|
0 引言
随着二通插装阀控制技术日益广泛的应用，插装阀液压集成块 的设计问题已愈加受到人们的关注。由于插装阀元件的结构特殊性和集成块内部 孔道连通的复杂性，使集成块设计工作具有相当难度，颇费工时且容易出错。因 此，在设计过程中采用CAD技术和方法已成为行业内的必然选择。但在目前，国 内外所见的液压集成块CAD研究基本上集中在原理图绘制、孔道校核及二维工程 图输出等方面，很少涉及到液压集成块中元件布局和孔道连通的自动优化设计， 且大多数研究都集中在板式阀，针对插装阀的则较少见。
同时，随着CAD 专业软件、方法和工具的不断发展和升级，也为液压集成块CAD设计提供了更为 有利的外部软件支撑。在此新形势下，本文就插装阀集成块CAD设计方法进行了 深入研究，全面分析了插装阀的结构特征及集成块的设计方法，提出了一种以现 代设计理论和方法为基点的基于功能块及分层设计的插装阀集成块CAD设计方法 。
1 插装阀结构及其集成块设计方法
1.1插装阀的结构特征
二通插装阀由插装件、控制盖板、先导控制阀和集成块体四部分组成。 其中插装件坐于集成块体内部，集成块体既是插装阀的阀体，同时也是系统中所 有插装件的承载体。与普通板式阀相比，由于插装阀结构的特殊性使得插装阀集 成块的设计问题显得更加复杂，主要表现在以下几个方面:
(1) 二通插装 阀采用了插入式连接的座阀结构，整个插装件都坐在集成块体内部，其孔道为由 若干阶梯组成的阶梯孔，同时二通插装阀阶梯孔中带有侧向孔道，且该孔道的方 向只能由与其相通的插装阀位置来决定，具有孔道方向不定性。
(2)插装 阀系统中的控制油道非常复杂，若只是按照直孔方式进行连通则会大大增加工艺 孔的数量，影响集成块的性能，因此在加工条件允许的情况下，为减少工艺孔数 目，根据设计需要可适当地采用斜孔进行连通。
(3)插装阀的控制阻力采 用了阀口相互独立分离的结构，插装阀液压系统的元件数目大大增加。一般来说 ，一个普通板式阀的控制功能需用两个或四个甚至更多的插装阀才能实现，大大 增加了集成块元件布局设计的工作量。
1.2 集成块设计CAD方法分析
总结目前集成块CAD设计方法主要有两种:
(1)根据液压系统提供 的元件信息及元件之间的连通信息实现元件的计算机自动布局和孔道之间的自动 连通，直接生成集成块三维立体图或二维工程图。
(2)根据系统原理凭借 设计者的人脑思维和设计经验确定出集成块的集成方案，确定元件的布局位置， 然后利用计算机进行孔道安全校核，完成集成块CAD设计。
上述两种方法 中，第一种方法自动化程度高，以智能优化设计理论为依托，利用计算机实现集 成块自动布局和布孔，达到了对集成块体积、工艺孔数、最短孔道路径等优化目 标的最优设计，但由于各液压系统实际工作环境及装配环境的不一致性，很难将 其纳入优化设计模块当中，设计者还需根据系统工况对优化设计结果进行调改， 直至满足设计要求。第二种方法的元件布局和孔道连通全部由设计者根据经验设 计得出，虽可以满足系统实际工作及装配环境的需求，但缺少优化计算，只对孔 道连通进行安全校核，其设计结果仅为可行，难以达到最优，而且将插装阀集成 块所有元件的布局和孔道连通设计问题全部由设计者凭大脑思维和经验来完成， 大大增加了人的设计工作量，且设计难度很大，效率低。
对于二通插装 阀而言，由于其特殊的结构和大大增加的元件数目，若采用第一种方法进行设计 ，可以进行最优化设计，但同时也会极大地增加设计工作量，而且还需要对优化 设计后的结果进行调改。若采用第二种方法进行设计则自动化程度低，设计者设 计工作量大，效率低。为此，本文根据插装阀的结构特征，结合上述种设计方法 的优点，提出一种针对插装阀集成块的CAD设计方法—基于功能块及分层设 计的CAD方法，并对该方法进行了探讨性研究和分析。
2 功能块及分层设 计的实现
2.1 功能块及分层设计概念的引入
由插装阀的结构及工 作原理可知，每个插装阀液压系统都是由若干个基本功率回路组成，每个基本功 率回路实现与其相应的板式阀相同的作用。为此，将插装阀系统的每一个基本功 率回路作为一个整体参与到集成块的CAD设计中，同时，将每个基本功率回路内 元件的相互位置关系作为确定非可变方案来处理，故只需进行回路与回路之间的 布局优化，从而可以大大减少集成块设计工作量。
从液压系统确定的基 本功率回路或系统要求的特殊回路出发，引入功能块的概念，将一个或若干个基 本功率回路集中在集成块某一个典型区域内实现，再根据液压系统的实际工况进 行典型区域内元件的布局和孔道的连通设计，这样得到的区域称之为功能块。由 于每一个功能块上元件数目相对较少，相对位置关系容易确定，使设计变得相应 简单，大大降低了整体设计的难度。同时由于所有插装阀液压系统中的功率回路 是基本一致的，为此可以建立一个开放式数据库，将设计者根据基本回路设计的 功能块存于其中，随时进行调用，既避免了重复劳动，又可显著提高设计速度和 设计规范。
