CFD下的伺服閥銜鐵部件嘯叫研究

孟少杰 葛鵬翼

摘 要：本文對(duì)伺服閥銜鐵部件嘯叫問題開展研究，在分析伺服閥工作原理、介紹嘯叫問題基礎(chǔ)上，開展伺服閥嘯叫試驗(yàn)，通過試驗(yàn)結(jié)果分析銜鐵部件嘯叫的現(xiàn)象，并以CFD——Fluent軟件包內(nèi)的Gambit進(jìn)行模型網(wǎng)格劃分，將網(wǎng)格導(dǎo)入軟件，運(yùn)用有限體積法下的SIMPLE算法開展離散方程求解，利用獲得的壓力流線、壓力云圖等內(nèi)容分析嘯叫的機(jī)理，最后提出解決嘯叫問題的改造策略，并利用試驗(yàn)證明改造策略的可行性。

關(guān)鍵詞：伺服閥;銜鐵部件;嘯叫;高頻振動(dòng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.18.005

飛機(jī)液壓系統(tǒng)下的伺服閥，直接關(guān)聯(lián)著飛機(jī)的剎車功能，作為液壓系統(tǒng)常見故障，伺服閥銜鐵嘯叫，會(huì)嚴(yán)重影伺服閥性能與可靠性，嚴(yán)重情況下銜鐵的高頻振動(dòng)會(huì)造成彈簧管破裂油液外漏，帶來飛機(jī)剎車系統(tǒng)癱瘓的隱患，故開展伺服閥銜鐵嘯叫問題研究，對(duì)于飛機(jī)安全運(yùn)行保障至關(guān)重要。

1 伺服閥工作原理與嘯叫問題介紹

1.1 伺服閥工作原理

壓力伺服閥結(jié)構(gòu)原理圖如圖1：

壓力伺服閥，主要應(yīng)用于飛機(jī)的剎車液壓系統(tǒng)，如圖1，壓力伺服閥的結(jié)構(gòu)包括噴嘴擋板、永磁動(dòng)鐵力矩馬達(dá)、滑閥放大級(jí)等部件，壓力伺服閥工作原理主要包括兩大工況：

（1）伺服閥輸入控制電流=0的情況下，伺服閥的左噴嘴墻壓力相比右側(cè)噴嘴壓力較小，滑閥此刻處于左極限位置，回油口開啟后，敷在壓力等于回油的壓力;

（2）在輸入控制電流持續(xù)增加的工況下，擋板會(huì)向左側(cè)偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，左側(cè)噴嘴腔的壓力上升，滑閥此刻向右側(cè)移動(dòng)，回油邊關(guān)閉，此刻進(jìn)油邊逐漸呈現(xiàn)開啟狀態(tài)，有壓力經(jīng)過接流寇向負(fù)載強(qiáng)輸出壓力，此刻敷在壓力作用至閥芯反饋斷面，在閥芯外力逐漸達(dá)到平衡狀態(tài)期間，滑閥停止運(yùn)行，同時(shí)輸出負(fù)載和輸入電流信號(hào)關(guān)系為正比，在該過程下，敷在壓力作為負(fù)反饋?zhàn)兞繌亩纬砷]環(huán)控制輸出壓力[1]。

1.2 伺服閥嘯叫問題介紹

伺服閥嘯叫，始終是國(guó)內(nèi)外航空領(lǐng)域難以攻克、解決的技術(shù)難關(guān)，據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，我國(guó)飛機(jī)系統(tǒng)故障中，超過30%為液壓系統(tǒng)故障，而電液伺服閥當(dāng)屬液壓系統(tǒng)中最容易發(fā)生故障的部件，當(dāng)飛機(jī)飛行期間，發(fā)動(dòng)機(jī)、剎車系統(tǒng)、導(dǎo)彈飛控系統(tǒng)都處于工作狀態(tài)，一旦伺服閥出現(xiàn)高頻嘯叫，就會(huì)嚴(yán)重影響伺服閥的性能，伺服閥嘯叫階段，力矩馬達(dá)下的銜鐵部件進(jìn)入高頻自激正當(dāng)狀態(tài)，諧振頻率最高可達(dá)上千赫茲，同時(shí)會(huì)伴隨尖利刺耳的響聲，嚴(yán)重情況下，銜鐵部件的巨大振動(dòng)幅值會(huì)造成彈框開裂，伺服閥遭到破壞、油液露出，此刻伺服閥的輸出壓力將處于失控狀態(tài)，飛機(jī)剎車系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)入癱瘓狀態(tài)。

