波涌阀的优化设计

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1波涌阀密封性能的优化设计

1．1优化设计及其数学模型

优化设计的数学模型包括优化设计三要素，即设计变量、约束条件和目标函数［6－7］。(1)设计变量设计变量是指在机械设计过程中可进行调整和优选的独立参数，如构件尺寸、运动参数、节点的位置坐标等。参照波涌阀主要技术指标和重要技术参数如表1所列，根据波涌阀密封面泄漏量计算公式，选取波涌阀密封面流量的工作流量q、水通过缝隙后的密封面间隙两端压力差Δp、密封面间摩擦力F、O型圈胶料的硬度Fn、波涌阀水运动粘性系数γ为设计变量。用矩阵形式表示为(2)目标函数任何一项机械设计方案的好坏总可用一些设计指标来衡量，这些设计指标可表示为设计变量的函数，称为优化设计的目标函数，也称评价函数，是用来评价设计方案优劣的标准，是优化设计追求的目标。目标函数作为评价方案中的一个标准，有时不一定有明显的物理意义和量纲，它只是设计指标的一个代表值，因此正确地建立目标函数是优化设计中很重要的工作［6－7］。波涌阀的密封性能是检验波涌灌溉设备整体性能的重要指标，其防泄漏性能常根据泄漏量的多少来衡量。参考常用优化设计的可选优化目标，以泄漏量最小(Function［f，g］=fun(x)=MinQ)作为设计的目标函数。(3)约束条件在优化设计过程中，设计变量的取值通常不是任意的，总要受到某些实际条件的限制，这些限制条件称为约束条件或约束函数。如对某些尺寸、位置、强度、刚度、稳定性等的限制［8－10］。受波涌阀密封面泄漏量设计变量的取值的不确定性的影响，波涌阀密封面泄漏量的边界约束如下:波涌阀密封面流量的工作流量q约束x(1):0．0042m3/s＜x(1)＜0．011m3/s水通过缝隙后的密封面间隙两端压力差Δp约束x(2):4．9MPa＜x(2)＜6．86MPa密封面间摩擦力F约束x(3):x(3)＜16．35NO型圈胶料的硬度Fn约束x(4):45＜x(4)＜100(4)数学模型由设计变量、目标函数和约束条件三要素所组成的机械优化设计数学模型可表达为:在满足约束条件下，寻求一组设计变量值，使得目标函数达到最优值。

1．2优化设计的计算机求解

目标函数:minQ，即Q＜［Q］，式中Q为允许最大泄漏量。约束条件:0．0042＜Δp＜0．011，4．9＜q＜6．86，F＜16．35，45＜Fn＜100。取设计变量为四个，即:x(1)=Δp，x(2)=q，x(3)=F，x(4)=Fn约束只有上下界约束，但可将上下界约束转化为约束方程g(x)≤0的形式。对扭矩和功率影响不大，故不需调整，维持原机的进气歧管管径30mm不变。

2台架试验

本次台架试验的目的是进行优化计算后的样机试验。试验使用的汽油机是上述优化各参数后的机型。试验时采用93#燃油，大气温度17．1oC，大气压力100．8kPa，相对湿度53．6%等。如图12～14所示。通过试验与计算对比，结果表明，功率、扭矩、油耗率对比结果一致，偏差较少，对于实际生产有很大的指导意义。

3结论

(1)利用GT－POWER软件建立基础样机数值计算模型，计算值与试验数据基本吻合，误差在工程允许范围内，可用来对发动机进行变参数优化设计。(2)分析了进气谐振系统参数(进气总管长度、进气总管管径、进气歧管管径等)对发动机性能的影响规律，综合考虑改造成本及性能提升，选定进气总管长度为180mm，进气歧管长度和进气总管管径维持原机参数不变。(3)制作的样机与原机台架试验对比，改造设计后的电喷发动机扭矩最大提高9．2%，功率最大提高9．2%，燃油消耗率最大降低15．4%。

作者：张忠杰 高昌珍 单位：太原理工大学阳泉学院 山西农业大学工程技术学院