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工程设计学报
工程设计学报  2024, Vol. 31 Issue (2): 160-167    DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2024.04.114
机械优化设计     
基于多目标遗传算法的斜盘式轴向柱塞泵低脉动结构优化设计
谢海波1,2(),洪昊岑1(),王柏村1,2,姜伟3,杨华勇1,2
1.浙江大学 高端装备研究院，浙江 杭州 310014
2.浙江大学 流体动力基础件与机电系统全国重点实验室，浙江 杭州 310058
3.华中科技大学 智能制造装备与技术全国重点实验室，湖北 武汉 430074
Low pulsation structural optimization design of swashplate axial piston pump based on multi-objective genetic algorithm
Haibo XIE1,2(),Haocen HONG1(),Baicun WANG1,2,WEI JIANG3,Huayong YANG1,2
1.Institute of Advanced Machines, Zhejiang University, Hangzhou 310014, China
2.State Key Laboratory of Fundamental Components of Fluid Power and Mechatronic Systems, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China
3.State Key Laboratory of Intelligent Manufacturing Equipment and Technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China
 全文: PDF(3565 KB)   HTML
摘要：

由于轴向柱塞泵的非对称结构特性，其输出压力和输出流量存在脉动特性，对液压系统的输出稳定性和可靠性造成影响，因此提出了一种基于多目标遗传算法的斜盘式轴向柱塞泵低脉动结构优化设计方法。首先，通过CFD（computational fluid dynamics，计算流体动力学）仿真分析方法，对轴向柱塞泵上/下死点位的压力-流量脉动的产生机理进行了分析；其次，对阻尼槽结构参数对轴向柱塞泵输出压力-流量脉动的影响规律进行了分析，构建了阻尼槽结构的多目标优化模型；最后，求解了低脉动阻尼槽结构。优化后的结构参数：阻尼槽半径为2.21 mm，阻尼槽长度为10.32 mm，阻尼槽错配角为16.54°。优化后压力脉动率为0.59%，相比于优化前的0.75%降低了0.16%，脉动幅值为0.25 MPa；优化后流量脉动率为12.02%，相比于优化前的5.61%降低了43.59%。研究结果为轴向柱塞泵低脉动结构的优化设计提供了有效的理论支持和实践指导。
关键词： 轴向柱塞泵;  配流盘;  阻尼槽;  多目标优化;  低脉动    
Abstract:

Because of the asymmetric structure of axial piston pump, its output pressure and output flow have pulsating characteristics, which affects the output stability and reliability of hydraulic system. Therefore, an optimization design method of low pulsation structure of swashplate axial piston pump based on multi-objective genetic algorithm is proposed. Firstly, the CFD (computational fluid dynamics) simulation analysis method was used to analyze the generation mechanism of pressure-flow pulsation at the upper/lower dead points of the axial piston pump; secondly, the influence of damping groove structural parameters on the output pressure-flow pulsation of axial piston pump was analyzed, and a multi-objective optimization model of damping groove structure was constructed; finally, the structure of the low pulsation damping groove was solved. The optimized structural parameters were as follows: the damping groove radius was 2.21 mm, the damping groove length was 10.32 mm, and the damping groove deflection angle was 16.54°. After optimization, the pressure pulsation rate was 0.59%, which was reduced by 0.16% compared to the pre-optimization value of 0.75%, and the pulsation amplitude was 0.25 MPa. The flow pulsation rate was 12.02%, which was reduced by 43.59% compared to the pre-optimization rate of 55.61%. The research results provide effective theoretical support and practical guidance for the optimal design of low pulsation structure of axial piston pump.
Key words: axial piston pump    valve plate    damping groove    multi-objective optimization    low pulsation
收稿日期: 2024-02-17 出版日期: 2024-04-26
CLC:  TQ 021.1  
基金资助: 浙江省基础公益研究计划项目(LQ24E050007)
通讯作者: 洪昊岑     E-mail: krdp_pump20@foxmail.com;honghaocen@zju.edu.cn
作者简介: 谢海波（1975—），男，江苏无锡人，教授，博士生导师，博士，从事高性能液压基础件与液压系统智能化关键技术研究，E-mail: krdp_pump20@foxmail.com, https://orcid.org/0000-0003-0977-8719|杨华勇（1961—），男，重庆人，教授，中国工程院院士，从事电液控制元件与系统、流体动力与机电系统的节能等研究
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谢海波
洪昊岑
王柏村
姜伟
杨华勇

引用本文:

谢海波,洪昊岑,王柏村,姜伟,杨华勇. 基于多目标遗传算法的斜盘式轴向柱塞泵低脉动结构优化设计[J]. 工程设计学报, 2024, 31(2): 160-167.

Haibo XIE,Haocen HONG,Baicun WANG,WEI JIANG,Huayong YANG. Low pulsation structural optimization design of swashplate axial piston pump based on multi-objective genetic algorithm[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2024, 31(2): 160-167.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2024.04.114    或    https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2024/V31/I2/160

图1  轴向柱塞泵转子结构剖面
图2  轴向柱塞泵配流盘与缸体配合面的结构
图3  轴向柱塞泵流场域划分
交界面边界类型
吸/排油流域与配流腰型窗口流域交界面inlet_mgi_vp
配流腰型窗口流域与配流副间隙油膜交界面vp_mgi_film
配流副间隙油膜与缸体柱塞孔顶部窗口交界面film_mgi_piston
柱塞流域底部窗口与滑靴流域顶部窗口交界面piston_mgi_shoe
表1  轴向柱塞泵流场域模型交互边界设置
图4  轴向柱塞泵出口流量曲线
图5  柱塞孔运动起始位置示意
图6  1个脉动周期内柱塞泵进口流量曲线和柱塞孔内压力曲线
图7  轴向柱塞泵单个柱塞孔压力曲线
图8  轴向柱塞泵预升压区域压力变化云图
图9  配流盘结构
图10  阻尼槽与柱塞孔完全接触时的压力分布云图（主轴旋转21°）
图11  配流盘加强筋处湍动能云图（主轴旋转21°）
图12  圆柱形阻尼槽关键结构参数示意
图13  阻尼槽结构参数优化过程
图14  不同阻尼槽半径下轴向柱塞泵出口压力曲线
图15  不同阻尼槽半径下轴向柱塞泵出口流量曲线
图16  不同阻尼槽长度下轴向柱塞泵出口压力曲线
图17  不同阻尼槽长度下轴向柱塞泵出口流量曲线
图18  不同阻尼槽错配角下轴向柱塞泵出口流量曲线
图19  优化前后轴向柱塞泵出口压力曲线
图20  优化前后轴向柱塞泵出口流量曲线
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