Amélioration de la structure et optimisation des paramètres de la micro vanne de régulation de débit

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 6850 (2023) Citer cet article

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Visant le phénomène de collage entre l'obus de valve et le manchon de valve lorsque l'obus de valve se déplace, et pour résoudre le problème selon lequel le couple nécessaire pour entraîner la rotation de l'obus de valve est important, l'analyse de simulation de couplage fluide-solide de l'obus de valve est réalisée dans cette étude, puis la structure de l'obus de valve de l'obus de valve est améliorée et ses paramètres sont optimisés sur la base de l'algorithme de colonie d'oiseaux. La structure combinée du manchon de valve et du noyau de valve est étudiée, et le modèle de couplage fluide-solide est établi par Ansys WorkBench, et l'analyse de simulation de structure statique du manchon de valve et du noyau de valve avant et après l'amélioration structurelle et l'optimisation des paramètres est effectuée. Les modèles mathématiques du réservoir tampon triangulaire, du réservoir tampon en forme de U et du réservoir tampon combiné sont établis, et les paramètres structurels du réservoir tampon combiné sont optimisés par l'optimisation des essaims d'oiseaux. Les résultats démontrent que le réservoir tampon triangulaire a un bon effet de dépressurisation mais un grand impact, la pression du réservoir tampon en forme de U est stable et douce mais l'effet de dépressurisation n'est pas idéal, tandis que le réservoir tampon combiné a un effet de dépressurisation évident et une bonne stabilité. Dans le même temps, les paramètres structurels optimaux du réservoir tampon combiné sont un angle de coupe de 72, un angle de plan de 60 et une profondeur de 1,65 mm. La structure et les paramètres excellents de la rainure de tampon combinée sont obtenus, de sorte que le tampon de pression de la vanne de régulation à la position clé de l'orifice de la vanne réalise le meilleur effet, et une solution efficace est fournie pour résoudre le problème de collage du noyau de la vanne de la vanne de régulation lors du travail.

À l'heure actuelle, la micro petite vanne de commande hydraulique est de plus en plus utilisée à Chin. Les chercheurs et les fabricants nationaux et étrangers ont effectué de nombreuses explorations sur sa théorie, sa structure et ses paramètres1,2. Le régulateur contrôle le fluide et entraîne la charge en modifiant l'ouverture de l'orifice de la vanne. Sa capacité de régulation est d'une grande importance pour le fonctionnement sûr et efficace du système hydraulique3. La bobine et le manchon de soupape sont extrêmement importants pour la structure de la paire de travail et les paramètres de la capacité de travail de la soupape de commande. Luo Yuxuan et al.4 ont analysé et résumé les causes de la bobine de stock dans les applications d'ingénierie de vannes. Les raisons du blocage de la bobine sont divisées en : raisons mécaniques causées par la précision d'usinage ou une erreur d'assemblage ; Raisons hydrauliques causées par le moment déséquilibré de l'action du fluide sur le tiroir ; Causes thermiques causées par l'échauffement visqueux du fluide dans des conditions de haute pression et causes de pollution causées par la rétention de particules dans le jeu d'ajustement de la soupape. Visant le phénomène de blocage du tiroir de vanne directionnelle proportionnelle électro-hydraulique 2D, Liu Guowen et al.5 ont systématiquement analysé la force de serrage radiale du tiroir 2D avec ou sans excentricité. Le logiciel MATLAB est utilisé pour calculer la relation entre la force de serrage radiale de la bobine 2D, l'excentricité et l'angle entre les trous haute et basse pression. En fonction des caractéristiques du distributeur 2D, des mesures d'amélioration du tiroir du distributeur proportionnel électro-hydraulique 2D sont proposées. Le champ d'écoulement sur la surface du noyau de la valve est simulé par CFD à l'aide du logiciel Fluent. Le vecteur de vitesse et la distribution de pression avant et après l'amélioration sont comparés, et l'exactitude des mesures améliorées est vérifiée. Pei Xiang et al.6 ont comparé divers phénomènes de serrage d'une vanne rotative et d'un tiroir de vanne à tiroir. La force de balourd radial de la vanne rotative est analysée théoriquement quelques mesures concrètes pour réduire le phénomène de serrage de la vanne rotative sont proposées. Fournir une aide pour la conception et l'application d'une vanne rotative à l'avenir. Sun Zegang et al.7,8. Étude de l'influence des structures de rainures d'étranglement en forme de U et de V sur les performances de cavitation de la vanne. En améliorant la structure de la rainure d'étranglement optimisée par un algorithme génétique, les performances anti-cavitation de la vanne peuvent évidemment être améliorées. Li Weijia et al.9 ont étudié les caractéristiques de débit d'ouverture de vanne de la vanne à tiroir avec une seule rainure d'étranglement de base en forme de U, en forme de U oblique et en forme de V dans des conditions de différence de pression constante. En utilisant l'algorithme d'optimisation de l'essaim de particules, la taille optimale de la fente d'étranglement est obtenue, ce qui répond aux exigences des caractéristiques de débit d'ouverture de vanne dans des conditions de différence de pression constante. Cao Jia Hao et al.10 ont conçu un nouveau type de structure de limitation avec rainure tampon, qui a affaibli la rigidité structurelle et amélioré la dissipation d'amortissement de l'énergie d'impact. Grâce au logiciel ANSYS, l'analyse d'optimisation itérative des paramètres de la structure de tampon limite d'origine est effectuée pour trouver une combinaison de paramètres de structure raisonnable. Ensuite, les performances dynamiques transitoires de la structure basées sur la méthode du domaine temporel sont prises en compte par le logiciel LS-DYNA, et l'effet tampon des structures de limitation de type traditionnel et nouveau est comparé. Wu Weidong et al.11 visant les problèmes de petite plage de réglage du débit et de réponse lente de la rainure d'étranglement en forme de U d'un certain type de vanne sensible à la charge, une rainure d'étranglement en forme de Ω a été conçue en analysant la relation fonctionnelle entre l'ouverture de la vanne et la zone d'écoulement. L'algorithme d'optimisation de l'essaim de particules (PSO) est utilisé pour optimiser ses paramètres organisationnels avec le gain de flux comme objectif. Zhang Zhandong et al.12 ont proposé une méthode de calcul consistant à ajouter une fente d'étranglement en forme de K à l'épaulement du trou d'écoulement radial du tiroir principal de la vanne d'inversion et à obtenir la zone d'écoulement équivalente de la fente d'étranglement en forme de K, visant à la situation que l'orifice de vanne de la vanne d'inversion du support hydraulique de la mine de charbon a un grand gradient de zone d'écoulement, qui ne peut réaliser que la fonction de contrôle marche-arrêt, et l'accumulation de pression est soudaine, ce qui est facile à induire l'impact de la pression du système d'alimentation en huile de support. Le but de réguler et de contrôler activement ce gradient de zone d'écoulement de l'orifice de soupape peut être réalisé. Zhang Liqiang et al.13 se sont penchés sur le problème de l'impact de la pression de l'orifice de la vanne causé par un débit interne excessif d'une vanne à tiroir. Après analyse de l'influence des paramètres de structure de la rainure d'étranglement sur ses caractéristiques d'écoulement. L'algorithme d'optimisation génétique est utilisé pour obtenir l'ensemble de solutions de Parato de la rainure d'étranglement en forme de U qui répond aux caractéristiques de réponse rapide du débit et aux performances d'impact de pression. Les résultats de l'optimisation sont vérifiés en sélectionnant des paramètres de structure de rainure d'étranglement spécifiques. Li Ping14 a proposé un schéma amélioré d'un nouveau type de réservoir d'étranglement (réservoir combiné U-V), l'algorithme d'optimisation de l'essaim de particules est utilisé pour optimiser la structure de la rainure d'étranglement, les paramètres structurels optimaux sont obtenus. Sous la même ouverture de soupape, la zone d'écoulement de la nouvelle rainure d'étranglement est plus grande que celle de la valeur d'origine (rainure en forme de U). Lorsque la vanne multivoies atteint le débit nominal, l'ouverture de la nouvelle vanne diminue et la plage de réglage du débit augmente. Yi Sheng et al.15 ont effectué des recherches de simulation sur les caractéristiques d'ouverture-écoulement de six types de fentes d'étranglement : en forme de U simple, en forme de U oblique, en forme de V, en forme de 2U, en forme de 3U et en forme de U + V ; À l'aide du module GUI de MABLAT, le logiciel de conception d'optimisation de la fente d'accélérateur basé sur l'optimisation de l'essaim de particules est développé. Fang Guihua et al.16 ont étudié l'influence de différents paramètres sur la force hydrodynamique en régime permanent de la rainure d'étranglement en forme de U et ont pensé que la hauteur de la rainure d'étranglement en forme de U avait un impact plus important que la largeur.

