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Mejora de la estructura y optimización de parámetros de la válvula de control de microflujo
Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 6850 (2023) Citar este artículo
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Detalles de métricas
Apuntando al fenómeno de pegado entre el núcleo de la válvula y el manguito de la válvula cuando el núcleo de la válvula se mueve, y para resolver el problema de que el par requerido para hacer girar el núcleo de la válvula es grande, el análisis de simulación de acoplamiento fluido-sólido del núcleo de la válvula es llevado a cabo en este estudio, y luego se mejora la estructura del núcleo de la válvula del núcleo de la válvula y sus parámetros se optimizan en función del algoritmo de colonia de aves. Se estudia la estructura combinada del manguito de la válvula y el núcleo de la válvula, y Ansys WorkBench establece el modelo de acoplamiento fluido-sólido, y se realiza el análisis de simulación de estructura estática del manguito de la válvula y el núcleo de la válvula antes y después de la mejora estructural y la optimización de parámetros. Se establecen los modelos matemáticos del tanque de compensación triangular, el tanque de compensación en forma de U y el tanque de compensación combinado, y los parámetros estructurales del tanque de compensación combinado se optimizan mediante la optimización del enjambre de aves. Los resultados demuestran que el tanque de compensación triangular tiene un buen efecto de despresurización pero un gran impacto, la presión del tanque de compensación en forma de U es estable y suave, pero el efecto de despresurización no es ideal, mientras que el tanque de compensación combinado tiene un efecto de despresurización evidente y buena estabilidad. Al mismo tiempo, los parámetros estructurales óptimos del tanque de compensación combinado son un ángulo de corte de 72, un ángulo plano de 60 y una profundidad de 1,65 mm. Se obtienen la excelente estructura y los parámetros de la ranura del amortiguador combinado, de modo que el amortiguador de presión de la válvula reguladora en la posición clave del puerto de la válvula logra el mejor efecto, y se proporciona una solución efectiva para resolver el problema de adherencia del núcleo de la válvula. de la válvula reguladora cuando se trabaja.
En la actualidad, la válvula de control hidráulica micro pequeña se usa cada vez más en Chin. Investigadores y fabricantes nacionales y extranjeros han realizado una gran cantidad de exploraciones sobre su teoría, estructura y parámetros1,2. El regulador controla el fluido e impulsa la carga cambiando la apertura del puerto de la válvula. Su capacidad de regulación es de gran importancia para el funcionamiento seguro y eficiente del sistema hidráulico3. El carrete y el manguito de la válvula son extremadamente importantes para la estructura del par de trabajo y los parámetros de la capacidad de trabajo de la válvula de control. Luo Yuxuan et al.4 analizaron y resumieron las causas del stock spool en aplicaciones de ingeniería de válvulas. Los motivos por los que se atasca la bobina se dividen en: motivos mecánicos causados por precisión de mecanizado o error de montaje; Razones hidráulicas causadas por el momento desequilibrado de la acción del fluido sobre el carrete; Causas térmicas provocadas por el calentamiento viscoso del fluido en condiciones de alta presión y causas de contaminación provocadas por la retención de partículas en el juego de ajuste de la válvula. Teniendo como objetivo el fenómeno de atascamiento del carrete de válvula direccional proporcional electrohidráulica 2D, Liu Guowen et al.5 analizaron sistemáticamente la fuerza de sujeción radial del carrete 2D con o sin excentricidad. El software MATLAB se utiliza para calcular la relación entre la fuerza de sujeción radial del carrete 2D, la excentricidad y el ángulo entre los orificios de alta y baja presión. Dependiendo de las características de la válvula 2D, se proponen las medidas de mejora del carrete de la válvula direccional proporcional electrohidráulica 2D. El campo de flujo en la superficie del núcleo de la válvula se simula mediante CFD utilizando el software Fluent. Se compara el vector de velocidad y la distribución de presión antes y después de la mejora, y se verifica la corrección de las medidas mejoradas. Pei Xiang et al.6 compararon varios fenómenos de sujeción de la válvula rotativa y el carrete de la válvula deslizante. La fuerza de desequilibrio radial de la válvula rotativa se analiza teóricamente y se proponen algunas medidas concretas para reducir el fenómeno de sujeción de la válvula rotativa. Proporcionar alguna ayuda para el diseño y la aplicación de una válvula rotativa en el futuro. Sun Zegang et al.7,8. Estudió la influencia de las estructuras de ranuras de estrangulación en forma de U y en forma de V en el rendimiento de cavitación de la válvula. Al mejorar la estructura de la ranura de estrangulamiento optimizada por un algoritmo genético, el rendimiento anticavitación de la válvula puede mejorarse obviamente. Li Weijia et al.9 estudiaron las características de flujo de apertura de la válvula de la válvula deslizante con ranuras de estrangulación de base en forma de U, en forma de U oblicua y en forma de V únicas en forma de U bajo la condición de diferencia de presión constante. Usando el algoritmo de optimización de enjambre de partículas, el Se obtiene el tamaño óptimo de la ranura del acelerador, que cumple con los requisitos de las características de flujo de apertura de la válvula bajo la condición de diferencia de presión constante. Cao Jia Hao et al.10 diseñaron un nuevo tipo de estructura limitadora con ranura amortiguadora, que debilitó la rigidez estructural y mejoró la disipación de amortiguación de la energía del impacto. A través del software ANSYS, se lleva a cabo el análisis de optimización iterativa de parámetros de la estructura del búfer de límite original para encontrar una combinación de parámetros de estructura razonable. Luego, el software LS-DYNA considera el rendimiento dinámico