波涌閥的優(yōu)化設計

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1波涌閥密封性能的優(yōu)化設計

1．1優(yōu)化設計及其數(shù)學模型

優(yōu)化設計的數(shù)學模型包括優(yōu)化設計三要素，即設計變量、約束條件和目標函數(shù)［6－7］。(1)設計變量設計變量是指在機械設計過程中可進行調整和優(yōu)選的獨立參數(shù)，如構件尺寸、運動參數(shù)、節(jié)點的位置坐標等。參照波涌閥主要技術指標和重要技術參數(shù)如表1所列，根據(jù)波涌閥密封面泄漏量計算公式，選取波涌閥密封面流量的工作流量q、水通過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、波涌閥水運動粘性系數(shù)γ為設計變量。用矩陣形式表示為(2)目標函數(shù)任何一項機械設計方案的好壞總可用一些設計指標來衡量，這些設計指標可表示為設計變量的函數(shù)，稱為優(yōu)化設計的目標函數(shù)，也稱評價函數(shù)，是用來評價設計方案優(yōu)劣的標準，是優(yōu)化設計追求的目標。目標函數(shù)作為評價方案中的一個標準，有時不一定有明顯的物理意義和量綱，它只是設計指標的一個代表值，因此正確地建立目標函數(shù)是優(yōu)化設計中很重要的工作［6－7］。波涌閥的密封性能是檢驗波涌灌溉設備整體性能的重要指標，其防泄漏性能常根據(jù)泄漏量的多少來衡量。參考常用優(yōu)化設計的可選優(yōu)化目標，以泄漏量最小(Function［f，g］=fun(x)=MinQ)作為設計的目標函數(shù)。(3)約束條件在優(yōu)化設計過程中，設計變量的取值通常不是任意的，總要受到某些實際條件的限制，這些限制條件稱為約束條件或約束函數(shù)。如對某些尺寸、位置、強度、剛度、穩(wěn)定性等的限制［8－10］。受波涌閥密封面泄漏量設計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)學模型由設計變量、目標函數(shù)和約束條件三要素所組成的機械優(yōu)化設計數(shù)學模型可表達為:在滿足約束條件下，尋求一組設計變量值，使得目標函數(shù)達到最優(yōu)值。

1．2優(yōu)化設計的計算機求解

目標函數(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。取設計變量為四個，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化為約束方程g(x)≤0的形式。對扭矩和功率影響不大，故不需調整，維持原機的進氣歧管管徑30mm不變。

2臺架試驗

本次臺架試驗的目的是進行優(yōu)化計算后的樣機試驗。試驗使用的汽油機是上述優(yōu)化各參數(shù)后的機型。試驗時采用93#燃油，大氣溫度17．1oC，大氣壓力100．8kPa，相對濕度53．6%等。如圖12～14所示。通過試驗與計算對比，結果表明，功率、扭矩、油耗率對比結果一致，偏差較少，對于實際生產有很大的指導意義。

3結論

(1)利用GT－POWER軟件建立基礎樣機數(shù)值計算模型，計算值與試驗數(shù)據(jù)基本吻合，誤差在工程允許范圍內，可用來對發(fā)動機進行變參數(shù)優(yōu)化設計。(2)分析了進氣諧振系統(tǒng)參數(shù)(進氣總管長度、進氣總管管徑、進氣歧管管徑等)對發(fā)動機性能的影響規(guī)律，綜合考慮改造成本及性能提升，選定進氣總管長度為180mm，進氣歧管長度和進氣總管管徑維持原機參數(shù)不變。(3)制作的樣機與原機臺架試驗對比，改造設計后的電噴發(fā)動機扭矩最大提高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：太原理工大學陽泉學院 山西農業(yè)大學工程技術學院