Grâce à l'analyse, on peut savoir que dans des conditions de travail normales, l'impact de la pression dans la vanne de régulation, en particulier à la position clé de l'orifice de la vanne, se produit facilement, ce qui entraîne la déformation de l'obus de la vanne, puis conduit au phénomène de serrage entre l'obus de la vanne et le manchon de la vanne lorsqu'il se déplace. Pour résoudre ce problème, dans l'analyse concrète, le modèle structurel de la vanne de régulation est d'abord simplifié, puis un modèle mathématique est établi pour le calculer et l'étudier, les résultats de calcul et d'analyse du réservoir tampon triangulaire et du réservoir tampon en forme de U sont obtenus, puis, le réservoir tampon combiné est proposé et les paramètres du réservoir tampon combiné sont optimisés par l'algorithme de colonie d'oiseaux. Améliorant ainsi la structure originale du noyau de valve. Enfin, à travers l'analyse comparative de la simulation du couplage fluide-solide avant et après l'optimisation de la structure de l'orifice de la vanne de régulation. Il est conclu que la rainure tampon combinée peut réduire la déformation par compression du noyau de valve.

Cet article décrit une micro-vanne à débit réglable. Son mécanisme de fonctionnement appartient à la catégorie des vannes rotatives hydrauliques et sa structure est illustrée à la Fig. 1. Il est principalement composé d'un levier de changement de vitesse, d'un bloc de changement de vitesse, d'un palier de butée, d'un manchon de valve et d'un obus de valve. La vanne de régulation de micro-débit contrôle le débit en faisant tourner le levier de vitesses à travers le moteur, puis en ajustant la taille d'ouverture en faisant tourner le noyau de la vanne à travers le bloc de vitesses.

Schéma d'assemblage en deux dimensions de la micro vanne de régulation de débit.