transitorio de la estructura basado en el método de dominio del tiempo, y se compara el efecto de amortiguación de las estructuras limitantes de tipo tradicional y nuevo. Wu Weidong et al.11 con el objetivo de resolver los problemas del rango de ajuste de flujo pequeño y la respuesta lenta de la ranura de estrangulación en forma de U de cierto tipo de válvula sensible a la carga, se diseñó una ranura de estrangulación en forma de Ω analizando la relación funcional entre la apertura de la válvula y área de flujo. El algoritmo de optimización de enjambre de partículas (PSO) se utiliza para optimizar sus parámetros organizativos con la ganancia de flujo como objetivo. Zhang Zhandong et al.12 propusieron un método de cálculo para agregar una ranura del acelerador en forma de K en el hombro del orificio de flujo radial del carrete principal de la válvula de inversión y obtener el área de flujo equivalente de la ranura del acelerador en forma de K, con el objetivo en la situación en que el puerto de la válvula de inversión del soporte hidráulico de la mina de carbón tiene un gran gradiente de área de flujo, que solo puede realizar la función de control de encendido y apagado, y la acumulación de presión es repentina, lo que es fácil de inducir la presión impacto del sistema de suministro de aceite de apoyo. Se puede realizar el propósito de regular y controlar activamente ese gradiente de área de flujo del puerto de la válvula. Zhang Liqiang et al.13 abordaron el problema del impacto de la presión en el puerto de la válvula causado por un flujo interno excesivo de una válvula de corredera. Después de analizar la influencia de los parámetros de la estructura de la ranura del acelerador en sus características de flujo. El algoritmo de optimización genética se utiliza para obtener el conjunto de soluciones de Parato de la ranura de estrangulamiento en forma de U que cumple con las características de respuesta rápida del flujo y el rendimiento del impacto de la presión. Los resultados de la optimización se verifican seleccionando parámetros específicos de la estructura de la ranura del acelerador. Li Ping14 presentó un esquema mejorado de un nuevo tipo de tanque de estrangulamiento (tanque combinado U-V), el algoritmo de optimización de enjambre de partículas se utiliza para optimizar la estructura de la ranura del estrangulador, se obtienen los parámetros estructurales óptimos. Bajo la misma apertura de la válvula, el área de flujo de la nueva ranura del acelerador es mayor que la del valor original (ranura en forma de U). Cuando la válvula multicanal alcanza el caudal nominal, la apertura de la nueva válvula disminuye y el rango de ajuste del caudal aumenta. Yi Sheng et al.15 llevaron a cabo una investigación de simulación sobre las características de flujo de apertura de seis tipos de ranuras de estrangulamiento: en forma de U simple, en forma de U oblicua, en forma de V, en forma de 2U, en forma de 3U y en forma de U + V ; Usando el módulo GUI en MABLAT, se desarrolla el software de diseño de optimización de la ranura del acelerador basado en la optimización del enjambre de partículas. Fang Guihua et al.16 estudiaron la influencia de diferentes parámetros en la fuerza hidrodinámica de estado estacionario del surco de estrangulamiento en forma de U y pensaron que la altura del surco de estrangulamiento en forma de U tenía un impacto mayor que el ancho.
A través del análisis, se puede saber que, en condiciones normales de trabajo, el impacto de presión en la válvula reguladora, especialmente en la posición clave del puerto de la válvula, es fácil de producir, lo que conduce a la deformación del núcleo de la válvula y luego conduce a el fenómeno de sujeción entre el núcleo de la válvula y el manguito de la válvula cuando se mueve. Para resolver este problema, en el análisis concreto, primero se simplifica el modelo estructural de la válvula reguladora, luego se establece un modelo matemático para calcularlo y estudiarlo, se obtienen los resultados del cálculo y análisis del tanque de compensación triangular y el tanque de compensación en forma de U. Luego, se propone el tanque de compensación combinado y los parámetros del tanque de compensación combinado se optimizan mediante el algoritmo de colonia de aves. Mejorando así la estructura original del núcleo de la válvula. Finalmente, a través del análisis comparativo de la simulación del acoplamiento fluido-sólido antes y después de la optimización de la estructura del puerto de la válvula de regulación. Se concluye que la ranura amortiguadora combinada puede reducir la deformación por compresión del núcleo de la válvula.
Este artículo describe una válvula de microcontrol con caudal ajustable. Su mecanismo de trabajo pertenece a la categoría de válvula rotativa hidráulica, y su estructura se muestra en la Fig. 1. Se compone principalmente de palanca de cambio, bloque de cambio, cojinete de empuje, manguito de válvula y núcleo de válvula. La válvula reguladora de microflujo controla la tasa de flujo haciendo girar la palanca de cambios para que gire a través del motor y luego ajustando el tamaño de apertura girando el núcleo de la válvula a través del bloque de cambios.
Plano de montaje bidimensional de válvula reguladora de microflujo.
La válvula reguladora de microflujo controla el flujo de salida ajustando el tamaño de apertura a través de la rotación del núcleo de la válvula del motor. Como se muestra en la Fig. 2, se puede ver a partir de las flechas en el diagrama tridimensional que el aceite ingresa a la válvula desde la entrada, fluye a través del paso de flujo en la carcasa de la válvula y luego fluye hacia el núcleo de la válvula. Cuando el núcleo de la válvula gira, el puerto de la válvula del núcleo de la válvula coincide con el puerto de la válvula del manguito de la válvula, de modo que el aceite en el núcleo de la válvula sale del manguito de la válvula desde la posición de coincidencia y luego fluye a través del flujo del alojamiento de la válvula. paso y fuera de la salida de aceite. La dirección general del flujo de fluido es consistente con la flecha en la figura.
