射流管式伺服閥耐久性仿真分析

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射流管式伺服閥耐久性仿真分析

褚淵博，袁朝輝，李聰英

(西北工業大學自動化學院，陜西西安710072)

摘要:介紹了射流管式伺服閥的組成結構和工作原理，分析了影響射流管式伺服閥耐久性潛在薄弱項的失效機理，并分別進行了軟件仿真和耐久性壽命計算，通過軟件仿真和理論計算得出了射流管式伺服閥潛在薄弱項的耐久性壽命。仿真和計算結果表明:影響射流管式伺服閥耐久性潛在薄弱項壽命均滿足國家標準要求。研究方法和結果對于射流管式伺服閥故障的定性分析、預測和耐久性壽命的定量計算具有重要的參考價值。

關鍵詞:射流管伺服閥;耐久性;功率譜密度;沖蝕磨損;壽命預測

電液伺服閥是電液聯合控制的精密液壓元件，它接受輸入的電控信號后相應輸出調制的流量或壓力。射流管式與噴嘴擋板式伺服閥是目前世界上運用最普遍的兩級流量控制電液伺服閥。其中射流管式伺服閥在壓力效率、抗污染能力和低壓工作性能等方面都優于噴嘴擋板式［1］，然而射流管式伺服閥在國外主要應用于航空艦船等高端行業，對我國實行技術封鎖，相應的基礎理論和文獻公開較少見［2］。國內僅有中船重工七零四研究所研究并成規模地生產，其理論主要集中在結構及加工工藝的改進、材料的更替及測試方法的改變［3］，對于射流管伺服閥耐久性一般是通過試驗對產生的故障現象進行總結［4］，大部分都只給出了定性描述，尚無定量計算。

射流管伺服閥耐久性是指在規定的使用、儲存與維修條件下，達到失效狀態前，完成規定功能的能力，一般用壽命度量。本文在對射流管伺服閥組成結構及工作原理分析基礎上，結合某單位給出的伺服閥故障模式及影響分析(FMEA)報告［4］，確定影響伺服閥耐久性薄弱項并分別進行失效機理分析、軟件仿真和耐久性壽命定量計算。研究方法和結果對伺服閥故障的定性分析、預測和耐久性壽命的定量計算具有重要的參考價值。

1　射流管式伺服閥組成結構和工作原理

圖1　射流管式伺服閥結構圖

如圖1所示，射流管式伺服閥組成結構包括動鐵式永磁力矩馬達、射流管放大器、滑閥組件和反饋組件四部分，其中反饋組件以力反饋的形式使整個伺服閥系統閉環協調工作。射流管伺服閥的工作過程分為噴嘴處于接收器中位和發生偏移2種狀態。當力矩馬達無電流輸入時，閥芯處于中位，伺服閥無流量輸出;當有電流輸入時，銜鐵射流管組件偏轉θ角度，油液從偏轉的噴嘴中射流至接收器的兩接收孔內，兩腔形成的壓差Δp使閥芯運動直到反饋組件產生的力與油液作用于閥芯的力達到動力學平衡，此時伺服閥的輸出流量與輸入電流成正比。

2　射流管式伺服閥耐久性分析

射流管伺服閥壽命周期內的工作載荷主要為壓力和行程，環境載荷主要為振動和溫度，結合文獻［4］中某單位給出的伺服閥故障模式及影響分析(FMEA)報告，確定并進行整體振動疲勞、閥芯閥體磨損、反饋組件應力疲勞和噴嘴接收器沖蝕磨損4個伺服閥耐久性潛在薄弱項的分析。2. 1整體耐久性振動疲勞壽命分析

射流管伺服閥廣泛應用于航空工業中，一般安裝于舵機上，屬于典型的機載設備。其實際受到的振動作用主要是由發動機噴氣噪聲和附面層氣動擾流所引起的隨機振動。依據航空振動標準進行實際振動環境模擬試驗，可檢驗機載設備能否經受住所處振動環境引起的振動應力，確保良好的工作可靠性。