La vanne de régulation à micro-débit contrôle le débit de sortie en ajustant la taille de l'ouverture grâce à la rotation du noyau de la vanne du moteur. Comme le montre la Fig. 2, on peut voir à partir des flèches du diagramme tridimensionnel que l'huile pénètre dans la soupape depuis l'entrée, s'écoule à travers le passage d'écoulement dans le boîtier de la soupape, puis s'écoule dans le noyau de la soupape. Lorsque le noyau de soupape tourne, l'orifice de soupape du noyau de soupape coïncide avec l'orifice de soupape du manchon de soupape, de sorte que l'huile dans le noyau de soupape s'écoule hors du manchon de soupape à partir de la position de coïncidence, puis s'écoule à travers le passage d'écoulement du boîtier de soupape et hors de la sortie d'huile. La direction globale de l'écoulement du fluide correspond à la flèche sur la figure.

Diagramme de débit d'huile de la vanne de régulation de débit micro.

Comme le montre la figure 3, le modèle tridimensionnel de la combinaison du manchon de valve et de l'obus de valve est établi à travers les dessins de pièces ci-dessus. Le principe de fonctionnement du manchon de valve est le suivant : un orifice de valve en forme de taille évasée est agencé sur la même surface annulaire du manchon de valve à des intervalles de 120 degrés, et un orifice de valve à gorge annulaire est agencé sur la surface annulaire de l'obus de valve à des intervalles de 120°, et tous les deux orifices de valve adjacents sur le manchon de valve correspondent à un orifice de valve annulaire sur l'obus de valve. Au fur et à mesure que la bobine tourne, le degré de coïncidence entre eux change.

Structure combinée du manchon de valve et du noyau de valve.

Le servomoteur entraîne la rotation du levier de changement de vitesse, de sorte que le bloc de fourchette de changement de vitesse effectue un mouvement de va-et-vient dans la rainure en arc au bas du manchon de soupape. L'angle de la rainure d'arc au bas du manchon de soupape est de 90, de sorte que l'angle de rotation maximal du noyau de soupape est de 90, comme illustré à la Fig. 4. Lorsque le noyau de soupape de travail effectue un mouvement de va-et-vient circonférentiel dans la rainure en arc, le degré de coïncidence d'ouverture du manchon de soupape et du noyau de soupape change, et la quantité d'huile peut être ajustée.

Section de travail de la vanne rotative.

En prenant la cavité scellée formée par l'obus de valve et le manchon de valve comme objet de recherche, le changement de pression dans la cavité de l'orifice de valve peut être calculé par la formule suivante :

où dp est le différentiel de pression d'huile de la cavité d'orifice de soupape de la soupape de régulation ; dV est le différentiel de volume d'huile de la cavité d'orifice de soupape de la soupape de régulation ; βe est le module d'élasticité de l'huile (MPa) ; V est le volume initial (m3) d'huile dans la cavité de l'orifice de la vanne de régulation.

En supposant que le volume initial du volume d'orifice de soupape de la soupape de régulation est V, la formule de pression est dérivée selon l'équation. (1), et l'expression est :

où : ω est la vitesse de la vanne de régulation (°/s) ; θ est l'angle du rotor (°) de la vanne de régulation.

Le volume d'huile dans le volume de l'orifice de soupape peut être représenté par \(dV/dt\), la formule du gradient de pression de l'huile dans la cavité de l'orifice de soupape de la soupape de régulation est la suivante.

La structure tridimensionnelle de la rainure tampon triangulaire peut être considérée comme un corps vertébral triangulaire, et son principe plan est le mouvement relatif du triangle et du cercle. Sa taille est contrôlée par deux paramètres : l'angle de coupe Ф et l'angle de plan α, comme le montre la Fig. 5.

Schéma de principe de la rainure de tampon triangulaire tangente à la rainure de taille du manchon de soupape.

La rainure tampon triangulaire est placée à l'extrémité de l'orifice de valve de la rainure en forme de U du noyau de valve. Premièrement, le mouvement de rotation de l'obus de valve est élargi en un mouvement plan, qui équivaut à l'angle de rotation de l'obus de valve. Après expansion, il peut être vu comme le déplacement vers le bas L de la rainure en forme de U du noyau de valve. Ensuite, le mouvement relatif de la rainure en forme de U du noyau de valve et de la rainure en forme de taille du manchon de valve est étendu en un mouvement plan, qui est simplifié en un modèle mathématique. Ensuite, le modèle géométrique est établi pour l'analyse et la solution, comme le montre la Fig. 6.

Schéma de coordonnées de l'établissement du modèle de réservoir tampon triangulaire.

Si la section transversale d'une pyramide triangulaire est toujours un triangle obtus, la relation entre l'angle de profondeur et l'angle du plan est la suivante, et la relation peut être exprimée comme suit :

Solution simultanée Eqs. (5)–(7), peuvent être résolus séparément P(xP, yP), Q(xQ, yQ). Remplacez deux points P et Q. L'équation linéaire PQ peut être obtenue comme suit :

Comme le montre la figure 7, la rainure tampon triangulaire sur le noyau de valve simplifie le modèle mathématique de la rainure tampon triangulaire. Dans cet état, le système de coordonnées rectangulaires de l'espace est établi, dans lequel le plan ∆ADC coïncide avec le plan de travail de l'orifice de valve en forme de U de l'obus de valve. Lors du processus de rotation de la rainure de taille du manchon de valve dans la rainure tampon triangulaire, où toute section transversale ∆PQM est un triangle obtus, la zone de ∆PQM est définie comme la zone d'écoulement de la rainure triangulaire.

Système de coordonnées spatiales du modèle mathématique du réservoir tampon triangulaire.