2 基于CFD的伺服閥銜鐵嘯叫研究

2.1 實(shí)驗(yàn)部分

準(zhǔn)備1現(xiàn)銜鐵組建，將其安裝于試驗(yàn)夾具上進(jìn)行剖面，流體從部件射流片的入射口進(jìn)入銜鐵部件，基于偏轉(zhuǎn)板中間的縫隙進(jìn)入到射流片接收口部位，制備實(shí)驗(yàn)工作也——12號(hào)航空液壓油，在試驗(yàn)階段逐漸提升進(jìn)油壓力，當(dāng)壓力提升至21MPa，發(fā)現(xiàn)銜鐵部件進(jìn)入高頻自激振動(dòng)，發(fā)出刺耳嘯叫，用手遏制振動(dòng)，一定程度降低嘯叫，但仍然無法徹底消除。在實(shí)驗(yàn)臺(tái)卸下第一個(gè)實(shí)驗(yàn)件，更換第二個(gè)銜鐵部件，先后共計(jì)進(jìn)行3個(gè)銜鐵部件試驗(yàn)，均在油壓提升至20～25MPa范圍內(nèi)產(chǎn)生高頻自激振蕩伴隨嘯叫。

2.2 CFD模擬求解

基于上述試驗(yàn)部分，證明銜鐵部件在流態(tài)作用下會(huì)產(chǎn)生高頻自激振動(dòng)伴隨嘯叫，該問題隸屬于典型流致振動(dòng)[2]，可由如下方程式表達(dá)：

式1中：表示相應(yīng)矢量，為空間變量、時(shí)間變量，代表時(shí)間變量、空間變量線性微分算子，而則為求解流暢方程得出的激勵(lì)矢量，在動(dòng)力學(xué)與有限元中表達(dá)形式如式2：

式2內(nèi)，為結(jié)構(gòu)算子，因流場(chǎng)會(huì)受結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的影響而改變流程對(duì)于結(jié)構(gòu)的作用力，故式1為求解難度較大非常線性體系，將式1右側(cè)進(jìn)行分解，即：

式3內(nèi)，為非線性項(xiàng)，是與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的流體力，僅同流體運(yùn)動(dòng)有關(guān)，為流體激振力，在本次試驗(yàn)中，銜鐵部件試驗(yàn)中為靜置狀態(tài)，自身無機(jī)械運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生振動(dòng)，故忽略式3內(nèi)的非線性項(xiàng)，僅對(duì)流體激振力開展分析，對(duì)使用CFD計(jì)算流場(chǎng)壓力獲取，CFD基本思想是使用有限個(gè)離散點(diǎn)上的變量值集合代替，基于一定的方式與原則建立變量間的流體關(guān)系方程組，隨后對(duì)方程組進(jìn)行求解獲取變量近似值。本次研究使用CFD——Flunet軟件包下的Gambit開展網(wǎng)絡(luò)劃分，隨后將完成劃分的網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent求解器進(jìn)行求解。首先，將液壓放大器模型抽取稱為Gambit模型與Fluent模型，進(jìn)行Gambit網(wǎng)格劃分[3]，液壓放大器劃分前后對(duì)比。

網(wǎng)格劃分后，網(wǎng)格數(shù)量共計(jì)2 401 944個(gè)，將網(wǎng)格導(dǎo)入luent計(jì)算，并開展如下設(shè)定工作，流體介質(zhì)按12號(hào)航空液壓油屬性進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，黏度設(shè)為0.0102kg/m·s，密度設(shè)置850kg/m?，牛頓流體，基于雷諾方程獲取流體的Re流態(tài)為串流，F(xiàn)luent模型選擇模型，選擇有限體積法下的SIMPLE計(jì)算方式進(jìn)行離散方程組求解，獲取模型壓力流線圖、壓力流線放大圖、局部壓力云圖等，如圖2所示。

