为解决挖掘机不确定性非平稳随机载荷与确定性阀芯拓扑形态的匹配问题,提出了挖掘机多路阀的载荷分类设计。将挖掘机非平稳随机循环载荷近似地分解为由作业条件决定的趋势项和由力学特性决定的随机项;构建趋势项负载参数化模型,选择具有显著性影响的模型参数表达载荷变化;根据典型作业条件及机体机构确定负载模型参数变化域(负载变化范围),将负载模型参数变化域离散为若干类别,各类别在较小的载荷变化范围内设计对应阀芯,根据不同挖掘机的实际载荷变化范围选择恰当阀芯,以此实现机种作业载荷与其阀芯拓扑的匹配。以某20吨级液压挖掘机回转联阀芯与回转载荷的匹配为研究对象,验证了该设计方法的有效性。挖掘机多路阀的载荷分类设计,可实现面向不同机种、不同作业条件,满足多路阀节流特性要求的阀芯拓扑形态快速响应设计。

为避免多路阀阀芯拓扑形态设计中满足多种复杂载荷条件的计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)仿真的庞大计算量,提出了多路阀阀芯拓扑形态设计的流量数参数模型。由于多路阀常处于饱和流量状态,故假设流量系数仅与阀芯拓扑形态和阀芯位移有关,用流量数作为表达节流槽流量控制特性的参数。首先,通过有限变量空间中的CFD仿真样本,运用统计学方法建立不同节流槽结构的流量数参数模型。然后,通过线性叠加得到阀口的流量数参数模型。最后,以20吨级液压挖掘机多路阀为研究对象,使用流量数参数模型实现了一定载荷特征与性能要求下的多路阀节流结构定制化设计。研究结果表明,流量数参数模型对复杂载荷条件下多路阀阀芯拓扑形态设计具有良好的设计精度与简便性。