Pour un triangle dont la section transversale est maintenue obtuse, cette relation entre l'angle de profondeur et l'angle du plan est la suivante :

Ensuite, un système de coordonnées rectangulaires d'espace est établi avec le point A(a cos φ, a sin φ - rθ) comme origine des coordonnées, et la zone de surintensité ∆PQM est résolue.

L'équation peut être obtenue en substituant le point de N(xN, un sin φ − rθ) dans l'équation linéaire PQ. Supposons le point de M(xN, yN, z), comme on peut le voir sur la Fig. 7. Enfin, en combinant l'équation ci-dessus, l'expression de la fente de tampon triangulaire peut être obtenue comme suit Eq. (15).

Comme la vanne de régulation est un composant micro-hydraulique, le changement de volume de la rainure tampon triangulaire entrant ou sortant de la cavité de l'orifice de vanne de la vanne de régulation peut être obtenu selon la formule de débit de l'orifice d'étranglement :

où : Cq est le coefficient de débit ; Est la différence de pression d'entrée et de sortie de la vanne de régulation (MPa); A est la zone d'étranglement de la cavité de l'orifice de soupape ; ρ est la masse volumique de l'huile hydraulique (kg/m3).

Selon la formule ci-dessus, lorsque le volume de la rainure tampon triangulaire entrant ou sortant de la cavité de l'orifice de la vanne change dans le fonctionnement de la vanne de régulation, la cavité de l'orifice de la vanne est entourée d'un manchon de vanne et d'un noyau de vanne, et le volume d'huile dans la cavité est basé sur les équations. (15) et (16). L'équation du gradient de pression de la chambre d'étanchéité de l'orifice de soupape de la soupape de régulation sous la structure de rainure tampon triangulaire peut être obtenue :

Dans la formule, seule la zone de surintensité est une valeur variable, et le reste sont des valeurs fixes, qui peuvent être définies :

Selon l'analyse théorique ci-dessus, une simulation numérique est effectuée avec MATLAB, et les courbes de gradient de pression avec le temps sous différents angles de coupe et différents angles de plan sous une structure de rainure tampon triangulaire peuvent être obtenues par calcul, comme le montre la Fig. 8. À partir de la figure, le gradient de pression dans la cavité de l'orifice de soupape de la structure combinée du manchon de soupape et de l'obus de valve augmente progressivement avec la rotation de l'obus de valve. La figure 8a montre la courbe du gradient de pression obtenue en modifiant différents angles de coupe lorsque l'angle du plan est réglé sur une valeur fixe. Dans l'angle de coupe Ф = 63°, bien que le gradient de pression soit important, l'impact de la pression est relativement important. Lorsque le gradient de pression change considérablement et que l'impact de la pression est faible, l'angle de coupe optimal doit être sélectionné Ф = 72°. La figure 8b montre la courbe de gradient de pression obtenue en modifiant différents angles de plan lorsque l'angle de coupe est réglé sur une valeur fixe. Lorsque l'on considère la nécessité d'un certain gradient de pression et la minimisation de l'impact de la pression, l'angle du plan doit être sélectionné β ϵ (45°, 81°). Par conséquent, en considérant les résultats de la courbe de gradient de pression de manière exhaustive, on peut obtenir que la rainure tampon triangulaire a le meilleur effet de dépressurisation au niveau de la cavité de l'orifice de soupape de la soupape de régulation à l'angle de coupe Ф = 72° et à l'angle plan β ϵ (45°, 81°).

Courbe du gradient de pression du ballon tampon triangulaire en fonction du temps.

Quant au réservoir tampon en forme de U, il peut être considéré comme composé d'une section semi-cylindrique et d'une section de section transversale égale. La taille de sa structure peut être déterminée par la largeur b et la profondeur h. La rainure tampon en forme de U est disposée au niveau de l'orifice de valve en forme de U de l'obus de valve. Lorsque la rainure en forme de U est ouverte dans la section semi-cylindrique, la zone d'écoulement augmente rapidement, et lorsqu'elle passe à la section avec une section transversale égale, la zone d'écoulement reste inchangée.

Comme le montre la Fig. 9, à ce stade, nous définissons que lorsque la rainure tampon en forme de U entre juste en contact avec la rainure en forme de taille, l'angle entre le point tangent et le centre du cercle et la direction horizontale est que l'angle tangent du segment semi-cylindrique tourné est φ, la profondeur et la largeur de la rainure tampon en forme de U sont b, et un système de coordonnées rectangulaire est établi.

Schéma de coordonnées d'établissement du modèle de réservoir tampon en forme de U.

Comme le montre la Fig. 9, le système de coordonnées établi peut être obtenu :

Ces variables axe φ ∈ (0, π/2). Il peut être obtenu par le calcul de la formule ci-dessus :

Établissez le système de coordonnées rectangulaires du modèle simplifié. Soit l'équation du demi-cercle O et l'équation du demi-cercle OB :

Parmi eux, h est la profondeur de rainure de la rainure tampon en forme de U. Selon l'analyse géométrique, la zone S est principalement liée à la longueur de KT, mais elle peut être divisée en trois cas pour la ligne droite KT, comme le montre la Fig. 10.

Diagramme d'analyse théorique de la tangence entre la rainure de tampon en forme de U et la rainure de taille du manchon de valve.

Lorsque L ∈ [0, CE], comme le montre la figure 10a, on peut voir que deux demi-cercles se coupent en deux points K et T.

Lorsque L ∈ [CE, DE], comme le montre la figure 10b, on peut voir que le point K coupe le cercle, tandis que le point T coupe la droite.