觀察圖2A壓力流線，可發(fā)現(xiàn)在偏轉(zhuǎn)板入射口部位，流線存在突變現(xiàn)象，觀察圖2B局部放大可發(fā)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)板入射口部位疑似有負(fù)壓區(qū)域存在，隨后觀察圖2C、圖2D局部壓力云圖，可發(fā)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)板入射口部位有一條狹長(zhǎng)形狀的負(fù)壓區(qū)域，pascal值高達(dá)[-10 682 262，-9 099 011]，圖2E和2F為速度矢量。

在溫度恒定基礎(chǔ)上，液體的高速流動(dòng)會(huì)將其絕對(duì)壓力降低，在壓力<液體飽和蒸汽壓p階段，液體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量氣穴（蒸汽泡），在氣穴產(chǎn)生的這一過程下，液體的流通特性會(huì)變壞出現(xiàn)流量不穩(wěn)，這是造成銜鐵部件振動(dòng)、嘯叫的主要因素，特別是下游相對(duì)高壓區(qū)，一旦進(jìn)入含氣泡的液體，氣泡受高壓作用快速破滅，就會(huì)產(chǎn)生極高的溫度與壓力沖擊，基于CFD計(jì)算出的結(jié)果圖可以發(fā)現(xiàn)，偏轉(zhuǎn)板孔口的局部速度較大，同時(shí)偏轉(zhuǎn)班板部位出現(xiàn)了負(fù)壓區(qū)域，此刻必然產(chǎn)生氣穴造成孔口液流嘯叫，且該區(qū)域產(chǎn)生的局部壓力沖擊會(huì)持續(xù)作用于偏轉(zhuǎn)板，偏轉(zhuǎn)板就會(huì)造成受迫振動(dòng)，而其彈性擾動(dòng)的彈簧管剛度較小且彈性模量很低，所以就會(huì)帶動(dòng)整個(gè)銜鐵高頻振動(dòng)，油路流場(chǎng)因振動(dòng)被重新分布，形成流體流動(dòng)——偏轉(zhuǎn)板——射流片三者流固耦合關(guān)系，加劇流體壓力的脈動(dòng)，銜鐵部件振動(dòng)加劇，綜上分析，試驗(yàn)中聽到的銜鐵嘯叫，源自于液流流經(jīng)偏轉(zhuǎn)板孔口產(chǎn)生液流嘯叫，結(jié)合銜鐵部件高品振動(dòng)帶動(dòng)空氣振動(dòng)而產(chǎn)生的綜合嘯叫，且銜鐵帶動(dòng)空氣振動(dòng)是主要嘯叫源頭。

3 結(jié)語(yǔ)

伺服閥嘯叫不僅影響飛機(jī)液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)伴隨著飛機(jī)剎車系統(tǒng)癱瘓風(fēng)險(xiǎn)，本次以CFD為基礎(chǔ)技術(shù)，通過伺服閥銜鐵部件實(shí)體試驗(yàn)的形式，基于一系列試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置，重現(xiàn)銜鐵部件嘯叫，分析嘯叫產(chǎn)生的原因，隨后利用CFD技術(shù)，基于模型計(jì)算獲取伺服閥銜鐵嘯叫的極力，在銜鐵嘯叫機(jī)理分析基礎(chǔ)上，嘗改造偏轉(zhuǎn)板，改造后再次進(jìn)行CFD計(jì)算與實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)，計(jì)算結(jié)果下的速度矢量圖、壓力云圖、壓力流線圖以及與實(shí)體實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明改造偏轉(zhuǎn)板狀態(tài)，可以解決伺服閥嘯叫問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳元章.基于CFD的電液伺服閥銜鐵部件嘯叫研究[J].液壓氣動(dòng)與密封，2012，32（09）：9-12.

[2]彭敬輝.伺服閥銜鐵部件的自激振動(dòng)特性及磁流體的抑振研究[D].2016.

[3]李松晶，彭敬輝，張亮.伺服閥力矩馬達(dá)銜鐵部件的振動(dòng)特性分析[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，36（03）：38-41.