Diagrama de flujo de aceite de la válvula de control de micro flujo.
Como se muestra en la Fig. 3, el modelo tridimensional de la combinación de manguito de válvula y núcleo de válvula se establece a través de los dibujos de piezas anteriores. El principio de funcionamiento del manguito de válvula es el siguiente: un puerto de válvula con forma de cintura abierta está dispuesto en la misma superficie anular del manguito de válvula a intervalos de 120 grados, y un puerto de válvula de ranura anular está dispuesto en la superficie anular de la válvula núcleo a intervalos de 120°, y cada dos puertos de válvula adyacentes en el manguito de la válvula corresponden a un puerto de válvula anular en el núcleo de la válvula. A medida que gira el carrete, el grado de coincidencia entre ellos cambiará.
Estructura combinada de manguito de válvula y núcleo de válvula.
El servomotor impulsa la palanca de cambios para que gire, de modo que el bloque de la horquilla de cambios se mueve alternativamente en la ranura del arco en la parte inferior del manguito de la válvula. El ángulo de la ranura del arco en la parte inferior del manguito de la válvula es de 90, por lo que el ángulo máximo de rotación del núcleo de la válvula es de 90, como se muestra en la Fig. 4. Cuando el núcleo de la válvula de trabajo se mueve alternativamente circunferencialmente en la ranura del arco, la coincidencia de apertura El grado de la manga de la válvula y el núcleo de la válvula cambiarán, y la cantidad de aceite se puede ajustar.
Sección de trabajo de la válvula rotativa.
Tomando la cavidad sellada formada por el núcleo de la válvula y el manguito de la válvula como objeto de investigación, el cambio de presión en la cavidad del puerto de la válvula se puede calcular mediante la siguiente fórmula:
donde dp es el diferencial de presión de aceite de la cavidad del puerto de la válvula de la válvula reguladora; dV es el diferencial de volumen de aceite de la cavidad del puerto de la válvula de la válvula reguladora; βe es el módulo de elasticidad del aceite (MPa); V es el volumen inicial (m3) de aceite en la cavidad del orificio de la válvula reguladora.
Suponiendo que el volumen inicial del volumen del puerto de la válvula de regulación es V, la fórmula de presión se deriva de acuerdo con la ecuación. (1), y la expresión es:
donde: ω es la velocidad de la válvula reguladora (°/s); θ es el ángulo del rotor (°) de la válvula reguladora.
El volumen de aceite en el volumen del puerto de la válvula se puede representar por \(dV/dt\), la fórmula del gradiente de presión del aceite en la cavidad del puerto de la válvula de la válvula reguladora es la siguiente.
La estructura tridimensional de la ranura de amortiguación triangular se puede considerar como un cuerpo vertebral triangular, y su principio plano es el movimiento relativo del triángulo y el círculo. Su tamaño está controlado por dos parámetros: ángulo de corte Ф y ángulo plano α, como se muestra en la Fig. 5.
Diagrama esquemático de la ranura del tope triangular tangente a la ranura de la cintura del manguito de la válvula.
La ranura de amortiguación triangular se coloca al final del puerto de la válvula de la ranura en forma de U del núcleo de la válvula. En primer lugar, el movimiento rotatorio del núcleo de la válvula se expande en un movimiento plano, que es equivalente al ángulo de rotación del núcleo de la válvula. Después de la expansión, puede verse como el desplazamiento hacia abajo L de la ranura en forma de U del núcleo de la válvula. Luego, el movimiento relativo de la ranura en forma de U del núcleo de la válvula y la ranura en forma de cintura del manguito de la válvula se expande en un movimiento plano, que se simplifica en un modelo matemático. Luego, se establece el modelo geométrico para su análisis y solución, como se muestra en la Fig. 6.
Diagrama de coordenadas del establecimiento del modelo de tanque de compensación triangular.
Si la sección transversal de una pirámide triangular es siempre un triángulo obtuso, la relación entre el ángulo de profundidad y el ángulo plano es la siguiente, y la relación se puede expresar como:
Solución simultánea Ecs. (5)–(7),puede resolverse por separado P(xP, yP), Q(xQ, yQ). Sustituya dos puntos P y Q. La ecuación lineal PQ se puede obtener de la siguiente manera:
Como se muestra en la Fig. 7, la ranura de amortiguación triangular en el núcleo de la válvula simplifica el modelo matemático de la ranura de amortiguación triangular. En este estado, se establece el sistema de coordenadas rectangulares del espacio, en el que el plano ∆ADC coincide con el plano de trabajo del puerto de la válvula en forma de U del núcleo de la válvula, en el proceso de convertir la ranura de la cintura del manguito de la válvula en triangular ranura intermedia, donde cualquier sección transversal ∆PQM es un triángulo obtuso, el área de ∆PQM se define como el área de flujo de la ranura triangular.
Sistema de coordenadas espaciales del modelo matemático del depósito de inercia triangular.
Para un triángulo cuya sección transversal se mantiene obtusa, la relación entre el ángulo de profundidad y el ángulo plano es la siguiente:
Luego, se establece un sistema de coordenadas rectangulares en el espacio con el punto de A (a cos φ, a sen φ − rθ) como origen de coordenadas, y se resuelve el área de sobrecorriente ∆PQM.