Lorsque L ∈ [DE, (a + b) sin φ], comme le montre la figure 10c, on peut voir que deux points K et T se coupent par une droite.

La solution simultanée de l'équation ci-dessus peut conduire au point K(xK, yK) et T(xT, yT); en simplifiant l'analyse du modèle, on peut conclure que la zone de débordement du réservoir tampon en forme de U. La formule suivante est obtenue :

Selon le même principe, pour le gradient de pression de la cavité d'orifice de soupape, seule la section d'écoulement est une valeur variable, et le reste est une valeur fixe. Lorsque le volume de la cavité étanche de l'orifice de soupape entrant ou sortant de la rainure tampon en forme de U change, la cavité de l'orifice de soupape est composée d'un manchon de soupape et d'une structure de noyau de soupape, et le volume d'huile dans la cavité peut être déduit selon les formules (17), (18) et (39), et l'équation du gradient de pression dans la cavité de l'orifice de soupape de la soupape de régulation avec la structure de rainure tampon en forme de U peut être obtenue :

Selon l'analyse ci-dessus, le modèle mathématique est écrit par MATLAB, et la courbe de gradient de pression de la rainure tampon en forme de U avec la même profondeur et différents angles de coupe et la courbe de gradient de pression de la rainure tampon en forme de U avec le même angle de coupe et différentes profondeurs peuvent être obtenues après calcul.

Comme le montre la figure 11a, on peut voir que le gradient de pression dans la cavité de l'orifice de valve augmente progressivement avec la rotation du noyau de valve. Lorsque l'angle de coupe \({\varphi }=72^\circ\), il s'agit du meilleur angle de coupe lorsque le gradient de pression change considérablement et que l'impact de la pression est faible. Sur la figure 11b, à mesure que la profondeur h augmente progressivement, le gradient de pression augmente également progressivement. Lorsque l'on considère la nécessité d'un certain gradient de pression. Réduisez autant que possible l'impact de la pression, la profondeur h ∈ (1,5–1,7) doit être sélectionnée. Par conséquent, un examen approfondi des résultats de la courbe de gradient de pression montre que lorsque l'angle de coupe \ ({\ varphi} = 72 ^ \ circ \) et la profondeur h ∈ (1,5–1,7), la rainure tampon en forme de U a le meilleur effet de dépressurisation au niveau de l'orifice de la vanne de régulation.

Courbe du gradient de pression d'u ballon tampon en fonction du temps.

L'algorithme d'optimisation des essaims d'oiseaux est un nouvel algorithme d'optimisation heuristique biologique proposé par Xian-Bing Meng et al. 17. L'algorithme est basé sur l'intelligence de l'essaim issue du comportement social et de l'interaction sociale des oiseaux, et les oiseaux partagent des informations entre les groupes par le biais du comportement de recherche de nourriture, du comportement d'alerte et du comportement de vol dans leurs habitudes de vie18,19. L'étude de ces comportements et interactions sociaux permet d'optimiser efficacement le problème, et présente les avantages d'une convergence rapide et d'éviter de tomber dans l'optimum local20,21. Simplifiez le comportement social des oiseaux dans les règles suivantes.

Dans le processus d'alerte et de comportement de recherche de nourriture des oiseaux, chaque oiseau peut modifier arbitrairement son comportement d'alerte et son comportement de recherche de nourriture ;

Dans le processus de recherche de nourriture, afin d'obtenir la meilleure expérience de recherche de nourriture. Chaque oiseau peut enregistrer et mettre à jour des individus et des groupes.

Les oiseaux essaient de se déplacer vers le centre du groupe tout en restant vigilants. Affectés par la concurrence entre les oiseaux, les oiseaux à fortes réserves sont plus susceptibles de s'approcher du centre du troupeau que ceux à faibles réserves.

Les oiseaux passent au hasard de la production à la recherche et volent régulièrement vers un autre endroit. Le producteur est l'oiseau qui a le plus de réserves, sinon il devient demandeur. D'autres oiseaux choisiront au hasard entre le producteur et le demandeur.

Dans le processus d'oiseau à la recherche de nourriture, les oiseaux sont divisés au hasard en demandeurs et producteurs, et les demandeurs suivront les producteurs pour trouver de la nourriture.

Les comportements sous chaque règle22,23 sont énoncés : supposons qu'il y ait n oiseaux dans l'espace de dimension B. À la position au temps T, les individus recherchent de la nourriture en groupe, c'est-à-dire que la position de l'oiseau au temps T peut être exprimée par Xi(i ∈ 1, 2, … N).

Comportement de recherche de nourriture : lorsque chaque oiseau cherche de la nourriture à travers sa propre expérience différente, il peut écrire une manière mathématique selon la règle 2 :

Le changement de pression dans la cavité de l'orifice de soupape pendant la rotation de la soupape de commande est étudié. Selon l'équation du gradient de pression de la cavité scellée sous la structure de rainure de pression combinée, la pression dans la cavité de l'orifice de soupape change. Par conséquent, afin d'obtenir les paramètres du réservoir sous pression combiné avec un meilleur effet de réduction de pression dans le processus de réduction de pression, la pression dans la cavité de l'orifice de soupape de la soupape de régulation est simulée et calculée à l'aide de l'algorithme d'optimisation de l'essaim d'oiseaux avec différents angles d'enclenchement et dimensions de profondeur.

