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航空燃油柱塞泵滑靴油膜的多目标优化设计的分析

作者:2014-09-17 16:23文章来源:南京航空航天大学

  航空发动机燃油控制系统中,燃油柱塞泵(下文简称柱塞泵)因其输出压力高,便于对燃油量进行控制和结构紧凑等特点而获得广泛的应用.目前我国柱塞泵的平均无故障工作时间、寿命周期和效率等性能指标与国外同类产品相比存在较大的差距,除材料等因素外,设计技术落后是重要原因.其中柱塞与斜盘摩擦副的设计是柱塞泵的关键技术之一现在的柱塞泵普遍使用带有滑靴的柱塞,这类柱塞依靠滑靴中间的油池,在滑靴和斜盘之间形成一定厚度的油膜和静压润滑,避免斜盘与滑靴的直接接触摩擦.静压润滑下,滑靴与斜盘之间的摩擦副的设计主要是油膜厚度设计.理论上设计适当的油膜厚度,就可保证斜盘与滑靴之间为纯液体摩擦.油膜厚度不够会导致滑靴与斜盘润滑不充分,机械效率下降,且磨损过快,缩短柱塞泵的使用寿命;油膜厚度设计过大则造成很大的泄漏损失.文献给出了在吸、排油一个周期内滑靴油膜厚度的动态变化规律,以及合理的油膜厚度计算公式,并可借此油膜厚度公式推算出摩擦功率损失、泄漏功率损失和容积效率的计算公式.因为滑靴的尺寸参数不仅对滑靴油膜及静压润滑都有一定的影响,而且对上述多个性能指标亦产生影响,所以滑靴油膜厚度设计是一个多变量、多目标优化问题.这些优化目标之间是一种相互矛盾和竞争的关系且计算公式非线性,采用一般的方法很难得到满意解.在众多优化算法中,遗传算法对此具有显著的优越性.遗传算法借鉴生物界自然选择和遗传机制的随机化搜索算法,搜索不依赖于梯度信息,尤其适用于处理传统搜索方法难以解决的复杂和非线性问题同.

  1静压润滑下理想油膜厚度

  柱塞泵的滑靴静压润滑设计通常采用柱塞内腔压力油通过进油腔直径d。的节流小孔流入滑靴中心的油池,油压由输入油压降为油池油压,油池中的油再沿滑靴和斜盘间的环行端而缝隙流入转子腔.

  对柱塞泵用坐标法,进行运动学参数分析,可得到球头的位移、柱塞移动的速度及加速度“关于转子转角和斜盘倾角的复杂计算关系”.

  2目标函数

  2. 1摩擦功率损失

  柱塞泵工作时,存在于滑靴与斜盘之间的油膜按一定速度流动,因此滑靴与斜盘之间为瓢性

  摩擦,存在摩擦功率损失.

  2.2泄漏功率损失

  滑靴与斜盘间的油膜需要维持一定的厚度,即要有从柱塞中心高压腔引油经油膜向转子低压

  腔的持续流量,对柱塞泵而言存在泄漏功率损失.

  3遗传算法的多目标实现

  以某型柱塞泵为模型,确定好相关参数的初猜值,如流体密度、动力瓢度、柱塞泵内腔油压等,再选取特定的设计点做优化.在本文中,在一定转速下,选取一个特定的转子转角和斜盘倾角外.作为设计点,则此模型的目标函数可简化.优化的目的是使得摩擦功率损失、泄漏功率损失最小的同时容积效率尽可能大,并求得对应的理想油膜厚度.采用MATLAB遗传算法工具箱进行优化时,采用最大值作为评价函数,所以将这3个目标函数按式(10)线性变换以得到对应的适应度函数。

  4结论

  本文基于遗传算法对柱塞泵的滑靴结构参数进行了多目标优化,得到了以减少摩擦功率损失、泄漏功率损失同时提高容积效率为目标的滑靴结构参数以及相对应的理想油膜厚度.计算结果表明,滑靴结构参数优化后柱塞泵的多个性能指标比优化前有了不同程度的提高,从而证明了多目标遗传算法对设计柱塞泵油膜静压润滑是一种有效的方法.本文还探究了转子转角和斜盘倾角对柱塞泵性能的影响,对柱塞泵滑靴油膜的多目标优化设计有指导性意义.

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