Mejora de la estructura y optimización de parámetros de la válvula de control de microflujo.

May 04, 2024

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 6850 (2023) Citar este artículo

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Con el objetivo de abordar el fenómeno de adherencia 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, se realiza el análisis de simulación de acoplamiento fluido-sólido del núcleo de la válvula. llevado a cabo en este estudio, y luego se mejora la estructura del núcleo de la válvula y se optimizan sus parámetros 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 los parámetros. Se establecen los modelos matemáticos del tanque de amortiguación triangular, el tanque de amortiguación en forma de U y el tanque de amortiguación combinado, y los parámetros estructurales del tanque de amortiguación 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 obvio y buena estabilidad. Al mismo tiempo, los parámetros estructurales óptimos del tanque intermedio 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 parámetros de la ranura amortiguadora combinada, 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 eficaz para resolver el problema de adherencia del núcleo de la válvula. de la válvula reguladora durante el funcionamiento.

En la actualidad, la válvula de control hidráulica micropequeña se utiliza 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 carrete de material en aplicaciones de ingeniería de válvulas. Los motivos por los que el carrete se atasca se dividen en: motivos mecánicos provocados por precisión de mecanizado o error de montaje; Causas hidráulicas causadas por el momento desequilibrado de la acción del fluido sobre el carrete; Causas térmicas causadas por el calentamiento viscoso del fluido en condiciones de alta presión y causas de contaminación causadas por la retención de partículas en la holgura del ajuste de la válvula. Con el objetivo de analizar el fenómeno de bloqueo 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 medidas de mejora para el 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 exactitud 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. Se analiza teóricamente la fuerza de desequilibrio radial de la válvula rotativa y se proponen algunas medidas concretas para reducir el fenómeno de sujeción de la válvula rotativa. Proporcionar ayuda para el diseño y aplicación de una válvula rotativa en el futuro. Sun Zegang et al.7,8. Se estudió la influencia de las estructuras de ranuras de estrangulación en forma de U y V en el rendimiento de cavitación de la válvula. Al mejorar la estructura de la ranura de estrangulación optimizada mediante un algoritmo genético, obviamente se puede mejorar el rendimiento anticavitación de la válvula. Li Weijia et al.9 estudiaron las características de flujo de apertura de la válvula de corredera con ranuras de estrangulación de base única en forma de U, oblicua en forma de U y en forma de V bajo la condición de diferencia de presión constante. Utilizando un 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 una 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 la energía del impacto. A través del software ANSYS, se lleva a cabo el análisis de optimización iterativo de parámetros de la estructura del búfer 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 del dominio del tiempo y se compara el efecto de amortiguación de las estructuras limitadoras de tipo tradicional y nuevo. Wu Weidong et al.11, apuntando a los problemas del rango de ajuste de flujo pequeño y la respuesta lenta de la ranura de estrangulación en forma de U de un 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 el objetivo de ganar flujo. 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 de en la situación en que el puerto de la válvula de inversión del soporte hidráulico de la mina de carbón tiene un gradiente de área de flujo grande, 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 petróleo de apoyo. Se puede lograr el propósito de regular y controlar activamente el gradiente del área de flujo del puerto de 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 del análisis, 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 estrangulación 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 estrangulación (tanque combinado U-V), se utiliza un algoritmo de optimización del enjambre de partículas para optimizar la estructura de la ranura del acelerador, y se obtienen los parámetros estructurales óptimos. Bajo la misma apertura de 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 de flujo 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. ; Utilizando 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 en estado estacionario de la ranura de estrangulación en forma de U, y pensaron que la altura de la ranura de estrangulación en forma de U tenía mayor impacto que el ancho.

A través del análisis, se puede saber que en condiciones normales de trabajo, es fácil que ocurra el impacto de la presión en la válvula reguladora, especialmente en la posición clave del puerto de la válvula, lo que conduce a la deformación del núcleo de la válvula y luego 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 del tanque de compensación en forma de U. Luego, se propone el tanque de amortiguación combinado y los parámetros del tanque de amortiguación 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 reguladora. 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 cambios, bloque de cambios, cojinete de empuje, manguito de válvula y núcleo de válvula. La válvula reguladora de microflujo controla el caudal haciendo girar la palanca de cambios a través del motor y luego ajustando el tamaño de apertura girando el núcleo de la válvula a través del bloque de cambios.

Dibujo de montaje bidimensional de válvula reguladora de microflujo.