Cet article vise le modèle de gradient de pression du volume de l'orifice de la vanne de la vanne de régulation sous le réservoir combiné et optimise les paramètres du réservoir sous pression combiné selon l'organigramme de l'algorithme24,25 de l'algorithme d'optimisation de l'essaim d'oiseaux comme le montre la Fig. 12. Le processus spécifique est le suivant.

Initialisez les paramètres de base de l'algorithme d'optimisation des essaims d'oiseaux, tels que le nombre total d'oiseaux, la dimension des particules d'oiseaux, le nombre maximal d'itérations, la fréquence de vol des oiseaux, la probabilité de recherche de nourriture et d'autres paramètres, et générez la population sous diverses contraintes.

Définissez l'équation du gradient de pression de la vanne de régulation dans le processus de dépressurisation comme fonction objectif, selon la position \({x}_{i,j}^{t}\) du troupeau, marquez-la comme (Ci). Selon la fonction objective, la valeur de fitness F(x) correspondant à la position de chaque oiseau est calculée, et la valeur de fitness optimale initiale F(x1)min et bestlndex sont sélectionnées parmi les valeurs de fitness comme code correspondant à sa valeur de fitness optimale.

Selon la stratégie de mise à jour correspondant au comportement biologique des oiseaux, mettre à jour les oiseaux rand(0,1) > pi, les oiseaux choisissent d'effectuer un comportement de recherche de nourriture dans le comportement social, et mettre à jour selon la formule ; si rand(0,1) > pi, selon le type d'oiseau Eq. (48) pour effectuer le comportement d'alerte. Passez à l'étape 4 une fois l'étape 3 terminée.

Mettez à jour à nouveau la valeur de fitness individuelle du troupeau et comparez-la avec la valeur de fitness calculée au moment précédent, afin de mettre à jour la valeur de fitness optimale du troupeau de prochaine génération F(xi)min. Lorsque le nombre d'itérations i = 1 et glbol_best = F(xi)min ; Comparez les tailles de glbol_besti−1 et F(xi)min,glbol_besti = min{glbol_besti−1,F(xi)min}.

Juger si l'itération répond à la condition de fin d'itération. i = i + 1 est exécuté, et le nombre d'itérations i à cet instant est comparé au nombre maximum d'itérations tmax. Si i < tmax revenir à l'étape 3 ; sinon, l'optimisation est terminée.

Organigramme de l'algorithme d'optimisation des essaims d'oiseaux.

Généralement, la condition de fin d'itération est que l'itération dépasse le nombre limite d'itérations et que l'opération de l'algorithme se termine, sinon, l'itération continue26,27. Étant donné que la rainure tampon triangulaire et la rainure tampon en forme de U se trouvent dans une plage optimale de profondeur et d'angle de plan, et chacune a ses propres avantages, si les deux rainures sont combinées, il est nécessaire d'optimiser les paramètres. Dans cet article, l'algorithme d'essaim d'oiseaux sera utilisé pour optimiser les paramètres. L'organigramme de l'algorithme d'optimisation des essaims d'oiseaux est illustré à la Fig. 12.

Étant donné que la rainure de tampon triangulaire et la rainure de tampon en forme de U présentent certains défauts lorsqu'elles travaillent seules, nous proposons une rainure de tampon combinée avec une rainure de tampon triangulaire à l'extrémité avant de la rainure de tampon en forme de U. La rainure tampon combinée est une structure combinée complexe, qui doit être divisée en différentes étapes pour établir le modèle mathématique de la cavité de l'orifice de soupape. Les structures de deux types de rainures de tampon ont été calculées auparavant, et le modèle de cavité d'orifice de soupape de la rainure de tampon combinée est déduit sur la base de ce qui précède. Comme le montre la figure 13, à partir de l'étage de réservoir tampon triangulaire, la zone de débordement augmente progressivement et l'impact de la pression diminue.

Schéma de principe de la structure du réservoir combiné.

Après être entré dans le réservoir tampon en forme de U, la zone de débordement change régulièrement et l'impact de la pression diminue progressivement. D'un point de vue structurel, le réservoir tampon combiné a des caractéristiques de dépressurisation plus stables que le réservoir tampon triangulaire et le réservoir tampon en forme de U. La zone d'écoulement sous la structure de rainure tampon combinée peut être considérée comme la rainure de taille du manchon de soupape qui coïncide à son tour avec la rainure tampon triangulaire et la rainure tampon en U.

Étant donné que la rainure de tampon combinée est une combinaison de rainure de tampon triangulaire et de rainure de tampon en forme de U, sa surface doit être égale à celle des deux rainures de tampon, de sorte que le rapport de longueur des deux rainures de tampon est de 2:3. La superficie des deux devrait représenter respectivement 2/5 et 3/5 de la superficie totale. Grâce au calcul de l'algorithme MATLAB, l'angle de coupe optimal est de 72 en comparant la rainure de tampon triangulaire avec la rainure de tampon en forme de U. A ce moment, l'angle de plan optimal est compris entre 45 et 63, tandis que la profondeur optimale h de la rainure de tampon en forme de U doit être comprise entre 1,5 et 1,7 mm. Selon la proportion de taille du réservoir tampon triangulaire et du réservoir tampon en forme de U dans le réservoir tampon combiné, la formule de la zone de débordement du réservoir tampon combiné peut être obtenue.