采用ANSYS14. 0軟件對伺服閥整體進行隨機振動分析。振動試驗方法中以寬帶隨機試驗方法應用最為廣泛，圖2所示為GJB150-16A給出的噴氣式飛機機載設備隨機振動譜氣式飛機機載設備所受振動譜［5］，以其模擬伺服閥所受的隨機振動工況，表1所示為在X、Y、Z方向施加激勵試驗應力幅值，從試驗結果看X方向應力幅值最大，最大值均發生于力矩馬達簧片處，其余部分的應力值均小于19 MPa。應用基于高斯分布的三區間法［6］分析伺服閥振動疲勞壽命，由于1σ、2σ、3σ對應的最大應力幅值均小于鈹青銅材料的疲勞極限260 MPa［7］，其余部分應力值均小于所選材料疲勞極限，在不考慮結構本身缺陷的情況下，伺服閥結構本身不會出現疲勞破壞問題，疲勞壽命也會遠遠大于5 000 h，即振動環境對伺服閥耐久性疲勞壽命影響不大。

表1　伺服閥隨機振動試驗最大應力幅值

圖2　噴氣式飛機機載設備隨機振動譜

2. 2閥芯閥體耐久性磨損壽命分析

如圖1所示，伺服閥閥芯在兩腔壓差作用下運動，閥芯與閥體相對位置的變化控制油口的通斷。由于加工誤差會將柱塞等加工成有一定錐度的圓錐面，閥芯裝入閥體中便形成了外圓柱面和內圓錐面構成的環形間隙流動，當環形間隙流動為漸擴流動時，便會出現側向力。此工況下閥芯與閥體間的配合間隙會因磨損而逐漸增大，當間隙增大到泄漏量決定的最大允許值時，伺服閥耐久性磨損壽命隨即結束。經分析決定伺服閥耐久性磨損壽命的部位為閥芯4個凸肩處。

本文采用線磨損度來定量描述閥芯閥體間的磨損值，線磨損度是指摩擦表面法向尺寸變化與滑移距離的比值，該方法考慮了摩擦副表面的微觀特征，在穩定磨損階段其線磨損度I為［8］:

式中: K1為由材料表面幾何輪廓沿高度分布所決定的系數; Kt為修正系數;α=Aa/Ar，其中Aa、Ar為名義接觸面積和實際接觸面積;σH為平均接觸應力;ξ為材料微觀表面支承曲線參數; ty為材料摩擦疲勞曲線參數;λ為表面粗糙度綜合特性; k為接觸處應力狀態的特性系數; fM為摩擦因數;σ0為材料極限破壞應力; E為彈性模量。

閥芯與閥體間的平均接觸應力來源于閥芯的液壓側向力。當圖1中4個凸肩處均為漸擴間隙流動時，閥芯整體所受側向力最大。第2凸肩閥體配合段的簡化模型如圖3所示。圖中圓錐大端壓力和間隙分別為p1和h1，小端壓力和間隙分別為p2和h2，由加工最大圓柱度偏差決定的倒錐大小端半徑差為0. 002 5 mm，閥芯最大位移L為0. 32 mm，配合段間隙h0處的壓力為p0［8］。

圖3　射流管伺服閥磨損局部放大圖

式中

則側向力

式中: p1= 21 MPa; p2= 0 MPa; e為閥芯完全偏心距，e = 0. 012 mm; d為閥芯大端直徑，d = 8 mm。

同理可計算出其余3處凸肩的側向力分別為42. 24 N、11. 83 N及113. 76 N。根據經驗在閥芯凸肩上開3個均壓槽影響因子為0. 06，計算得閥芯位移0. 32 mm時，其側向力為F為10. 78 N，此時閥芯與閥體接觸面積為S為108. 5 mm2，則接觸應力:

表2列出了閥芯偏移量所對應的接觸應力。可以看出閥芯與閥體間的接觸應力隨閥芯偏移量在0. 110 ～0. 116 MPa內變化，將接觸應力最大值0. 116 MPa帶入(1)式，考慮伺服閥實際，(1)式中其余參數的取值見表3。求得線磨損度I，閥芯開啟一次線性磨損量為:

式中: s為相對運動行程，s = 0. 32 mm。閥芯閥體的耐久性磨損壽命為:

表2　閥芯偏移量、側向力和接觸應力對照表

式中: hmax為由最大允許泄漏量決定的許用磨損量，hmax= 0. 0025 mm。

表3　線磨損度相關參數取值表

2. 3反饋組件耐久性應力疲勞壽命分析

圖4　射流管反饋組件模型

如圖4所示，伺服閥反饋組件由反饋桿、調零絲、彈簧管和簧片等組成。反饋桿上端與噴嘴壓裝成一體，末端與閥芯鏈接，將閥芯反饋力矩經噴嘴、射流管組件、彈簧管傳遞至銜鐵組件，構成滑閥位移力反饋回路。伺服閥接受輸入電流過程中，反饋組件表面存在著應力比R=－1的循環交變應力，在此應力作用下，反饋組件可能產生局部永久結構變化，一定循環次數后形成裂紋進而導致疲勞破壞，此時的循環次數即為反饋組件的耐久性應力疲勞壽命。

選用ANSYS14. 0有限元分析軟件預測反饋組件的應力疲勞壽命，組件的材料性能參數如表4所示，將供油管、調零絲及支撐簧片與力矩馬達的接觸區域進行全約束，在銜鐵兩側向上和向下分別作用大小為0. 18 N力載荷，反饋桿末端與閥芯連接處施加大小為0. 32 mm的位移約束，選擇Insert/Equivalent選項，設置相關參數進行求解。得到反饋組件應力云圖如圖5所示，可以發現應力幅最大值出現在反饋桿的中部為149. 6 MPa，低于鈹青銅材料的疲勞極限260 MPa［7］，其余部分應力幅主要集中于1. 95×10－7～66. 49 MPa，低于所選材料的疲勞極限，依據S-N曲線應力疲勞計算方法，反饋組件的耐久性疲勞壽命遠大于107次循環載荷。

表4　材料性能參數

圖5　反饋組件交變載荷應力云圖

2. 4噴嘴接收器耐久性沖蝕磨損壽命分析

射流管伺服閥元件及液壓介質在生產和使用過程中不可避免地會產生固體顆粒污染物，這些顆粒隨液壓介質按一定速度和角度流動，會對伺服閥內部材料表面產生沖蝕磨損。據相關試驗測試，認為噴嘴至接收器的距離大于噴嘴直徑的3. 5倍時即不能保證其工作的穩定性和可靠性［1］。

采用FlUENT14. 0軟件進行沖蝕磨損率的數值模擬。圖6所示為噴嘴接收器沖蝕磨損計算模型，模擬以雷諾時均N-S方程、標準k-ε兩方程模型、離散相流動模型(DPM)和塑性材料沖蝕磨損模型為基礎，采用標準壁面函數處理壁面邊界層，選擇coupled算法，設置壓力值21 MPa為入口邊界條件，0 MPa為出口邊界條件，油液密度855 kg/m3，動力粘度0. 012 54 Pa·s。各項殘差收斂精度設為10－5，并監視出口速度，若出口速度基本無變化且殘差滿足要求時，可認為連續相計算結果收斂。在連續相收斂基礎上，設置離散相模型進行固體顆粒運動軌道模擬和沖蝕磨損率的計算。設入口平面為固體顆粒的注入平面，設置顆粒平均直徑50 um，質量流率0. 002 67 kg/s，密度1 400 kg/m3，應用Discrete Random Walk模型處理顆粒與流體離散渦之間的相互作用，分別對噴嘴不同偏移距離工況進行數值模擬。

圖6　噴嘴接收器沖蝕磨損計算模型

圖7　噴嘴未偏移時沖蝕磨損率分布圖

圖7為噴嘴未偏移時沖蝕率分布圖孔磨損率沿x方向分布圖。油液從入口進入射流管，在收縮頸處流速變大，液流方向與接收器內壁夾角22. 5°，此處沖蝕磨損率最大為1. 16×10－8(kg/m2s)，呈現兩邊對稱且距噴嘴軸線越遠沖蝕率越小。