La ecuación se puede obtener sustituyendo el punto de N(xN, a sen φ − rθ) en la ecuación lineal PQ. Supongamos el punto de M(xN, yN, z), como se puede ver en la Fig. 7. Finalmente, al combinar la ecuación anterior, la expresión de la ranura de búfer triangular se puede obtener de la siguiente manera: Eq. (15).
Como la válvula reguladora es un componente microhidráulico, el cambio de volumen de la ranura de amortiguación triangular que entra o sale de la cavidad del puerto de la válvula reguladora se puede obtener de acuerdo con la fórmula de flujo del orificio del acelerador:
donde: Cq es el coeficiente de caudal; Es la diferencia de presión de entrada y salida de la válvula reguladora (MPa); A es el área de estrangulamiento de la cavidad del puerto de la válvula; ρ es la densidad del aceite hidráulico (kg/m3).
De acuerdo con la fórmula anterior, cuando el volumen de la ranura de amortiguación triangular que entra o sale de la cavidad del puerto de la válvula cambia al funcionamiento de la válvula reguladora, la cavidad del puerto de la válvula está rodeada por un manguito de válvula y un núcleo de válvula, y el volumen de aceite en la cavidad se basa en las ecuaciones. (15) y (16). La ecuación del gradiente de presión de la cámara de sellado del puerto de la válvula de la válvula reguladora debajo de la estructura de ranura de amortiguación triangular se puede obtener:
En la fórmula, solo el área de sobrecorriente es un valor variable, y el resto son valores fijos, que se pueden configurar:
De acuerdo con el análisis teórico anterior, la simulación numérica se lleva a cabo con MATLAB, y las curvas de gradiente de presión con el tiempo bajo diferentes ángulos de corte y diferentes ángulos de plano bajo la estructura de ranura de amortiguación triangular se pueden obtener mediante cálculo, como se muestra en la Fig. 8. A partir de En la figura, el gradiente de presión en la cavidad del puerto de la válvula de la estructura combinada del manguito de la válvula y el núcleo de la válvula aumenta gradualmente con la rotación del núcleo de la válvula. La figura 8a muestra la curva de gradiente de presión obtenida al cambiar diferentes ángulos de corte cuando el ángulo del plano se establece en un valor fijo. En el ángulo de corte Ф = 63°, aunque el gradiente de presión es grande, el impacto de la presión es relativamente grande. Cuando el gradiente de presión cambia mucho y el impacto de la presión es pequeño, se debe seleccionar el ángulo de corte óptimo Ф = 72°. La figura 8b muestra la curva de gradiente de presión obtenida al cambiar diferentes ángulos de plano cuando el ángulo de corte se establece en un valor fijo. Al considerar la necesidad de un determinado gradiente de presión y minimizar el impacto de la presión, se debe seleccionar el ángulo del plano β ϵ (45°, 81°). Por lo tanto, considerando los resultados de la curva de gradiente de presión de manera integral, se puede obtener que la ranura amortiguadora triangular tiene el mejor efecto de despresurización en la cavidad del puerto de la válvula de la válvula reguladora en el ángulo de corte Ф = 72° y el ángulo plano β ϵ (45°, 81°).
Curva del gradiente de presión del tanque de compensación triangular con el tiempo.
En cuanto al tanque de inercia en forma de U, se puede considerar que consta de una sección semicilíndrica y una sección de área transversal igual. El tamaño de su estructura puede determinarse por el ancho b y la profundidad h. la ranura está dispuesta en el puerto de la válvula en forma de U del núcleo de la válvula. Cuando se abre la ranura en forma de U en la sección semicilíndrica, el área de flujo aumenta rápidamente y cuando pasa a la sección con igual área de sección transversal, el área de flujo permanece sin cambios.
Como se muestra en la Fig. 9, en este momento, definimos que cuando la ranura de amortiguación en forma de U entra en contacto con la ranura en forma de cintura, el ángulo entre el punto tangente y el centro del círculo y la dirección horizontal es que el ángulo tangente del segmento semicilíndrico girado es φ, la profundidad y el ancho de la ranura de amortiguación en forma de U son b, y se establece un sistema de coordenadas rectangulares.
Diagrama de coordenadas de establecimiento del modelo de tanque de compensación en forma de U.
Como se muestra en la Fig. 9, el sistema de coordenadas establecido se puede obtener:
Estas variables eje φ ∈ (0, π/2). Se puede obtener mediante el cálculo de la fórmula anterior:
Establezca el sistema de coordenadas rectangulares del modelo simplificado. Sea la ecuación del semicírculo O y la ecuación del semicírculo OB:
Entre ellos, h es la profundidad de la ranura de la ranura intermedia en forma de U. Según el análisis geométrico, el área S está principalmente relacionada con la longitud de KT, pero se puede dividir en tres casos para la línea recta KT, como se muestra en la Fig. 10.
Diagrama de análisis teórico de la tangencia entre la ranura del tope en forma de U y la ranura de la cintura del manguito de la válvula.
Cuando L ∈ [0, CE], como se muestra en la Fig. 10a, se puede ver que dos semicírculos se cortan en dos puntos K y T.
Cuando L ∈ [CE, DE], como se muestra en la Fig. 10b, se puede ver que el punto K interseca al círculo, mientras que el punto T interseca a la línea recta.
Cuando L ∈ [DE, (a + b) sen φ], como se muestra en la Fig. 10c, se puede ver que dos puntos K y T se intersecan con una línea recta.