La válvula reguladora de microflujo controla el flujo de salida ajustando el tamaño de la abertura mediante la rotación del núcleo de la válvula del motor. Como se muestra en la Fig. 2, se puede ver en las flechas del diagrama tridimensional que el aceite ingresa a la válvula desde la entrada, fluye a través del conducto 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 fluye fuera del manguito de la válvula desde la posición de coincidencia y luego fluye a través del flujo de la carcasa de la válvula. paso y fuera de la salida de aceite. La dirección general del flujo de fluido es consistente con la flecha de la figura.

Diagrama de flujo de aceite de la válvula de control de microflujo.

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 abocinada 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 el carrete gira, el grado de coincidencia entre ellos cambiará.

Estructura combinada de manguito de válvula y núcleo de válvula.

El servomotor hace girar la palanca de cambios, de modo que el bloque de la horquilla de cambio oscila en la ranura de arco en la parte inferior del manguito de la válvula. El ángulo de la ranura de arco en la parte inferior del manguito de la válvula es de 90, por lo que el ángulo de rotación máximo del núcleo de la válvula es de 90, como se muestra en la Fig. 4. Cuando el núcleo de la válvula de trabajo oscila circunferencialmente en la ranura de arco, la coincidencia de apertura El grado de la camisa de la válvula y el núcleo de la válvula cambiarán y se podrá ajustar la cantidad de aceite.

Sección de trabajo de la válvula rotativa.

Tomando como objeto de investigación la cavidad sellada formada por el núcleo de la válvula y el manguito de la válvula, 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 válvula de la válvula reguladora; dV es el diferencial de volumen de aceite de la cavidad del puerto de 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 reguladora 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 puerto de la válvula se puede representar mediante \(dV/dt\), la fórmula del gradiente de presión del aceite en la cavidad del puerto de la válvula reguladora es la siguiente.

La estructura tridimensional del surco amortiguador triangular puede considerarse 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 amortiguador triangular tangente a la ranura de la cintura del manguito de la válvula.

La ranura triangular del amortiguador se coloca en el extremo del puerto de la válvula de la ranura en forma de U del núcleo de la válvula. En primer lugar, el movimiento giratorio del núcleo de la válvula se expande hasta convertirse en un movimiento plano, que es equivalente al ángulo de giro 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 a un movimiento plano, que se simplifica en un modelo matemático. Luego, se establece el modelo geométrico para 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),se puede resolver 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 triangular del amortiguador en el núcleo de la válvula simplifica el modelo matemático de la ranura triangular del amortiguador. En este estado, se establece el sistema de coordenadas espacial rectangular, en el que el plano ∆ADC coincide con el plano de trabajo del puerto de válvula en forma de U del núcleo de la válvula, en el proceso de girar la ranura de cintura del manguito de la válvula en la forma triangular. ranura amortiguadora, 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 de tanque de compensación 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 espacial rectangular con el punto A(a cos φ, a sin 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 sin 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: (15).

Como la válvula reguladora es un componente microhidráulico, el cambio de volumen de la ranura amortiguadora triangular que fluye dentro o fuera 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 flujo; ¿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 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 fluye dentro o fuera 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). Se puede obtener la ecuación del gradiente de presión de la cámara de sellado del puerto de la válvula reguladora debajo de la estructura triangular de la ranura del amortiguador:

En la fórmula, sólo 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 del gradiente de presión con el tiempo bajo diferentes ángulos de corte y diferentes ángulos planos bajo una estructura de ranura de amortiguación triangular se pueden obtener mediante cálculo, como se muestra en la Fig. 8. En la figura, el gradiente de presión en la cavidad del puerto de válvula de la estructura combinada de manguito de válvula y núcleo de válvula aumenta gradualmente con la rotación del núcleo de válvula. La Figura 8a muestra la curva del gradiente de presión obtenida cambiando diferentes ángulos de corte cuando el ángulo 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 planos cuando el ángulo de corte se establece en un valor fijo. Al considerar la necesidad de un cierto gradiente de presión y minimizar el impacto de la presión, se debe seleccionar el ángulo plano β ϵ (45°, 81°). Por lo tanto, considerando exhaustivamente los resultados de la curva de gradiente de presión, se puede obtener que la ranura amortiguadora triangular tiene el mejor efecto de despresurización en la cavidad del puerto de la válvula reguladora en el ángulo de corte Ф = 72° y el ángulo plano β ϵ (45°, 81°).

