孫 霖，廖金軍，吳正江，于 俊

(1.海軍駐研究所軍事代表室，湖北 武漢 430064;2.華中科技大學FESTO氣動技術中心，湖北 武漢 430074;3.武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064)

0 引言

隨著我國船舶工業(yè)技術的迅速發(fā)展，提高船用液壓系統(tǒng)的效率以及節(jié)能降耗技術的應用，已成為船舶液壓技術發(fā)展的主要方向之一［1］。

船用液壓集成塊是船舶集成式液壓系統(tǒng)中的關鍵部件。外部元件通過液壓集成塊的內(nèi)部孔道連接，形成完整的液壓回路，集成部件的使用有利于形成緊湊、高效的液壓系統(tǒng)［2］。

液壓集成塊作為液壓元件的承裝載體，目前大多數(shù)設計過程主要圍繞外部元件的布局設計和內(nèi)部孔道的連通設計［3］，文獻［4］采用智能技術解決集成塊的布局和流道的設計問題;文獻［5－6］運用遺傳、模擬退火算法及人機交互的智能設計模式進行集成塊的優(yōu)化設計，完成了外部布局和內(nèi)部布孔集成方案的優(yōu)化和內(nèi)部孔道的連通設計。為了減低集成塊工作過程中的機械沖擊和流體噪聲問題，本文運用CFD和CAE的方法對液壓集成塊進行優(yōu)化設計。

1 液壓集成塊的結(jié)構(gòu)原理

該液壓集成塊閥體設有與兩位四通液動換向閥、手操電磁換向閥、兩位三通液動換向閥、溢流閥以及單向閥等連接的外部接口;集成塊閥體內(nèi)部有主換向閥，實現(xiàn)各外部功能閥的不同連接。

圖1 液壓集成塊的結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Sketch of hydraulic manifold block

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

船用低噪聲液壓集成塊的設計和運用將有助于降低系統(tǒng)工作噪聲，提高能源利用率和工作舒適性等。如何有效地減小液壓集成塊中主換向閥的換向機械沖擊以及改善內(nèi)流道流體流態(tài)是低噪聲液壓集成設計的關鍵。以下將對液壓集成塊的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行分析和優(yōu)化。

2.1 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

由液壓集成塊的設計要素可知，主通徑d0的計算公式為:

式中:qs為閥的額定流量，m3/s;v0為閥進、出口的允許流速，一般取v0=2～6 m/s。

改進前，液壓集成塊的設計流速為v0=6 m/s，系統(tǒng)流量為120 L/min，因此，根據(jù)式(1)可得液壓集成塊主通徑d0=20 mm。

由于改進前閥進、出口流速設計為允許流速的上限值，且流速的增大容易導致因流體運動不穩(wěn)定(流態(tài)突變)造成的流致噪聲的產(chǎn)生。同時，由于集成塊空間的有限，設計流速不可能無限低，在保持現(xiàn)有結(jié)構(gòu)和安裝接口的前提下，設計閥進、出口流速為4 m/s，并得到改進后的集成塊主通徑d0=25 mm。

2.2 優(yōu)化分析

在主通徑加大的情況下，改變了主換向閥閥套上開孔的結(jié)構(gòu)，從改進前的8個圓形孔改為4個腰圓形孔，并沿腰圓形孔邊緣進行倒角處理。經(jīng)過改進后，集成塊內(nèi)流體流速下降了56%，在閥套孔處的流體流動更加平緩。

圖2和圖3為改進前、后液壓集成塊主換向閥內(nèi)流道的結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格劃分圖。

就改進前、后的液壓集成塊主換向閥流道結(jié)構(gòu)進行CFD仿真分析。根據(jù)圖4和圖5的比較可以看出，改進前，主換向閥進、出口壓力分別為2.28 MPa和1.99 MPa，流經(jīng)閥的總壓降為0.29 MPa，在閥套環(huán)向孔處出現(xiàn)局部低壓為1.86 MPa;改進后，主換向閥進、出口壓力分別為2.05 MPa和2.0 MPa，流經(jīng)閥的總壓降為0.05 MPa。