Selon les formules (15) et (39)

Le gradient de pression de la cavité de l'orifice de soupape sous la structure combinée du manchon de soupape et du noyau de soupape est pris comme fonction objectif, l'angle de plan et la profondeur h sont pris comme conditions de contrainte, et le gradient de pression est pris comme fonction objectif. Définissez le nombre total sur 10, la dimension spatiale sur 1, le nombre d'itérations sur 100, la fréquence de vol sur 8, le coefficient cognitif sur 1, les paramètres a1 et a2 sur 1 et le coefficient d'évolution sociale sur 1. Les paramètres du réservoir sous pression combiné sont optimisés à l'aide de l'algorithme d'optimisation de l'essaim d'oiseaux. La fonction objectif est simulée par le logiciel MATLAB et les résultats sont présentés à la Fig. 14.

Courbe d'optimisation de la fonction objectif.

Afin d'obtenir le gradient de pression optimal du volume d'orifice de valve sous la structure combinée du manchon de valve et du noyau de valve, la fonction de fitness introduite est itérée, et la valeur minimale de la fonction de fitness est itérée. Comme le montre la figure 14, lorsque le calcul itératif atteint la 53e étape, la fonction objectif commence à converger vers - 1,94 dans l'algorithme d'essaim d'oiseaux. À ce stade, les résultats d'optimisation de l'angle de plan dans la plage de 45 à 72 et de la profondeur dans la plage de 1,5 à 1,7 mm sont également obtenus. À partir de la Fig. 15a, on peut constater que lorsque l'angle du plan est de 60, la courbe d'optimisation variable a tendance à être stable dans le processus de réduction de pression dans la cavité d'orifice de soupape sous la structure de rainure tampon combinée, et la valeur optimale de l'effet de réduction de pression est obtenue ; D'après la figure 15b, on constate que lorsque la profondeur tend vers 1,65 mm, la courbe est progressivement stable, et la meilleure valeur de l'effet de dépressurisation est obtenue. On peut voir que lorsque l'angle de plan de la rainure tampon combinée est de 60 et que la profondeur est de 1,65 mm, l'effet de réduction de pression est le meilleur.

Courbe itérative d'angle de profondeur et d'optimisation de la profondeur.

Le but de l'optimisation est de réduire la concentration de contraintes au niveau de l'encoche en forme de U de la structure combinée du manchon de valve et du noyau de valve tout en assurant le fonctionnement normal de la valve de régulation. Par rapport à l'optimisation à objectif unique de la fente de tampon triangulaire et de la fente de tampon en forme de U, l'optimisation multi-objectifs de l'algorithme d'essaim d'oiseaux est plus susceptible d'obtenir une meilleure solution, et l'influence des variables de conception sur la fonction objectif est plus claire28,29. Grâce à la comparaison de simulation de couplage fluide-solide des structures combinées du manchon de valve et du noyau de valve de la rainure de tampon triangulaire non rainurée, de la rainure de tampon en forme de U et de la rainure de tampon combinée, les avantages de la rainure de tampon combinée optimale sont analysés et comparés.

À condition d'assurer la précision du calcul numérique, en tenant compte de la structure de surface incurvée complexe de la vanne de régulation, des grilles tétraédriques non structurées sont adoptées pour la vanne de régulation. Ainsi, selon le test d'indépendance de la grille, le nombre de grilles générées par le fluide dans la structure combinée du manchon de la vanne et du noyau de la vanne est de 1,18 million, ce qui peut pleinement garantir l'exactitude des résultats du calcul numérique et définir la couche d'expansion pour le liquide dans le corps de la vanne, comme illustré à la Fig. 16.

Grilles fluides internes de la vanne de régulation.

Les propriétés du matériau fluide sont présentées dans le tableau 1, et son interface avec le solide est proche du modèle réel afin de rendre la simulation fluide ultérieure plus réaliste. De plus, l'effet de couplage de la structure combinée du manchon de soupape et de l'obus de soupape ne se produit qu'à l'intersection du fluide et du solide. Habituellement, la formule de mouvement de Lagrange est utilisée pour simuler le comportement du milieu solide (mouvement des particules) et la formule d'Euler est utilisée pour simuler l'écoulement du fluide (le comportement du fluide dans une position spécifique dans l'espace). Dans la simulation du couplage fluide-solide de la vanne de régulation, compte tenu de l'effet de couplage fluide-solide, toute formule de Lagrange Euler (ALE) peut être utilisée pour décrire l'interaction entre fluide et milieu solide ou fluide et surface libre30,31. La méthode ALE est utilisée pour traiter le couplage fluide-solide de la structure combinée du manchon de soupape et du noyau de soupape. Dans "Reference Frame", le solide est défini comme lagrangien et le liquide est défini comme eulérien. Le modèle géométrique et la grille du corps de vanne et du fluide peuvent se chevaucher, et les paramètres associés de la vanne de régulation sont indiqués dans le tableau 2, qui peuvent être transmis à l'unité de fluide, couplant ainsi le corps de vanne et le fluide ensemble. Effectuez des réglages de contact pour chaque partie du modèle, dans lequel la surface de contact entre le manchon de valve et le liquide dans le noyau de valve est définie pour être collée ; il y a un espace entre le noyau de la valve et le manchon de la valve, et le contact est sans frottement.

La structure statique (ANSYS) est utilisée pour analyser la structure combinée de l'obus de valve et du manchon de valve32,33. Grâce aux résultats de l'analyse statique ci-dessous, la structure interne de la vanne de régulation est encore optimisée et améliorée.

