基于CFD的伺服閥銜鐵組件嘯叫分析

陳元章

(南京機電液壓工程研究中心航空機電系統綜合航空科技重點實驗室，江蘇南京210061)

電液伺服閥因其控制精度高、響應速度快而最初應用于航空航天領域，隨著液壓伺服技術的發展，電液伺服閥的應用已經擴展到冶金、化工、機械制造、地質勘探、工程機械等需要精確控制的領域。電液伺服閥作為液壓伺服系統中的關鍵部件，它把機械、電子和液壓技術緊密結合在一起，其性能直接影響到整個液壓伺服系統的性能，而銜鐵組件又是電液伺服閥的核心部件，通過它才能把控制信號的典型號與系統的機械系統、流體系統串聯起來，所以其性能直接影響了整個伺服閥的性能。但在實際的使用中，偶爾會發生伺服閥嘯叫現象，從而使伺服閥性能改變，系統性能降低，甚至會發生伺服閥銜鐵組件破裂漏油、系統失控的故障。

所以，研究伺服閥彈簧管嘯叫問題就顯得尤為重要，但由于伺服閥嘯叫的偶發性和隨機性，伺服閥的嘯叫很難復現。并且伺服閥嘯叫不僅僅是伺服閥本身的問題，它往往跟系統的結構、使用工況、工作環境等因素相關聯，所以很多時候是系統發生了伺服閥嘯叫問題，但在生產廠家的試驗室根本不能復現，這就進一步增加了伺服閥嘯叫機制分析的難度，所以從實驗流體力學上很難進行伺服閥嘯叫的機制分析。同時，由于伺服閥內部油路的復雜性，僅僅從理論流體力學等進行理論上的分析難度更大。近年來，隨著高速數字計算機的發展，以及為使用計算機解決物理問題而發展起來的精確算法，一門介于實驗流體力學和理論流體力學之間的計算流體力學 (Computational Fluent Dynamics，CFD)得到了長足發展，它既克服了理論流體力學問題中諸如非線性等一系列復雜問題的理論解計算問題，又克服了實驗流體力學中模型尺寸、流場擾動、人為因素和測量精度的限制。所以，計算流體力學已經成為流體力學研究中的第3種方法，目前在分析和解決流體力學問題的時候，計算流體力學已經成為與理論和實驗平等的角色，CFD方法與傳統的理論分析方法、實驗量測方法組成了研究流體流動的完整體系。

作者基于CFD技術，就某型伺服閥在研制過程中發生的彈簧管批次性嘯叫問題進行分析，并利用CFD技術提出相應的解決方法。

1 試驗過程

文中提及的銜鐵組件結構見圖1，圖中銜鐵起伺服閥驅動控制作用，彈簧管起彈性支撐并隔離流體和電信號作用，偏轉板起分配液流作用。彈簧管是彈性元件，在微小的電信號作用下需要發生彎曲變形，所以壁厚一般只有0.06～0.09 mm，因而其剛度不能太大。因此，彈簧管既是伺服閥銜鐵組件中的關鍵部件，也是其中的薄弱環節，伺服閥嘯叫很多時候就是由彈簧管的振動引起的，而且，因為彈簧管的壁厚相當薄，在振動嘯叫的時候，彈簧管往往會發生破裂。

圖1 銜鐵組件結構圖

把銜鐵組件安裝在如圖2所示的實驗夾具上，在圖示A－A的位置處做剖面，剖面結構見圖3。流體從射流片的入射口流入，通過偏轉板中間的縫隙進入到射流片的兩個接收口。

圖2 銜鐵組件實驗安裝圖

圖3 射流結構剖面圖

把圖2所示的試驗夾具和銜鐵組件試驗件安裝在試驗臺上，試驗臺使用的工作液為12號航空液壓油，試驗進油壓力為21 MPa，回油壓力約為0。試驗中，在把試驗臺進油壓力升到21 MPa的時候，銜鐵組件發出刺耳的嘯叫聲，觸摸銜鐵組件能感到明顯的高頻振蕩，更換試驗件，更換的5個銜鐵組件均發生了高頻振蕩嘯叫。