Curva de gradiente de presión de un tanque de compensación triangular con el tiempo.

En cuanto al tanque de compensación en forma de U, se puede considerar que consta de una sección semicilíndrica y una sección de sección transversal igual. El tamaño de su estructura se puede determinar por el ancho b y la profundidad h. La ranura está dispuesta en el puerto de 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 amortiguadora 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 ese el ángulo tangente del segmento semicilíndrico girado es φ, la profundidad y el ancho de la ranura amortiguadora en forma de U son by y se establece un sistema de coordenadas rectangular.

Diagrama de coordenadas de establecimiento del modelo de tanque de inercia 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. Sean la ecuación del semicírculo O y la ecuación del semicírculo OB:

Entre ellos, h es la profundidad de la ranura del amortiguador en forma de U. Según el análisis geométrico, el área S está relacionada principalmente 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 tangencia entre la ranura del amortiguador 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 cruzan en dos puntos K y T.

Cuando L ∈ [CE, DE], como se muestra en la Fig. 10b, se puede ver que el punto K corta el círculo, mientras que el punto T corta la línea recta.

Cuando L ∈ [DE, (a + b) sin φ], como se muestra en la Fig. 10c, se puede ver que dos puntos K y T se cruzan con una línea recta.

La solución simultánea de la ecuación anterior puede llevar al punto K(xK, yK) y T(xT, yT); Al simplificar el análisis del modelo, se puede concluir que el área de desbordamiento del tanque intermedio en forma de U. Se obtiene la siguiente fórmula:

Según 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 fluye dentro o fuera de la ranura amortiguadora en forma de U, la cavidad del puerto de la válvula se compone de un manguito de válvula y una estructura del núcleo de la 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 reguladora con la estructura de ranura amortiguadora en forma de U:

Según el análisis anterior, el modelo matemático está escrito en MATLAB, y la curva de gradiente de presión de la ranura amortiguadora en forma de U con la misma profundidad y diferentes ángulos de corte y la curva de gradiente de presión de la ranura amortiguadora 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 la profundidad h aumenta gradualmente, 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 exhaustiva 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 amortiguadora en forma de U tiene la mejor despresurización. efecto en el puerto de válvula de la válvula reguladora.

Curva de gradiente de presión del tanque de inercia con el tiempo.

El algoritmo de optimización de enjambres 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 que evolucionó a partir del comportamiento social y la interacción social de las aves, y las aves comparten información entre grupos a través de comportamientos de búsqueda de alimento, comportamientos de alerta y comportamientos de vuelo en sus hábitos de vida18,19. El estudio de estos comportamientos e interacciones sociales puede optimizar eficazmente el problema y tiene las ventajas de una rápida convergencia y de evitar caer en el óptimo local20,21. Simplifique el comportamiento social de las aves en las siguientes reglas.

En el proceso de alerta y comportamiento de búsqueda de alimento de las aves, cada ave puede cambiar arbitrariamente su comportamiento de alerta y comportamiento de búsqueda de alimento;

En el proceso de búsqueda de alimento, para obtener la mejor experiencia de búsqueda de alimento. 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 aves, las aves con reservas altas tienen más probabilidades de acercarse al centro de la bandada que aquellas con reservas bajas.

Las aves cambian aleatoriamente entre producción y búsqueda, y vuelan regularmente a otro lugar. El productor es el ave con mayores reservas, de lo contrario crece hasta convertirse en un solicitante. Otras aves elegirán aleatoriamente entre el productor y el solicitante.

En el proceso de búsqueda de alimento de las aves, las aves se dividen aleatoriamente en solicitantes y productores, y los solicitantes seguirán a los productores para encontrar comida.

Se establecen los comportamientos bajo cada regla22,23: supongamos que hay n pájaros en el espacio de dimensión B. En la posición en el tiempo T, los individuos buscan alimento en grupos, es decir, la posición del ave en el tiempo T se puede expresar como Xi(i ∈ 1, 2,… N).

Comportamiento de búsqueda de alimento: cuando cada ave busca alimento a través de su propia experiencia diferente, puede escribir una forma matemática según 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. Según 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 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 artículo tiene como objetivo el modelo de gradiente de presión del volumen del puerto 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 del 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 partículas de las aves, el número máximo de iteraciones, la frecuencia de vuelo de las aves, la probabilidad de búsqueda de alimento y otros parámetros, y genere la población bajo varios restricciones.

