁换向阀的阀芯位移x波动幅值Δx(Δx=x_t-x_t+Δt)。根据换向阀在公称压力下阀芯偏离原始位置不得大于2mm这一要求，确认该电磁换向阀是否能满足该振动环境下的工况需求，若阀芯的位移动态特性满足工况需求则直接选用；若不满足工况需求，系统自动进行电磁换向阀振动顺应性优化设计。

（3）优化过程为多目标、多因素的邻域优化寻值问题，不能单一的改变其中的某个参数。综合考虑强振动F_m、阀芯质量m（Δm≤m）、弹簧刚度k（Δk≤k）、阀腔内体积V（ΔV≤V）对电磁换向阀阀芯位移x动态特性的影响规律，确定多指标函数各因素的权重。该方法基于的理论是综合评分法。 

综合评分法的一般公式为： 

 

式中：为第i号实验的综合评分；

      为第k项指标的评分系数；

      

      

      

采用修正后的综合评分公式为：

y_i*=

式中：为优化前调整时间，t_s为调整时间，ms； 

      为优化前阀芯位移超调量，K_r为位移超调量，m；

      Δ_xo为优化前阀芯位移波动幅值，Δx为位移波动幅值，m。