La solución simultánea de la ecuación anterior puede conducir al punto K(xK, yK) y T(xT, yT); mediante la simplificación del análisis del modelo, se puede concluir que el área de desbordamiento del tanque de compensación en forma de U. Se obtiene la siguiente fórmula:
De acuerdo con el mismo principio, para el gradiente de presión de la cavidad del puerto de la válvula, solo el área de flujo es un valor variable y el resto es un valor fijo. Cuando cambia el volumen de la cavidad sellada del puerto de la válvula que entra o sale de la ranura de amortiguación en forma de U, la cavidad del puerto de la válvula se compone de un manguito de válvula y una estructura de núcleo de válvula, y el volumen de aceite en la cavidad se puede deducir de acuerdo con Se pueden obtener las fórmulas (17), (18) y (39), y la ecuación del gradiente de presión en la cavidad del puerto de la válvula de la válvula reguladora con la estructura de ranura de tope en forma de U:
De acuerdo con el análisis anterior, el modelo matemático está escrito por MATLAB, y la curva de gradiente de presión de la ranura de amortiguación en forma de U con la misma profundidad y diferentes ángulos de corte y la curva de gradiente de presión de la ranura de amortiguación en forma de U con el mismo ángulo de corte y se pueden obtener diferentes profundidades después del cálculo.
Como se muestra en la Fig. 11a, se puede ver que el gradiente de presión en la cavidad del puerto de la válvula aumenta gradualmente con la rotación del núcleo de la válvula. Cuando el ángulo de corte \({\varphi}=72^\circ\), es el mejor ángulo de corte cuando el gradiente de presión cambia mucho y el impacto de la presión es pequeño. En la Fig. 11b, a medida que aumenta gradualmente la profundidad h, el gradiente de presión también aumenta gradualmente. Al considerar la necesidad de un cierto gradiente de presión. Reduzca el impacto de la presión tanto como sea posible, se debe seleccionar la profundidad h ∈ (1.5–1.7). Por lo tanto, una consideración integral de los resultados de la curva de gradiente de presión muestra que cuando el ángulo de corte \({\varphi }=72^\circ\) y la profundidad h ∈ (1.5–1.7), la ranura de amortiguación en forma de U tiene la mejor despresurización efecto en el puerto de la válvula de la válvula reguladora.
Curva de gradiente de presión del tanque de compensación u con el tiempo.
El algoritmo de optimización de enjambre de aves es un nuevo algoritmo de optimización heurística biológica propuesto por Xian-Bing Meng et al. 17. El algoritmo se basa en la inteligencia de enjambre desarrollada a partir del comportamiento social y la interacción social de las aves, y las aves comparten información entre grupos a través del comportamiento de búsqueda de alimento, el comportamiento de alerta y el comportamiento de vuelo en sus hábitos de vida18,19. El estudio de estos comportamientos e interacciones sociales puede optimizar efectivamente el problema y tiene las ventajas de una rápida convergencia y evita caer en óptimos locales20,21. Simplifique el comportamiento social de las aves en las siguientes reglas.
En el proceso de comportamiento de alerta y alimentación de las aves, cada ave puede cambiar arbitrariamente su comportamiento de alerta y comportamiento de alimentación;
En el proceso de búsqueda de alimento, para obtener la mejor experiencia de encontrar comida. Cada ave puede registrar y actualizar individuos y grupos.
Las aves intentan moverse hacia el centro del grupo mientras se mantienen alerta. Afectadas por la competencia entre las aves, es más probable que las aves con altas reservas se acerquen al centro de la parvada que aquellas con bajas reservas.
Las aves alternan aleatoriamente entre producción y búsqueda, y vuelan regularmente a otro lugar. El productor es el ave con las reservas más altas, de lo contrario se convierte en un solicitante. Otras aves elegirán aleatoriamente entre el productor y el solicitante.
En el proceso de búsqueda de alimento por parte de las aves, las aves se dividen aleatoriamente en solicitantes y productores, y los solicitantes seguirán a los productores para encontrar alimento.
Se establecen comportamientos bajo cada regla22,23: supongamos que hay n pájaros en el espacio B-dimensional. En la posición en el tiempo T, los individuos buscan comida en grupos, es decir, la posición del ave en el tiempo T se puede expresar como Xi(i ∈ 1, 2, … N).
Comportamiento de forrajeo: cuando cada ave busca comida a través de su propia experiencia diferente, puede escribir una forma matemática de acuerdo con la regla 2:
Se estudia el cambio de presión en la cavidad del puerto de la válvula durante la rotación de la válvula de control. De acuerdo con la ecuación del gradiente de presión de la cavidad sellada bajo la estructura de ranura de presión combinada, la presión en la cavidad del puerto de la válvula cambia. Por lo tanto, para obtener los parámetros del tanque de presión combinado con un mejor efecto de reducción de presión en el proceso de reducción de presión, la presión en la cavidad del puerto de la válvula de la válvula reguladora se simula y calcula utilizando el algoritmo de optimización de enjambre de aves con diferentes cortes. -en ángulos y dimensiones de profundidad.
Este documento tiene como objetivo el modelo de gradiente de presión del volumen del puerto de la válvula de la válvula reguladora debajo del tanque combinado, y optimiza los parámetros del tanque de presión combinado de acuerdo con el diagrama de flujo del algoritmo24,25 del algoritmo de optimización de enjambre de aves como se muestra en Fig. 12. El proceso específico es el siguiente.