圖4 改進前閥內(nèi)壓力分布圖Fig.4 Stress distribution inside the initial valve

改進前，液壓集成塊主換向閥閥內(nèi)噪聲集中在流速突變的閥套環(huán)向孔部位，最大噪聲聲功率為89.6 dB(圖6所示);改進后，閥內(nèi)整體噪聲降低的情況下，閥套環(huán)向孔部位的噪聲聲功率降為58 dB(圖7所示)，較大程度地改善了閥內(nèi)流體的流動狀態(tài)。

根據(jù)噪聲聲功率級與聲壓級的轉(zhuǎn)換公式，在距離液壓集成塊主換向閥1 m處的最大聲壓級為:

式中:LW為噪聲聲功率級，dB;Lp為噪聲聲壓級，dB;S為噪聲輻射的球面積，m2;ρ0為空氣密度，kg/m3;c0為空氣中聲速，m/s。

假設主換向閥噪聲輻射為半球面，于是得到距離主換向閥1 m處的聲壓級為:1)改進前:Lp=77.3 dB;2)改進后:Lp=70.4 dB。

3 換向動力學優(yōu)化分析

液壓集成塊主換向閥閥芯在控制油路壓力油的作用下實現(xiàn)快速地換向，由于原有集成塊沒有緩沖裝置，閥芯的快速運動使得閥芯以較高速度撞擊端蓋，同時，由于油路的快速切換，還引起瞬間的流量和壓力沖擊。

圖8 改進前液壓集成塊系統(tǒng)原理圖Fig.8 System sketch of the initial hydraulic manifold block

改進后，在液壓集成塊的Ki控制口端設計了換向緩沖裝置(圖8和圖9所示)，采用間隙緩沖原理，當控制口K通入壓力油，閥芯運動10 mm后開始，閥芯在間隙緩沖的作用下開始減速。

圖9 改進后液壓集成塊系統(tǒng)原理圖Fig.9 System sketch of the optimized hydraulic manifold block

在計算的基礎上，為了驗證改進后液壓集成換向閥主閥芯的換向動力學性能，采用CAE軟件對系統(tǒng)建模和分析。

圖10和圖11分別為控制口Ki和K的壓力信號，系統(tǒng)仿真時間為20 s，在5～10 s控制口Ki壓力油接通，在10～20 s控制口K壓力油接通，液壓集成塊主換向閥閥芯在10 s的時候開始換向動作。

圖10 控制口Ki壓力曲線Fig.10 Pressure curve of control interface Ki

通過對比分析液壓集成塊主換向閥閥芯的換向動力學特性，從圖12和圖13可以得出:改進前，閥芯的換向加速度為1800 m/s2;改進后，閥芯的換向加速度為1100 m/s2，實現(xiàn)了以較小的速度靠近端蓋，減小了在液壓換向的過程中主換向閥閥芯對端蓋的撞擊程度。

4 結(jié)語

本文采用CFD和CAE的方法對船用液壓集成塊優(yōu)化設計前后進行對比分析，驗證了所采用的優(yōu)化設計方法的正確性和可行性，并對液壓集成塊的設計得出以下結(jié)論:

1)液壓集成塊內(nèi)部換向閥閥套孔處是流體噪聲較嚴重的部位，在對其進行流量匹配設計時應適當加大閥套孔的通流面積;

2)液壓換向的緩沖行程與換向時間互相影響，具體設計時應綜合系統(tǒng)性能加以權(quán)衡和選擇。

［1］杜經(jīng)民，蔡保全，李寶仁.某系統(tǒng)液壓集成塊流道液流特性分析［J］.機床與液壓，2010，38(13):143 －146.

［2］魏歡歡，凡東，李姍.液壓集成塊的三維設計及展望［J］.煤礦機械，2010，31(3):12 －14.

［3］田樹軍，李利，馮毅.基于計算智能的液壓集成塊優(yōu)化設計［J］.中國機械工程.2003，14(17):1492 －1495.

［4］CHAMBON R，TOLLENAERE M.Automated AI－ based mechanical design of hydraulic manifold blocks［J］.Comput－ er Aided Design，1991，23(3):213 －222.

［5］周惠友，鐘廷修.液壓集成塊路徑優(yōu)化設計［J］.上海交通大學學報，35(12):1842－1845.

［6］FENG Yi，LI Li，TIAN Shu-jun.Optimization design of hydraulic manifold.blocks based on human-computer cooperative genetic algorithm ［J］.Chinese Journalof Mechanical Engineering(English Edition)，2003，16(3):317－320.