为将所有功能块有机组合以实现整体集成块的设计，本文又 引入分层设计思想，将整体集成块分成若干虚拟的层，每一虚拟层都由一个或数 个功能块组成。通过对各功能块的有机组合形成层，再对每一层进行元件布局、 孔道连通及校核，最后由层的组合形成一个层次鲜明的整体式液压集成块。其结 构层次关系如图1o
2.2 集成块CAD的分层设计方法
有了分层设计思想，就要考虑 如何进行液压集成块的分层。一般情况下，分层是依据液压系统中的基本功率回路来划分。由于集成块上的每一层(除了顶层)都留出上下两个面作为层与层之间 的结合面，故层内的元件只能布局在前后左右四个面上。对于四通回路，其层内 前后左右四个面均已占用，因此可以将一个四通回路的功能块作为集成块中的一 层来处理。但在实际中，液压系统中的功率回路是多样的，有些功率回路比较简 单，只有一个或两个元件(三通回路)，此时就可以考虑将其与另一简单回路合并 作为集成块的一层加以实现，以尽可能压缩集成块体内的冗余空间，达到体积最 小的优化设计目的。
集成块中元件的布局涉及到的设计变量较多，包括 元件安装基面、安装角度以及在面上的安装位置。在本文所述的分层设计中，层 的上下两面作为结合面，故安装面的集合为face ={前、后、左、右};安装角度 通常采用直角，构成一个安装角度集合angle={ 00 ，900，1800，2700};面上的 安装位置用面的相对坐标来表示coordinate= {x,y}。若对回路内每个元件都进 行布局优化，则由于集成块布局问题本身具有的建模复杂性和NP完全的性质，每 增加一个布局元件，都会大大增加布局求解的计算量和难度。为此，针对插装阀 元件数目多的结构特点，对插装阀基本功率回路内元件的相互位置关系布置采用 确定非可变的方案，将基本回路作为一个不可变的整体参与到集成块的设计中， 这样，只需对一个元件进行布局，其他元件的位置都可由该元件位置计算得出， 大大减少了布局计算的工作量，加快了设计进程。
2.3 分层设计实例
为具体说明功能块与分层设计在插装阀集成块设计中的应用与实现，以 一个简单的插装阀系统实例来说明基本功率回路的划分和层的设计。为简化问题 ，只对系统的主油路进行了分析，如图2.
由原理图 2a可以看出，本系统 由一个四通回路和两个三通回路组成。根据本文功能块和分层设计思想，可作如 下处理:1区中的四通回路直接作为集成块的一层来处理，2区和3区中的两个三通 回路合并作为集成块上的一层来实现，如图2b。这样，利用分层设计思想，将上 述两层合并，即完成整体集成块的初步结构设计，其上层包含两个三通回路及压 力表支路，下层实现一个四通回路，整个集成块层次鲜明，结构清晰，而且设计 简单快捷。
3 插装阀集成块CAD优化设计系统
利用分层设计的方 法调用各层相应的功能块，根据块中己有的数据和信息确定个元件的布局位置， 结合元件安装角度孔道连通方法进行集成块孔道网络优化设计。集成块CAD优化 设计各环节之间的关系如图3.
液压集成块CAD设计的核心之一是其外部元 件的布局优化设计，是一种复杂的空间布局问题，属NP完全问题，利用分层设计 的方法，充分利用插装阀液压系统功率回路的特性和设计人员丰富的设计经验， 将液压集成块虚拟地划分为若干层，快速合理地完成集成块外部元件的布局设计 。
4 结论
在全面分析插装阀的结构特征及其集成块的设计规律基 础上，提出一种基于功能块及分层设计的插装阀集成块CAD设计方法，深入研究 了功能块和分层设计思想在插装阀集成块设计中的应用，并得出如下结 论:
(1)研究的分层设计思想是将复杂的插装阀集成块虚拟地划分为若干 层，每层实现一个或数个基本功率回路的功能，大大降低了集成块的设计难度， 且结构优化，符合实际工程需求。
(2)功能块通用化数据库的建立，实现 了不同系统中相同功能块的重复调用，体现了一种可重组的设计思想，加快了设 计速度。
(3)本文提出的功能块与分层设计思想还具有将设计者的设计经 验及其创造性思维与计算机快速性设计相结合的特点。
实例分析表明， 基于功能块的分层设计CAD方法能够快速、准确地完成集成块的空间布局设计工 作，为提高集成块设计水平和质量及其自动化程度提供有力的技术保障。该问题 的进一步研究是利用现代智能优化设计理论，结合集成块的优化设计目标，在分 层基础上对整体集成块进行优化设计。
|