Inicialice los parámetros básicos del algoritmo de optimización del enjambre de aves, como el número total de aves, la dimensión de las partículas de las aves, el número máximo de iteraciones, la frecuencia de vuelo de las aves, la probabilidad de forrajeo y otros parámetros, y genere la población bajo varios restricciones
Establezca como función objetivo la ecuación del gradiente de presión de la válvula reguladora en el proceso de despresurización. De acuerdo con la posición \({x}_{i,j}^{t}\) del rebaño, márquelo como (Ci). De acuerdo con la función objetivo, se calcula el valor de aptitud F(x) correspondiente a la posición de cada ave, y el valor de aptitud óptimo inicial F(x1)min y bestlndex se seleccionan de los valores de aptitud como el código correspondiente a su aptitud óptima valor.
De acuerdo con la estrategia de actualización correspondiente al comportamiento biológico de las aves, actualice las aves rand (0,1)> pi, las aves eligen realizar un comportamiento de búsqueda de alimento en el comportamiento social y actualizar de acuerdo con la fórmula; si rand(0,1) > pi, según el tipo de ave Eq. (48) para llevar a cabo el comportamiento de alerta. Vaya al paso 4 después de completar el paso 3.
Vuelva a actualizar el valor de aptitud individual de la parvada y compárelo con el valor de aptitud calculado en el momento anterior, para actualizar el valor de aptitud óptimo de la siguiente generación de parvada F(xi)min. Cuando el número de iteraciones i = 1 y glbol_best = F(xi)min; Compara los tamaños de glbol_besti−1 y F(xi)min,glbol_besti = min{glbol_besti−1,F(xi)min}.
Juzgar si la iteración cumple con la condición de terminación de la iteración. Se ejecuta i = i + 1, y se compara el número de iteraciones i en este momento con el número máximo de iteraciones tmax. Si i < tmax, regrese al paso 3; de lo contrario, la optimización finaliza.
Diagrama de flujo del algoritmo de optimización de enjambre de aves.
Generalmente, la condición de terminación de la iteración es que la iteración excede el número límite de iteraciones y la operación del algoritmo finaliza; de lo contrario, la iteración continúa26,27. Debido a que la ranura de amortiguación triangular y la ranura de amortiguación en forma de U se encuentran en un rango óptimo de profundidad y ángulo plano, y cada una tiene sus propias ventajas, si se combinan las dos ranuras, es necesario optimizar los parámetros. En este documento, el algoritmo de enjambre de aves se utilizará para optimizar los parámetros. El diagrama de flujo del algoritmo de optimización del enjambre de aves se muestra en la Fig. 12.
Debido a que tanto la ranura de amortiguación triangular como la ranura de amortiguación en forma de U tienen ciertos defectos cuando funcionan solas, proponemos una ranura de amortiguación combinada con una ranura de amortiguación triangular en el extremo frontal de la ranura de amortiguación en forma de U. La ranura de amortiguación combinada es una estructura combinada compleja, que debe dividirse en diferentes etapas para establecer el modelo matemático de la cavidad del puerto de la válvula. Las estructuras de dos tipos de ranuras de amortiguación se han calculado anteriormente, y el modelo de cavidad del puerto de válvula de la ranura de amortiguación combinada se deduce en base a lo anterior. Como se muestra en la Fig. 13, desde la etapa del tanque de compensación triangular, el área de desbordamiento aumenta gradualmente y el impacto de la presión disminuye.
Diagrama esquemático de la estructura del tanque combinado.
Después de ingresar al tanque de compensación en forma de U, el área de desbordamiento cambia constantemente y el impacto de la presión disminuye gradualmente. Desde el aspecto estructural, el tanque de compensación combinado tiene características de despresurización más estables que el tanque de compensación triangular y el tanque de compensación en forma de U. El área de flujo debajo de la estructura combinada de la ranura del tope puede considerarse como la ranura de la cintura del manguito de la válvula que coincide con la ranura del tope triangular y la ranura del tope en U a su vez.
Debido a que la ranura de amortiguación combinada es una combinación de ranura de amortiguación triangular y ranura de amortiguación en forma de U, su área debe ser igual a la de ambas ranuras de amortiguación, por lo que la relación de longitud de las dos ranuras de amortiguación es 2:3. El área de ambos debe representar 2/5 y 3/5 del área total respectivamente. Mediante el cálculo del algoritmo de MATLAB, el ángulo de corte óptimo es 72 al comparar la ranura de amortiguación triangular con la ranura de amortiguación en forma de U. En este momento, el ángulo de plano óptimo está entre 45 y 63, mientras que la profundidad óptima h de la ranura de tope en forma de U debe estar entre 1,5 y 1,7 mm. De acuerdo con la proporción de tamaño del tanque de inercia triangular y el tanque de inercia en forma de U en el tanque de inercia combinado, se puede obtener la fórmula del área de desbordamiento del tanque de inercia combinado.
Según las fórmulas (15) y (39)
El gradiente de presión de la cavidad del puerto de la válvula bajo la estructura combinada del manguito de la válvula y el núcleo de la válvula se toma como la función objetivo, el ángulo del plano y la profundidad h se toman como condiciones de restricción, y el gradiente de presión se toma como la función objetivo. Establezca el número total en 10, la dimensión espacial en 1, el número de iteraciones en 100, la frecuencia de vuelo en 8, el coeficiente cognitivo en 1, los parámetros a1 y a2 en 1 y el coeficiente de evolución social en 1. Los parámetros del tanque de presión combinado se optimizan utilizando el algoritmo de optimización de enjambre de aves. La función objetivo es simulada por el software MATLAB y los resultados se muestran en la Fig. 14.
Curva de optimización de la función objetivo.
