采用金属增材制造的液压阀组通道结构优化
Structure Optimization for Passages in Hydraulic Manifolds Using Metal Additive Manufacturing
刘淦，张军辉，徐兵
浙江大学
Abstract: Hydraulic system is widely used in mobile applications for its compact body, easy installation, and high power-to-mass ratio. Hydraulic manifolds on which many valves and measurement gauges can be installed are important parts in a hydraulic system. Traditional hydraulic manifold manufacturing leads to excessive volume and weight to form a flow passage and additional energy is also consumed in the passages. Nevertheless, the optimization of hydraulic manifolds is limited by manufacturing constraints. To reduce energy losses and mass, different traditional flow passages and the characters of fluid are investigated. The relation between energy losses and structure parameters is identified by means of simulations. It turns out that intersection types of passages especially sharp 90◦ bends between two passages have great influences on the pressure drop and energy losses, and the optimization method is also provided based on the simulation results. Additive manufacturing technology, more specifically, the selective laser melting (SLM) is adopted, because the traditional manifold manufacturing like forging, drilling and casting is difficult and even impossible to build the optimized manifold. Combing additive manufacturing technology with simulation optimization, pressure losses and energy consuming can reduce up to 50%, which contributes much to higher power-to-mass ratio.
Keywords: hydraulic manifold, structure optimization, passages, selective laser melting, simulation
课题研究背景
强化功率密度优势是提高液压传动竞争力和扩大应用领域的关键。结合液压基础件和增材制造两个研究热点，拟采用选区激光熔融金属增材制造实现液压集成块的轻量化和节能化设计,建立高功率密度增材制造液压集成块设计方法。
考虑传统阀块中流道的成型工艺限制，明确阀块中压力损失的机理，提出可增材制造实现的两端盲孔加工、空间任意走向流道的加工和任意曲率流道的加工；针对增材制造中空部件悬垂区域支撑的添加问题，结合增材制造的工艺要求和技术限制，重点探索采用带无支撑结构的异形截面流道解决悬垂面坍塌和翘曲问题的可行性；结合液压集成块对流换热系数分布特点，研究增大散热表面积和增设循环冷却流道的正向设计方法，提高液压集成块散热特性。通过液压传动和增材制造的学科交叉，为高功率密度液压传动系统设计提供新解决思路，实现在机器人等领域的工程应用。
课题研究成果
1.典型流道联通形式及压损改善
图 1 传统阀块中流道的直角联通形式及几何参数
图 2 采用光敏树脂打印的圆滑过渡的几何流道及优化形式
采用传统加工方式的液压阀块，联通形式单一，根据其几何特点可以分为直角转向，突扩/突缩和异面交叉。考虑不同几何特征参数，进行了阀块原型的设计加工，如图1所示。应用实验和仿真结合的方法探究了流道的压损情况与几何特征的影响规律。进一步地，针对造成流道压损的结构，采用圆滑过渡的思路设计了不同特征尺寸的新型流道，如图 2所示。特别指出，由于金属增材制造在加工大孔径流道时难以保证成型精度和表面质量，因此在概念验证阶段采用光固化(Stereolithograp-hy)加工手段，以保证流道的良好成型。
图 3 传统流道压损和新型流道压损随流量的变化曲线
两种不同设计方法的流道压损随流量的变化曲线如图 3所示。图中蓝色和红色线条为传统流道形式的实测和压损仿真曲线，可以看出在不同流量下，仿真数据和实测数据吻合较好。同时，采用圆滑过渡的流道在测量范围内都都表现出较好的性能，压损的降低效果随着流量的增加愈发显著。在流量较小时，流体的流动状态比较稳定，尚未完全发展为湍流，因此在低流速下两种设计效果相近。这也说明在大流量条件下，采用适用于增材制造的圆滑过渡流道可以较好地实现降低流道压损的目的。
2.无支撑流道截面的设计优化
图 4 短直流道设计及加工零件
传统流道为保证最大通流面积和管道内良好的应力分布情况多采用圆形截面流道，但限于增材制造工艺特点，在有支撑或者无支撑的条件下圆形流道在顶部成型时会出先明显的变形，并且伴随着表面质量的明显恶化。为明确菱形截面流道和传统圆形截面流道的实际加工效果，结合选区激光熔融(SLM)的悬垂面限制，采用带有圆角的菱形截面流道设计，短直流道的设计如图4所示。图5的结果比较可以看出菱形截面流道可以有效减少被加工流道的形变且形变分布多集中在正值，说明菱形截面流道可以避免不可修复的流道形变。然而，流道内表面的粗糙度在圆形和菱形截面流道内都难以满足实际需要。因此，有必要进一步降低菱形截面的内表面粗糙度。
图 5 有无支撑圆形流道与无支撑菱形截面流道形变对比
采用响应曲面方法（RSM）探索加工参数（激光功率，扫描间距和扫描速度）对流道内表面粗糙度的影响。从图6可以看出，扫面间距和扫描速度对粗糙度的影响大于激光功率的变化对粗糙度的影响。进一步地，加工参数的优化组合通过分析得出，在（激光功率，扫面间距，扫描速度）的编号水平为（-1.633, -0.1784, 0.7093）时可以达到良好的表面质量，最优值可达到11.0565 μm。
图 6 流道内表面的响应曲面
研究团队介绍
研究团队拥有教师3人，高级工程师1名，在读研究生24人，其中博士生13人，硕士生11人。主要研究方向：流体动力基础件和机电装备电液控制系统研究，包括高速重载变量轴向柱塞泵的设计理论与测试方法、高频响大流量电液控制阀高精度控制技术及电液控制系统的高效功率传递与能量调控，航空液压、液压机器人、金属增材制造等。
团队负责人
张军辉，男，现为浙江大学机械电子工程研究所副研究员，硕士生导师，任浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室办公室主任，是“十二五”机械工业优秀创新团队—“高性能液压基础件创新团队”和浙江省重点科技创新团队——“复杂机电系统创新团队”的核心成员。
主要研究方向是航空液压、液压机器人、金属增材制造，以负责人身份承担国家自然科学基金2项，国防军工单位委托科研项目10余项，以技术骨干参与973课题1项、国家科技支撑计划2项、国家自然科学基金重点项目1项等。研究成果已在机电领域国际刊物上录用发表SCI论文50余篇，其中第一/通讯作者30余篇，获得2015年中国机械工程学会优秀论文奖1篇，2017年第二届中国科协优秀科技论文奖1篇，国际会议最佳论文奖2篇，授权发明专利20余项。获得中国机械工业科学技术奖一等奖2项（分别排2和5），高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）二等奖1项（排2）。
本文来自液压与气动，本文观点不代表iHydrostatics静液压立场。