Establezca la ecuación del gradiente de presión de la válvula reguladora en el proceso de despresurización como función objetivo. Según 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 óptima inicial F (x1) min y el 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 Ec. (48) para llevar a cabo la conducta de alerta. Salte al paso 4 después de completar el paso 3.

Actualice nuevamente el valor de aptitud individual de la manada y compárelo con el valor de aptitud calculado en el momento anterior, para actualizar el valor de aptitud óptima de la manada de próxima generación F (xi) min. Cuando el número de iteraciones i = 1 y glbol_best = F(xi)min; Compare 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 vuelve al paso 3; de lo contrario, la optimización habrá finalizado.

Diagrama de flujo del algoritmo de optimización de enjambres de aves.

Generalmente, la condición de terminación de la iteración es que la iteración exceda el número límite de iteración y la operación del algoritmo finalice; de ​​lo contrario, la iteración continúa26,27. Debido a que la ranura amortiguadora triangular y la ranura amortiguadora 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 artículo, se utilizará el algoritmo de enjambre de aves 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 tope triangular como la ranura de tope en forma de U tienen ciertos defectos cuando se trabajan solas, proponemos una ranura de tope combinada con una ranura de tope triangular en el extremo frontal de la ranura de tope en forma de U. La ranura amortiguadora 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 amortiguadoras se calcularon anteriormente y el modelo de cavidad del puerto de válvula de la ranura amortiguadora combinada se deduce basándose en 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 intermedio 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 de ranura de amortiguación combinada se puede considerar como la ranura de cintura del manguito de válvula que coincide con la ranura de amortiguación triangular y la ranura de amortiguación en U a su vez.

Debido a que la ranura de tope combinada es una combinación de ranura de tope triangular y ranura de tope en forma de U, su área debe ser igual a la de ambas ranuras de tope, por lo que la relación de longitud de las dos ranuras de tope 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 comparando la ranura amortiguadora triangular con la ranura amortiguadora en forma de U. En este momento, el ángulo plano óptimo está entre 45 y 63, mientras que la profundidad óptima h de la ranura del amortiguador en forma de U debe estar entre 1,5 y 1,7 mm. De acuerdo con la proporción de tamaño del tanque de compensación triangular y el tanque de compensación en forma de U en el tanque de compensación combinado, se puede obtener la fórmula del área de desbordamiento del tanque de compensación combinado.

Según las fórmulas (15) y (39)

El gradiente de presión de la cavidad del puerto de la válvula bajo la estructura combinada de manguito de válvula y núcleo de válvula se toma como función objetivo, el ángulo del plano y la profundidad h se toman como condiciones de restricción y el gradiente de presión se toma como 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 se simula mediante 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 de manguito de válvula y núcleo de 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 llega al paso 53, la función objetivo comienza a converger a −1,94 en el algoritmo del enjambre de aves. En este momento, también se obtienen los resultados de optimización del ángulo plano en el rango de 45 a 72 y la profundidad en el rango de 1,5 a 1,7 mm. En 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 bajo la estructura de ranura amortiguadora 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 plano de la ranura amortiguadora 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 garantiza el funcionamiento normal de la válvula reguladora. En comparación con la optimización de objetivo único de la ranura de amortiguación triangular y la ranura de amortiguación 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 ranura amortiguadora triangular no ranurada, ranura amortiguadora en forma de U y ranura amortiguadora combinada, se analizan y 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 la superficie curva de la válvula reguladora, se adoptan rejillas tetraédricas no estructuradas para la válvula reguladora. Cuando, según la prueba de independencia de la rejilla, se determina el número de rejillas generadas por el fluido en la estructura combinada de manguito de válvula y núcleo de válvula es 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 de fluido internas de la válvula reguladora.

Las propiedades del material fluido se muestran en la Tabla 1 y su interfaz con el sólido es cercana al modelo real para que la simulación del fluido posterior sea más realista. Además, el efecto de acoplamiento de la estructura combinada de manguito de válvula y núcleo de válvula solo se produce en la intersección del fluido y el 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 fluido (el comportamiento del fluido en una posición específica en el espacio). En la simulación del acoplamiento fluido-sólido de una 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 de manguito de válvula y núcleo de válvula. En el “Marco de referencia”, el sólido se establece como Lagrangiano y el líquido como Euleriano. El modelo geométrico y la rejilla 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 pueden transmitirse a la unidad de fluido, acoplando así el cuerpo de la válvula y el fluido. Realizar ajustes de contacto para cada parte del modelo, en el que la superficie de contacto entre el manguito de la válvula y el líquido en el núcleo de la válvula está configurada para unirse; hay un espacio entre el núcleo de la válvula y el manguito de la válvula, y el contacto es sin 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.