針對該現象進行分析。

2 CFD 模擬求解

試驗中的銜鐵組件在流體作用下產生的振動嘯叫，屬于典型的流致振動問題，流致振動基本方程可用如下算子形式來描述:

式中:x(X，t)為響應矢量;

X、t分別是空間、時間變量;

f(X，t)為激勵矢量，通過求解流場方程來獲得。

在動力學及有限元中的形式為:

由于結構的運動會影響流場從而改變流場對結構的作用力，所以，式 (1)是非線性體系，不易求解，因此，將式(1)右端分解為:

式中:fs(X，t)是非線性項，與結構運動有關，稱為運動相關的流體力;

ff(t)與結構的運動無關，僅與流體運動有關，稱為流體激振力。

試驗中作為結構部件的銜鐵組件本身是靜止部件，不會因為自身的機械運動而產生振動激勵，所以式(3)中的非線性項fs(X，t)可以忽略，僅考慮流體激振力ff(t)的作用。

流體激振力ff(t)可以通過CFD 計算流場的壓力獲得。文中即使用Fluent軟件包的前處理軟件Gambit進行網格劃分，再把劃分好的網格導入Fluent 求解器進行求解。

把圖3所示的結構圖抽取成Gambit 和Fluent模型，見圖4。因為抽取的模型為對稱結構，所以為減少計算量、加快計算效率，取一半的結構進行網格劃分，如圖5。利用Gambit 劃分網格，因為閥口存在明顯的銳邊，對閥口進行網格細化，劃分網格詳見圖6，共計79 924個網格(圖6為計算結束后在Fluent中取的整體視圖)。

圖4 液壓放大器模型

圖5 簡化后的液壓放大器模型

圖6 劃分的網格圖

把劃分好網格導入Fluent 進行計算，在數值求解的過程中，首先進行以下的設定:

(1)流體介質是液壓油。因為Fluent 中沒有適合的流體，所以按12號航空液壓油的屬性定義材料的特性:

ρ=850 kg/m3。

ν=0.010 2 kg/(m·s)。

(2)流體為牛頓流體。

(3)流體流態。由雷諾方程得:

所以，流體流態為湍流，選取Fluent模型為標準型k－ε模型。

(4)數值計算方法采用有限體積法中常用的SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)算法求解離散方程組。

(5)為保證計算精度，選取二階模型。

設定后對模型進行求解計算，計算結果見圖7—11。

圖7為流體的壓力云圖，可以看出偏轉板前后有一定的壓差，選取偏轉板左側的區域可得此區域的壓力為25.50～29.01 MPa，選取偏轉板右側的區域可得此區域的壓力為18.49～22.00 MPa。

圖8為流體的速度云圖，圖9為速度矢量圖，可以看出偏轉板出口與射流片結合處存在明顯的渦流渦旋。圖10為速度矢量圖的局部放大圖，更能清晰地看到渦旋的形式和方向。

圖11為流體沿軸線方向的壓力曲線圖，從圖中所做的輔佐線可以看出從－0.000 25～0.000 5 m的位移范圍內，即從偏轉板入口處到射流片接收口處，壓力從2.13×107Pa 急劇上升到3.0×107Pa。

圖7 壓力云圖

圖8 速度云圖

圖9 速度矢量圖

圖10 局部的速度矢量圖

圖11 沿軸線方向的壓力曲線圖

從圖7—11可以看出:這種結構下的模型在偏轉板出口處和射流片接收口處存在明顯的卡門渦，偏轉板內的抹茶切應力和漩渦運動消耗了大量能量，使尾流區的壓強降低，使偏轉板左右兩側的壓差變大，形成壓差阻力，且此卡門渦產生一定的流體激振力，偏轉板在此激振力的作用下產生了受迫振動，因為起彈性擾動的彈簧管彈性模量低、剛度小，從而帶動整個銜鐵組件做高頻振蕩，產生嘯叫。銜鐵組件的高頻振蕩又會影響油路內部流場的重新分布，流體流動與偏轉板和射流片之間構成一種強烈的流固耦合關系，從而加劇了流體的壓力脈動，使銜鐵組件的振動進一步加劇。

