波涌閥的優化設計

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1波涌閥密封性能的優化設計

1．1優化設計及其數學模型

優化設計的數學模型包括優化設計三要素，即設計變量、約束條件和目標函數［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選的獨立參數，如構件尺寸、運動參數、節點的位置坐標等。參照波涌閥主要技術指標和重要技術參數如表1所列，根據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γ為設計變量。用矩陣形式表示為(2)目標函數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，稱為優化設計的目標函數，也稱評價函數，是用來評價設計方案優劣的標準，是優化設計追求的目標。目標函數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是優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泄漏量的多少來衡量。參考常用優化設計的可選優化目標，以泄漏量最小(Function［f，g］=fun(x)=MinQ)作為設計的目標函數。(3)約束條件在優化設計過程中，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。如對某些尺寸、位置、強度、剛度、穩定性等的限制［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)數學模型由設計變量、目標函數和約束條件三要素所組成的機械優化設計數學模型可表達為:在滿足約束條件下，尋求一組設計變量值，使得目標函數達到最優值。

1．2優化設計的計算機求解

目標函數: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＜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化計算后的樣機試驗。試驗使用的汽油機是上述優化各參數后的機型。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值計算模型，計算值與試驗數據基本吻合，誤差在工程允許范圍內，可用來對發動機進行變參數優化設計。(2)分析了進氣諧振系統參數(進氣總管長度、進氣總管管徑、進氣歧管管徑等)對發動機性能的影響規律，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 山西農業大學工程技術學院