Effectuez une analyse de simulation statique sur le noyau de la vanne et le manchon de la vanne à l'intérieur de la vanne de régulation, et obtenez la carte de nuage de déformation totale correspondante, comme indiqué sur les Fig. 17, 18, 19 et 20. On peut voir sur la figure que la déformation maximale se produit près de l'orifice de valve de l'obus de valve. Avec la rotation du noyau de valve, en comparant la déformation maximale avant et après la conception optimisée, on peut conclure que la rainure tampon combinée a un effet de dépressurisation remarquable, suivie par la rainure tampon triangulaire et la rainure tampon en forme de U. À partir de là, on peut en conclure que l'ouverture de la rainure tampon peut améliorer l'occurrence du collage causé par la déformation du noyau de valve interne et du manchon de valve de la soupape de régulation, et l'effet de combiner la rainure tampon est le meilleur.

Diagrammes de déformation du manchon de valve et de l'obus de valve avant la mise en œuvre de la rainure tampon.

Diagramme de déformation du manchon de valve et du noyau de valve de la rainure de tampon triangulaire.

Diagramme de déformation du manchon de soupape et de l'obus de soupape sous le réservoir tampon en forme de U.

Diagramme de déformation du manchon de vanne et de l'obus de vanne sous réservoir tampon combiné.

Grâce au diagramme de déformation obtenu par simulation de couplage fluide-solide sous la structure d'une rainure tampon triangulaire non rainurée, d'une rainure tampon en forme de U et d'une rainure tampon combinée, on peut voir que la structure de la rainure tampon sur l'orifice de valve du noyau de valve peut réduire la concentration de contraintes causée par l'impact de la pression. Selon la figure 21, dans les mêmes conditions de travail, la déformation globale de la vanne de régulation est de l'ordre de la rainure tampon combinée < rainure tampon triangulaire < rainure tampon en forme de U < rainure tampon non ouverte, ce qui montre que l'ouverture de la rainure tampon peut réduire efficacement la déformation de la structure combinée du manchon de soupape et du noyau de soupape de la soupape de régulation, et la réduction de la rainure tampon combinée est la plus évidente.

Déformation du manchon de vanne et du tiroir dans chaque fente de tampon.

Visant le phénomène selon lequel le noyau de valve de la valve de régulation de micro-débit est déformé en raison de l'impact de la pression, et le manchon de valve est bloqué en mouvement, et pour résoudre le problème selon lequel le couple nécessaire pour entraîner le noyau de valve à tourner est important, une rainure tampon est ouverte au niveau de l'orifice de valve du noyau de valve. Dans cet article, la structure du réservoir tampon est optimisée, ses paramètres sont optimisés et la structure améliorée est comparée par simulation de couplage fluide-solide. Les conclusions sont les suivantes.

Des modèles mathématiques de manchon de valve et de noyau de valve de rainures tampons triangulaires et en forme de U sont établis respectivement, et leurs courbes de gradient de pression sont obtenues par calcul de simulation MATLAB. Grâce à l'analyse, il est conclu que si la rainure de tampon triangulaire optimale et les paramètres structurels optimaux de la rainure de tampon en forme de U doivent être pris simultanément, l'angle de coupe doit être de 72, l'angle du plan doit être compris entre 45 et 72 et la profondeur doit être de 1,5 à 1,7 mm, et l'effet de réduction de pression peut être obtenu à ce moment.

En étudiant la structure du tampon triangulaire et de la rainure de tampon en forme de U, une structure de rainure de tampon combinée est conçue pour combiner les avantages des deux. Par conséquent, en prenant l'angle de profondeur et la profondeur comme contraintes, le gradient de pression de la cavité d'orifice de soupape sous la structure de rainure tampon combinée est pris comme fonction objectif. Grâce à l'algorithme d'optimisation des essaims d'oiseaux (BSA), on constate que l'effet de réduction de pression du réservoir tampon combiné est le meilleur lorsque l'angle du plan est de 60 et la profondeur est de 1,65 mm. À ce moment, les paramètres structurels sont les valeurs optimales de l'angle de profondeur et de la profondeur du réservoir tampon combiné.

Grâce à l'analyse du couplage fluide-solide de la structure combinée du manchon de valve et du noyau de valve avant et après l'optimisation, il est conclu que l'ouverture de la rainure de tampon peut améliorer efficacement la déformation du noyau de valve et par rapport à la rainure de tampon en forme de U et à la rainure de tampon triangulaire, la rainure de tampon combinée peut améliorer efficacement la déformation de la structure combinée du manchon de valve et du noyau de valve.

Par conséquent, la structure et les paramètres excellents du réservoir tampon combiné sont obtenus, et l'impact de la pression de la vanne de régulation à la position clé de l'orifice de la vanne est réduit au mieux, ce qui fournit une solution efficace pour résoudre le problème du verrouillage de la vanne de régulation lors du travail.

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés dans cette étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Guodong Qu, Jianying Li, Chen Peng et Qi Guo

Key Laboratory of Advanced Manufacturing and Intelligent Technology, Ministry of Education, Harbin, 150080, Chine

Jianying Li

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JL et GQ ont rédigé le texte principal du manuscrit, préparé des chiffres et des tableaux. Tous les auteurs ont examiné le manuscrit.

Correspondance à Jianying Li.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Qu, G., Li, J., Peng, C. et al. Amélioration de la structure et optimisation des paramètres de la micro vanne de régulation de débit. Sci Rep 13, 6850 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-30955-8

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Reçu : 27 décembre 2022

Accepté : 03 mars 2023

Publié: 26 avril 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-30955-8

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