Para obtener el gradiente de presión óptimo del volumen del puerto de la válvula bajo la estructura combinada del manguito de la válvula y el núcleo de la válvula, se itera la función de aptitud introducida y se itera el valor mínimo de la función de aptitud. Como se muestra en la Fig. 14, cuando el cálculo iterativo alcanza el paso 53, la función objetivo comienza a converger a −1,94 en el algoritmo de enjambre de aves. En este momento, también se obtienen los resultados de optimización del ángulo del plano en el rango de 45 a 72 y la profundidad en el rango de 1,5 a 1,7 mm. De la Fig. 15a, se puede encontrar que cuando el ángulo del plano es 60, la curva de optimización variable tiende a ser estable en el proceso de reducción de presión en la cavidad del puerto de la válvula debajo de la estructura de ranura de amortiguación combinada, y el valor óptimo de reducción de presión se obtiene el efecto; De la Fig. 15b, se encuentra que cuando la profundidad tiende a 1,65 mm, la curva se estabiliza gradualmente y se obtiene el mejor valor del efecto de despresurización. Se puede ver que cuando el ángulo del plano de la ranura intermedia combinada es de 60 y la profundidad es de 1,65 mm, el efecto de reducción de presión es el mejor.
Curva iterativa de ángulo de profundidad y optimización de profundidad.
El propósito de la optimización es reducir la concentración de tensión en la muesca en forma de U de la estructura combinada del manguito de la válvula y el núcleo de la válvula mientras se asegura el funcionamiento normal de la válvula reguladora. En comparación con la optimización de un solo objetivo de la ranura de búfer triangular y la ranura de búfer en forma de U, es más probable que la optimización multiobjetivo del algoritmo de enjambre de aves obtenga una mejor solución, y la influencia de las variables de diseño en la función objetivo es más clara28, 29 A través de la comparación de simulación de acoplamiento fluido-sólido de las estructuras combinadas del manguito de la válvula y el núcleo de la válvula de la ranura amortiguadora triangular no ranurada, la ranura amortiguadora en forma de U y la ranura amortiguadora combinada, se analizan las ventajas de la ranura amortiguadora combinada óptima. comparado.
Con la condición de garantizar la precisión del cálculo numérico, teniendo en cuenta la compleja estructura de superficie curva de la válvula reguladora, se adoptan rejillas tetraédricas no estructuradas para la válvula reguladora. Cuando, de acuerdo con la prueba de independencia de rejilla, el número de rejillas generadas por fluido en la estructura de combinación del manguito de la válvula y el núcleo de la válvula es de 1,18 millones, lo que puede garantizar completamente la precisión de los resultados de los cálculos numéricos y establecer la capa de expansión para el líquido en el cuerpo de la válvula, como se muestra en la Fig. 16.
Rejillas internas de fluido de válvula reguladora.
Las propiedades del material fluido se muestran en la Tabla 1, y su interfaz con el sólido está cerca del modelo real para que la simulación de fluido posterior sea más realista. Además, el efecto de acoplamiento de la estructura combinada del manguito de la válvula y el núcleo de la válvula solo ocurre en la intersección de fluido y sólido. Por lo general, la fórmula de movimiento de Lagrange se usa para simular el comportamiento de un medio sólido (movimiento de partículas), y la fórmula de Euler se usa para simular el flujo de un fluido (el comportamiento del fluido en una posición específica en el espacio). En la simulación del acoplamiento fluido-sólido de válvula reguladora, considerando el efecto de acoplamiento fluido-sólido, se puede utilizar cualquier fórmula de Lagrange Euler (ALE) para describir la interacción entre fluido y medio sólido o fluido y superficie libre30,31. El método ALE se utiliza para tratar el acoplamiento fluido-sólido de la estructura combinada del manguito de la válvula y el núcleo de la válvula. En "Marco de referencia", el sólido se establece como Lagrangiano y el líquido se establece como Euleriano. El modelo geométrico y la cuadrícula del cuerpo de la válvula y el fluido pueden superponerse, y los parámetros relacionados de la válvula reguladora se muestran en la Tabla 2, que se pueden transmitir a la unidad de fluido, acoplando así el cuerpo de la válvula y el fluido. Realice los ajustes de contacto para cada parte del modelo, donde la superficie de contacto entre el manguito de la válvula y el líquido en el núcleo de la válvula está configurada para ser unida; hay un espacio entre el núcleo de la válvula y el manguito de la válvula, y el contacto no tiene fricción.
La estructura estática (ANSYS) se utiliza para analizar la estructura combinada del núcleo de la válvula y el manguito de la válvula32,33. A través de los resultados del análisis estático a continuación, la estructura interna de la válvula de control se optimiza y mejora aún más.
Realice un análisis de simulación estática en el núcleo de la válvula y el manguito de la válvula dentro de la válvula reguladora y obtenga el mapa de nube de deformación total correspondiente, como se muestra en las Figs. 17, 18, 19 y 20. Puede verse en la figura que la deformación máxima se produce cerca del orificio de la válvula del núcleo de la válvula. Con la rotación del núcleo de la válvula, al comparar la deformación máxima antes y después del diseño optimizado, se puede concluir que la ranura de amortiguación combinada tiene un efecto de despresurización notable, seguida por la ranura de amortiguación triangular y la ranura de amortiguación en forma de U. A partir de esto, se puede concluir que la apertura de la ranura del tope puede mejorar la aparición de atascos causados por la deformación del núcleo interno de la válvula y el manguito de la válvula de regulación, y el efecto de combinar la ranura del tope es el mejor.
