液压系统污染状态模拟与过滤器优化配置-上海联兵环保免费电话：400-600-5030

摘要:运用优化方法研究了液压系统污染控制问题,在考虑液压元件污染敏感性和过滤器纳垢量等约束的基础上,建立了典型液压系统过滤装置的运行成本优化模型.通过对假想事例的分析,阐述了该优化模型的具体应用方法,通过求解模型可以获得液压系统污染度的状态信息与系统过滤运行成本等的关系,从而对吸油路、压力回路及回油路是否需要安装过滤器以及何时更换或清洗滤芯做出最优决策.仿真研究表明:当污染物侵入/产生率较高时,系统的污染度较高,低精度的过滤器不能有效滤除污染物而保护敏感性元件,必须将高、低精度的过滤器结合起来使用,方能既满足液压元件污染物耐受度要求又能降低系统维护运行成本.
关　键　词:液压系统;污染控制;过滤器;优化;决策
中图分类号: TH137　　文献标识码: A　　文章编号: 1671-4512(2008)01-0071-04
日前国内外液压系统污染控制方面的研究卞要侧重于对单个液压元件的污染敏感度、污染磨损失效机理、系统污染度测量、液压过滤器过滤能力等的探索[1,2],对不确定状况下整个液压系统污染的全过程缺乏定量的系统分析,难以对液压系统的污染控制进行中长期的规划和预测.本文通过建立典型液压系统污染控制的综合数学模型,进行液压系统污染的综合模拟、污染状态评估、过滤器件配置优化等方法体系的研究,有效解决典型液压系统过滤器件配置设计的盲目性,同时也为液压系统日常主动维护方案的制定提供理论依据.
1　数学模型
图1所示为一典型液压系统,包括油箱、液压泵、液压控制和执行元件、吸油过滤器、压力油路过滤器和回油路过滤器等.以液压泵吸油口、控制(执行)元件进油口和系统回油路是否需要安置过滤器以及何时更换滤芯为重点研究对象,在关键液压元件不被破坏和过滤器不被堵塞的前提下,使液压系统运行成本达到最优.

1.1　系统污染度
对液压系统作如下假设:a.污染物在油液内均匀分布,除过滤器外系统内其他元件不留污染物;b.过滤器的过滤比β在给定的尺寸区间内是一个常数;c.在一个周期内液压系统各点颗粒污染物的浓度保持不变;d.不考虑颗粒污染物在油箱中的沉降效应;e.系统的流量为一定值;f.为简化系统,将液压控制元件与执行元件合并为一体考虑其污染状态.
不失一般性,假设液压系统吸油路、压力油路和回油路均可能安装过滤器,用0-1变量Fk(即为模型的决策变量,k=1,2,3)代表图1中过滤器k的存在与否,这里1表示过滤器存在,0表示过滤器不存在.上述典型系统的污染传递方框图可表示如图2所示[2~6].

若给定位置0的初始污染度,可以根据式(5)~(8)求出任意时刻任意颗粒直径的污染度.
1.2　目标函数
对于过滤器的选择安装,只在第一个周期内就可以确定;当维护过滤系统时只需要考虑更换或清洗阻塞的滤芯.因此用一个0-1变量Akn表示k在第n个周期是否需要更换或清洗.若k在第n个周期需要更换,则Akn=1,其他情况则为0.过滤系统总的成本包括各个位置过滤器的采购成本、清洗或更换滤芯的花费、维护人员的工资和停机损失费用.最终的目标是总成本最低,由此可以建立目标函数.

1.3　约束条件
1.3.1　元件的敏感性约束
对于如图1所示的系统,位置1的污染度不能超过泵的耐受度,位置2的污染度不能过超过控制(或执行)元件的耐受度,有:


2　算例
假设某液压系统如图1所示,系统流量为5×104mL/min,最大压力为35 MPa,油箱中油液的容积为1.5×105mL,要求设计者做出最优决策,使整个过滤系统的设计和维护成本最小.通过分析计算,本例将液压元件单位时间内的总污染侵入/产生率划分为三个水平,即轻度、中度和重度,具体的划分范围见表1.

为了便于分析,在各水平划分范围内对于总污染侵入/产生率分别取一个子样本作为算例,并按照颗粒直径区间进行离散化处理.将每个水平下的污染物侵入/产生率代入式(9)~(16)所表达的数学模型,利用优化软件Lingo编程进行计算[7,8],可以得出系统最优解,具体的优化结果见表2~5(这里一天按照8 h计算,各表中“-”表示该位置没有安装过滤器,k安装组合中,1表示存在,0表示不存在).

表2~4分别列出了污染物侵入/产生率在轻度、中度、重度三种水平下过滤器各种不同安装组合的优化结果(其中无可行解的组合未在表中列出).从表中可以看出:在污染物侵入/产生率轻度水平下,最坏情况的成本约为最好情况的6.4倍,相应更换或清洗滤芯的周期也大大缩短;在污染物侵入/产生率中度水平下,最坏情况的成本约为最好情况的2.3倍;在污染物侵入/产生率重度水平下,最坏情况的成本是最好情况的1.88倍.由此可见,过滤器优化配置不仅可以控制液压系统的污染度,保护液压元件和系统,而且可以制定出合适的过滤器安装组合和滤芯更换或清洗周期,更为重要的是可以大大节约液压系统的运行维护成本.因此在液压系统的设计和维护过程中对过滤器进行优化配置是非常重要而且必要的.

从表5可以看出:当污染物侵入/产生率较低时,液压系统各关键位置(如图1中的0~3点)的污染度均满足耐受度的要求,只需要在液压泵的吸油口处安装一个过滤精度比较低的过滤器,因而系统的维护运行成本也较小;当污染物侵入/产生率较高时,系统的污染度较高,低精度的过滤器不能有效滤除污染物而保护敏感性元件,必须将高、低精度的过滤器结合起来使用,方能既满足液压元件污染物耐受度要求又能降低系统维护运行成本.由此可见,随着污染物侵入/产生率水平的增加,液压系统维护运行成本会成倍地提高.
本文在满足敏感性液压元件性能要求的前提下,通过液压系统过滤器的合理配置和滤芯的适时更换,使液压系统的运行成本达到最优.
研究表明:通过求解模型,可以获得液压系统污染度的状态信息与系统过滤维修运行成本等的关系,从而对吸油路、压力回路及回油路是否需要过滤器以及何时更换或清洗滤芯做出最优决策.

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