圖12 液壓放大器模型

為驗證以上分析，改變偏轉板的結構重新進行模擬計算和實際測試。改變后的結構剖面見圖12，對其重新進行網格的劃分，共計80 546個網格，詳見圖13。

圖13 劃分的網格圖

把劃分好的網格導入Fluent 進行計算，計算結果見圖14—17。

圖14 壓力云圖

圖15 速度云圖

圖16 速度矢量圖

圖17 沿軸線方向的壓力曲線圖

圖14為流態的壓力云圖，圖15為速度云圖，圖16為速度矢量圖，圖17為沿對稱軸方向的壓力變化圖。可以看出:產生的渦流渦旋消失，且偏轉板左右兩側的壓力基本相等;從對稱軸方向的壓力變化圖中也可以看出:在－0.000 4～0.000 5 m 內，即在射流片進出口之間的壓力波動很小。

把更改結構的試驗件安裝在試驗臺上進行測試，5件銜鐵組件試驗件均未產生振動嘯叫，并且在整個伺服閥的安裝調試試驗過程中也未出現伺服閥高頻嘯叫現象。

3 結論

(1)文中所做的實驗模擬再現了伺服閥彈簧管嘯叫現象，為理論分析提供了實驗基礎;

(2)通過Gambit、Fluent 等軟件模擬了伺服閥銜鐵組件流場的流固耦合現象，發現伺服閥銜鐵組件發生高頻嘯叫時，銜鐵組件內部流態產生了卡門渦，并伴隨著很大的壓差阻力和流體激振;

(3)通過改變產品的內部結構，再次進行流體流態的CFD 模擬，消除了銜鐵組件內部流態的卡門渦，并在實際的產品試驗中消除了伺服閥彈簧管嘯叫現象。

(4)文中只是定性分析了伺服閥銜鐵組件嘯叫的原因，并未定量分析伺服閥銜鐵組件嘯叫的原因。并不是流體中一旦產生渦流渦旋就會引起伺服閥的嘯叫，只有當產生的流體激振力達到一定的數量級，克服銜鐵組件的綜合剛度，從而迫使伺服閥銜鐵組件做受迫運動;或者當流體的卡曼渦旋脫落頻率與伺服閥銜鐵組件在流體中的固有頻率接近，引起伺服閥銜鐵組件共振的時候，伺服閥銜鐵組件才會產生振動，甚至產生嘯叫。清華大學的陳佐一教授更是開宗明義地提出:任何一種工程構件，在外界各種干擾的影響下，總會存在各種微小的振動，即使對于定常來流，這種微小振動也會使流經振動物體的流場產生振蕩，而振蕩流又進一步作用于振動物體。所以，自激振動的穩定性取決于物體振動過程中振蕩流場與物體之間能量交換的性質。在振動過程中，振蕩流場對振動物體做正功，則使振動加劇而導致不穩定;否則流體起了阻尼作用，振動是穩定的。這也是下一步需要繼續研究的方向。

(5)雖然產品內部流態產生卡門渦未必一定會引起伺服閥的振動嘯叫，但尾渦的存在畢竟增大了伺服閥嘯叫的隱患。相關文獻指出:渦旋脫落時候產生的振動影響比尾渦本身的影響更大。當結構件運動時，式(3)中的運動相關的流體力fs(X，t)不能再忽略，非線性項fs(X，t)的存在會引起渦的脫落頻率和分離特性、激振力的大小和相位、近尾跡的結構和湍流場，甚至對遠尾跡帶來影響，使產品內部流場更加復雜，振動嘯叫產生的可能性更大。而且，在伺服閥的實際使用中，伺服閥使用單位為了提高伺服閥的靈敏度經常會對伺服閥施加幾百赫茲頻率的激勵，使伺服閥銜鐵組件處于一定頻率的振動，更激化了伺服閥嘯叫的可能性。在伺服閥使用工作環境惡劣的時候，如飛機發動機開車，飛機、導彈在空中飛行的時候，伺服閥嘯叫的隱患就更為突出。

(6)傳統的機械設計只能從理論和經驗上盡量避免引起伺服閥振動嘯叫結構的存在，但是很難從實際上避免。作者利用CFD技術提供了一種避免伺服閥振動嘯叫的方法，降低了產生伺服閥嘯叫的可能性。

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