Diagramas de deformación del manguito de la válvula y el núcleo de la válvula antes de implementar la ranura de tope.
Diagrama de deformación del manguito de la válvula y el núcleo de la válvula de la ranura de tope triangular.
Diagrama de deformación del manguito de la válvula y el núcleo de la válvula debajo del tanque de compensación en forma de U.
Diagrama de deformación del manguito de la válvula y el núcleo de la válvula debajo del tanque de compensación combinado.
A través del diagrama de deformación obtenido por simulación de acoplamiento fluido-sólido bajo la estructura de la ranura de amortiguación triangular no ranurada, la ranura de amortiguación en forma de U y la ranura de amortiguación combinada, se puede ver que la estructura de la ranura de amortiguación en el puerto de la válvula del núcleo de la válvula puede reducir la concentración de tensión causada por el impacto de la presión. De acuerdo con la Fig. 21, en las mismas condiciones de trabajo, la deformación general de la válvula reguladora es del orden de ranura de amortiguación combinada Deformación del manguito y el carrete de la válvula en cada ranura del amortiguador. Apuntando al fenómeno de que el núcleo de la válvula de la válvula reguladora de microflujo se deforma debido al impacto de la presión, y el manguito de la válvula se atasca en movimiento, y para resolver el problema de que el par requerido para hacer girar el núcleo de la válvula es grande, se abre una ranura de amortiguación en el puerto de la válvula del núcleo de la válvula. En este documento, se optimiza la estructura del tanque de almacenamiento intermedio, se optimizan sus parámetros y se compara la estructura mejorada mediante una simulación de acoplamiento fluido-sólido. Las conclusiones son las siguientes. Se establecen modelos matemáticos de manguito de válvula y núcleo de válvula de ranuras de amortiguación triangulares y en forma de U, respectivamente, y las curvas de gradiente de presión se obtienen a través del cálculo de simulación de MATLAB. A través del análisis, se concluye que si se toman simultáneamente la ranura de tope triangular óptima y los parámetros estructurales óptimos de la ranura de tope en forma de U, el ángulo de corte debe ser 72, el ángulo del plano debe estar en el rango de 45–72 y la profundidad debe ser de 1,5 a 1,7 mm y el efecto de reducción de la presión se puede obtener en este momento. Al estudiar la estructura del tope triangular y el surco tope en forma de U, se diseña una estructura de surco tope combinado para combinar las ventajas de ambos. Por lo tanto, tomando el ángulo de profundidad y la profundidad como restricciones, el gradiente de presión de la cavidad del puerto de la válvula debajo de la estructura de ranura de amortiguación combinada se toma como la función objetivo. A través del algoritmo de optimización de enjambre de aves (BSA), se encuentra que el efecto de reducción de presión del tanque de compensación combinado es mejor cuando el ángulo del plano es de 60 y la profundidad es de 1,65 mm. En este momento, los parámetros estructurales son los valores óptimos del ángulo de profundidad y la profundidad del tanque de compensación combinado. A través del análisis de acoplamiento fluido-sólido de la estructura combinada del manguito de la válvula y el núcleo de la válvula antes y después de la optimización, se concluye que la apertura de la ranura del tope puede mejorar efectivamente la deformación del núcleo de la válvula y en comparación con la ranura del tope en forma de U y la ranura del tope triangular. la ranura de amortiguación combinada puede mejorar efectivamente la deformación de la estructura combinada del manguito de la válvula y el núcleo de la válvula. Por lo tanto, se obtienen la estructura y los parámetros excelentes del tanque de compensación combinado, y el impacto de presión de la válvula reguladora en la posición clave del puerto de la válvula se reduce al mejor efecto, lo que proporciona una solución efectiva para resolver el problema del bloqueo. de la válvula reguladora cuando se trabaja. Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados en este estudio están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable. Limín, Ma. et al. Aplicación y tendencia de desarrollo de la válvula reguladora. Tecnología de tuberías. Equipar. 2, 2 (2008). Google Académico B. Huang, S. Qiu, X. Li, Q. Wu, G. Wang. Una revisión de la estructura del flujo transitorio y el mecanismo inestable del flujo de cavitación. J. Hydrodin. 31(3) (2019). Lei, X. Estudio sobre las características de carga de los componentes clave de la válvula reguladora (Universidad de Ingeniería de Harbin, 2014). Google Académico Yuxuan, L. et al. 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Springer Nature se mantiene neutral con respecto a los reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales. Acceso abierto Este artículo tiene una licencia internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, el intercambio, la adaptación, la distribución y la reproducción en cualquier medio o formato, siempre que se otorgue el crédito correspondiente al autor o autores originales y a la fuente. proporcionar un enlace a la licencia Creative Commons e indicar si se realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la regulación legal o excede el uso permitido, deberá obtener el permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/. Reimpresiones y permisos Qu, G., Li, J., Peng, C. et al. Mejora de la estructura y optimización de parámetros de la válvula de control de micro flujo. Informe científico 13, 6850 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-30955-8 Descargar cita Recibido: 27 diciembre 2022 Aceptado: 03 de marzo de 2023 Publicado: 26 abril 2023 DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-30955-8 Cualquier persona con la que compartas el siguiente enlace podrá leer este contenido: Lo sentimos, un enlace para compartir no está disponible actualmente para este artículo. Proporcionado por la iniciativa de intercambio de contenido Springer Nature SharedIt Al enviar un comentario, acepta cumplir con nuestros Términos y Pautas de la comunidad. Si encuentra algo abusivo o que no cumple con nuestros términos o pautas, márquelo como inapropiado.