如表5所示為噴嘴偏移量與最大磨損率的對應關系，可以發現最大沖蝕率的極大值出現在噴嘴未偏移現時，且隨噴嘴向左向右偏移而對稱。以噴嘴未偏移時的最大沖蝕率計算伺服閥耐久性沖蝕磨損壽命如(7)式所示。

式中，T為伺服閥耐久性沖蝕磨損壽命，h; Lmax為伺服閥可靠工作時噴嘴接收器間的最大距離，m; Rmax為最大沖蝕率的極大值，kg·m－2·s－1;ρ為噴嘴接收器的材料密度，kg/m3。

表5　噴嘴偏移量與最大磨損率的關系

3　耐久性分析方法驗證

為驗證本文所選用方法在射流管伺服閥耐久性分析中的有效性，針對文中2. 1～2. 4節依次對文獻［9-12］中的部分試驗進行分析計算。文獻［9］以鍍鋅結構鋼樣件為對象進行隨機振動疲勞損傷試驗，選取0. 07g2/Hz所對應實驗條件計算試件疲勞破壞時間(s) ;文獻［10］以鑄鐵材料的缸套為對象進行缸套-活塞環磨損實驗，選取C組工況計算缸套磨損量(μm) ;文獻［11］對45號鋼樣件進行加載應力疲勞實驗，選取305 MPa應力組計算樣件疲勞壽命(cycles) ;文獻［12］對工具鋼樣件進行噴射式沖蝕磨損試驗，以45°沖蝕角工況計算沖蝕率(kg/m2· s)。文獻中的試驗值和本文計算值如表6所示，對比發現本文關于伺服閥相似工況耐久性計算方法合理，可用于射流管伺服閥耐久性的分析。

表6　耐久性試驗值和計算值

4　結論

本文針對射流管伺服閥實際運用情況，確定影響其耐久性潛在薄弱項并進行分析計算。結果表明振動工況對伺服閥影響不大;閥芯閥體最苛刻工況下的磨損壽命可代表伺服閥耐久性磨損壽命;反饋組件最大應力幅位于反饋桿彎曲處，原因是這里存在應力集中，最大應力幅遠低所選材料的疲勞極限，不存在疲勞破壞問題;噴嘴接收器最大沖蝕磨損率出現在噴嘴未偏移時兩接收孔中間內壁區域且兩邊對稱。實際中采用丁腈橡膠材料的密封圈且會定期檢查更換，杜絕因密封圈老化而產生的泄漏故障。從耐久性壽命計算數值來看，均滿足國家標準對射流管伺服閥規定的5 000 h或107次的使用壽命要求［13］。

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Durability Simulation Analysis of Jet Pipe Servovalve

Chu Yuanbo，Yuan Zhaohui，Li Congying

(Department of Automatic Control，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China)

Abstract:The jet-pipe servovalve is widely used in the fields of aeronautics and astronautics; it is a kind of typical two-stage flow control electro-hydraulic servo-valve，whose performance will degradate due to work loads and environmental loads in practical use．The structure and working principle of jet-pipe servo-valve are introduced，the failure mechanism of weak item affecting jet-pipe serv-valve durability is analysed，the software simulation is conducted and the durability lifetime is calculated．The weak item’s durability lives of the jet-pipe servo-valve are obtained with software simulation and theoretical calculation respectively．The results and their analysis show preliminarily that the jet-pipe servo-valve durability life meets its standard requirements．Software simulation and durability life calculation method can be used to predict similar durability lifetime and evaluate product’s durability level; this，we believe，is useful for improving product’s durability design．

Key words:calculations，computer simulation，computer software，control，design，durability，erosion，failure modes，fatigue of materials，flow rate，forecasting，friction，motors，power spectral density，surface roughness，vibrations(mechanical)，wear of materials; erosion wear，jet-pipe servovalve，life prediction

作者簡介:褚淵博(1985—)，西北工業大學博士研究生，主要從事液壓伺服系統、液壓元件實驗和仿真理論研究。

收稿日期:2014-09-23

文章編號:1000-2758(2015) 02-0326-06

文獻標識碼:A

中圖分類號:TP23