Lleve a cabo 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. En la figura se puede ver que la deformación máxima se produce cerca del puerto de la válvula del núcleo de la válvula. Con la rotación del núcleo de la válvula, comparando la deformación máxima antes y después del diseño optimizado, se puede concluir que la ranura amortiguadora combinada tiene un efecto de despresurización notable, seguida por la ranura amortiguadora triangular y la ranura amortiguadora en forma de U. De esto, se puede concluir que la apertura de la ranura amortiguadora puede mejorar la aparición de adherencia causada por la deformación del núcleo interno de la válvula y el manguito de la válvula reguladora, y el efecto de combinar la ranura amortiguadora es el mejor.

Diagramas de deformación del manguito de la válvula y del núcleo de la válvula antes de implementar la ranura del amortiguador.

Diagrama de deformación del manguito de la válvula y el núcleo de la válvula de la ranura del amortiguador triangular.

Diagrama de deformación del manguito de la válvula y del núcleo de la válvula debajo del tanque intermedio en forma de U.

Diagrama de deformación del manguito de la válvula y del núcleo de la válvula debajo del tanque intermedio combinado.

A través del diagrama de deformación obtenido por simulación de acoplamiento fluido-sólido bajo la estructura de ranura amortiguadora triangular no ranurada, ranura amortiguadora en forma de U y ranura amortiguadora combinada, se puede ver que la estructura de la ranura amortiguadora en el puerto de válvula del núcleo de la válvula puede reducir la concentración de tensión causada por el impacto de la presión. Según la Fig. 21, bajo las mismas condiciones de trabajo, la deformación general de la válvula reguladora es del orden de ranura amortiguadora combinada < ranura amortiguadora triangular < ranura amortiguadora en forma de U < ranura amortiguadora sin abrir, lo que muestra que abrir la ranura amortiguadora puede efectivamente reduce la deformación de la estructura combinada del manguito de la válvula y el núcleo de la válvula reguladora, y la reducción de la ranura amortiguadora combinada es la más obvia.

Deformación del manguito de la válvula y del carrete en cada ranura del amortiguador.

Con el objetivo de abordar el fenómeno de que el núcleo 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 válvula del núcleo de la válvula. En este artículo, se optimiza la estructura del tanque de compensación, 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 amortiguadoras triangulares y en forma de U, respectivamente, y las curvas de gradiente de presión de los mismos se obtienen mediante cálculo de simulación en MATLAB. A través del análisis, se concluye que si se van a tomar simultáneamente la ranura amortiguadora triangular óptima y los parámetros estructurales óptimos de la ranura amortiguadora en forma de U, el ángulo de corte debe ser 72, el ángulo 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 presión se puede obtener en este momento.

Al estudiar la estructura del amortiguador triangular y la ranura del amortiguador en forma de U, se diseña una estructura de ranura del amortiguador combinada para combinar las ventajas de ambos. Por lo tanto, tomando el ángulo de profundidad y la profundidad como limitaciones, el gradiente de presión de la cavidad del puerto de válvula bajo la estructura de ranura de amortiguación combinada se toma como función objetivo. A través del algoritmo de optimización de enjambre de aves (BSA), se encuentra que el efecto de reducción de presión del tanque intermedio 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 intermedio combinado.

A través del análisis del 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 abrir la ranura amortiguadora puede mejorar efectivamente la deformación del núcleo de la válvula y en comparación con la ranura amortiguadora en forma de U y la ranura amortiguadora triangular. la ranura amortiguadora combinada puede mejorar eficazmente la deformación de la estructura combinada del manguito de la válvula y el núcleo de la válvula.

Por lo tanto, se obtienen la excelente estructura y parámetros del tanque de compensación combinado, y el impacto de la 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 durante el funcionamiento.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados en este estudio están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Jianying Li

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JL y GQ escribieron el texto principal del manuscrito, prepararon figuras y tablas. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Jianying Li.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Qu, G., Li, J., Peng, C. et al. Mejora de estructura y optimización de parámetros de válvula de control de microflujo. Representante científico 13, 6850 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-30955-8

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Recibido: 27 de diciembre de 2022

Aceptado: 03 de marzo de 2023

Publicado: 26 de abril de 2023

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

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