微非對稱結(jié)構(gòu)燃油伺服閥壓漂特性

鄭樹偉, 陳冬京, 徐殿峰, 張 晉

(1.中國航發(fā)長春控制科技有限公司, 吉林 長春 130102；2.燕山大學 機械工程學院，河北 秦皇島 066004)

引言

偏導射流燃油電液伺服閥具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、抗污染能力強及動態(tài)響應好等優(yōu)點，被廣泛應用于航空、航天等領(lǐng)域中[1-2]。

偏導射流電液伺服閥的基礎特性研究是該領(lǐng)域的研究熱點[3]。針對伺服閥的流場特性及結(jié)構(gòu)影響，國內(nèi)外均有一定研究。針對前置級流場特性主要采用有限元計算的方式進行仿真分析[4-6]。對于偏導射流伺服閥工作壓力的形成機理有理論研究及模型的建立[7]。在結(jié)構(gòu)參數(shù)上，劈尖形狀[8]、劈尖寬度[9]、 射流口、接收孔以及V形槽等[10]參數(shù)的影響均有所研究。進出油口阻尼孔大小、射流口寬度及閥口結(jié)構(gòu)對前置級壓力特性也有一定影響[11-13]。

與普通電液伺服閥相比，燃油電液伺服閥工作環(huán)境惡劣，零漂現(xiàn)象更為嚴重，其前置級結(jié)構(gòu)對流場特性的影響亟需研究。基于某款燃油電液伺服閥的結(jié)構(gòu)及尺寸參數(shù)，建立流場有限元模型并進行不同結(jié)構(gòu)的仿真計算，探究不同回油壓力下前置級結(jié)構(gòu)非對稱性對內(nèi)部流場的影響，并通過PIV技術(shù)將流場可視化，驗證仿真結(jié)果。

1 理論分析

1.1 前置級工作原理

燃油電液伺服閥的原理如圖1所示。

1.銜鐵 2.彈簧管 3.偏轉(zhuǎn)板 4.反饋桿5.閥芯 6.射流盤 7.V形槽圖1 偏轉(zhuǎn)板射流伺服閥原理圖

前置級為偏導射流式，由射流盤和偏轉(zhuǎn)板兩部分組成，前置級結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。偏轉(zhuǎn)板位于反饋桿上，反饋桿的末端小球插在滑閥級閥芯中部。無控制電流輸入時，偏轉(zhuǎn)板處于中位，左右接收孔恢復壓力相等，閥芯無位移；當電流輸入時，銜鐵帶動反饋桿發(fā)生偏轉(zhuǎn)，反饋桿上偏轉(zhuǎn)板位置發(fā)生變化，從而使左右接收孔內(nèi)恢復壓力不同，閥芯兩端產(chǎn)生壓差，導致閥芯位移，相對應的產(chǎn)生一定流量。

圖2 前置級結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)

射流盤與偏轉(zhuǎn)板組件作為偏轉(zhuǎn)板射流伺服閥的前置級，其主要功能是將偏轉(zhuǎn)板的偏轉(zhuǎn)位移信號轉(zhuǎn)換為液壓信號，進而來驅(qū)動閥芯運動。通過分析前置級的相關(guān)影響參數(shù)，建立前置級數(shù)學模型，得到銜鐵轉(zhuǎn)角與接收孔恢復壓力的對應關(guān)系。

圖3為偏轉(zhuǎn)板射流伺服閥的前置級流動示意圖。噴嘴噴出的油液通過偏轉(zhuǎn)板后，一部分經(jīng)回油通道流出，另一部分則流入兩接收孔內(nèi)，其中進入接收孔內(nèi)部的油液在沖擊作用下會有一部分返回。

圖3 前置級流動示意圖

由圖3知，當偏轉(zhuǎn)板處于零位時，則初始狀態(tài)下接收孔的有效進油寬度x0為：

(1)

式中,JW—— 二次射流口寬度，0.16 mm

SW—— 劈尖寬度，0.1 mm

根據(jù)伯努利方程可知，通過節(jié)流孔的油液流量Q為：

(2)

式中，Cdf—— 油液流量系數(shù)，0.67

A—— 節(jié)流孔窗口面積

ρ—— 液體密度，778 kg/m3

Δp—— 節(jié)流孔兩側(cè)油液壓差

將前置級中油液的流動通道近似成節(jié)流孔流動，忽略流動過程中的沿程能量損失，當偏轉(zhuǎn)板向左偏移時，可得左接收孔的流入流量Qp1和流出流量Qp2分別為：

(3)

(4)

式中,d—— 偏轉(zhuǎn)板厚度，0.51 mm

xj—— 偏轉(zhuǎn)板位移，mm

ps—— 偏轉(zhuǎn)板入口壓力，2.2 MPa

pa—— 左接收孔壓力即閥芯左端對應壓力，MPa

RW—— 接收孔進油寬度，0.29 mm

pr—— 出油口壓力，0 MPa

那么，左接收孔的凈流量Qpa為：

Qpa=Qp1-Qp2

(5)

右接收孔的流入流量Qp3、流出流量Qp4和凈流出流量Qpb分別為：

(6)

(7)

Qpb=Qp4-Qp3

(8)

式中，pb為右接收孔壓力即閥芯右端對應壓力。

由以上分析可知，前置級的流量方程是非線性的。為分析其動態(tài)性能需要對上述流量方程進行線性化處理。當偏轉(zhuǎn)板處于零位時，依據(jù)設計準則，pa和pb應為一固定值，假定：

pa=pb=σps

(9)

式中，σ為接收孔壓力系數(shù)。

忽略出油口壓力pr，由流量連續(xù)性方程可知，負載流量：

QLR=Qpa=Qpb

(10)

將式(5)在xj=0和Qpa=0處泰勒級數(shù)展開，忽略高階無窮小項，可得：

(11)

將式(8)進行泰勒級數(shù)展開，可得：

(12)

偏轉(zhuǎn)板實際工作狀態(tài)下的位移相對于射流盤的結(jié)構(gòu)尺寸較小，穩(wěn)態(tài)時偏轉(zhuǎn)板位移xj<1 μm，忽略偏轉(zhuǎn)板位移xj，將式(11)與式(12)相加，可得:

(13)

其中：

pLR=pa-pb

(14)

式中,pLR—— 左右兩接收孔壓差即閥芯兩端壓力差

ΔpLR—— 壓差變化量

ΔQLR—— 流量變化量

偏轉(zhuǎn)射流伺服閥前置級在工作點附近的線性化流量方程可近似為：

QLR=KQRxj-KCRpLR

(15)

式中，KQR為偏轉(zhuǎn)板射流伺服閥前置級流量增益，

KCR為偏轉(zhuǎn)板射流伺服閥前置級流量-壓力系數(shù)，

QLR為偏轉(zhuǎn)板射流伺服閥前置級輸出流量。

式(15)為數(shù)值計算偏轉(zhuǎn)板射流伺服閥的前置級流量方程提供了一種估算方案。在符合假設情況下，可根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)估算伺服閥的前置級流量及壓力增益。為獲得精確的偏轉(zhuǎn)板射流伺服閥前置級的線性化流量方程，將結(jié)合Fluent流體仿真軟件對前置級的線性化流量方程進行修正。

2 仿真分析

2.1 前置級流場仿真設置

根據(jù)偏導射流式伺服閥的結(jié)構(gòu)尺寸搭建流場有限元模型，其主要尺寸如表1所示。

表1 前置級組件結(jié)構(gòu)參數(shù)

通過SolidWorks建立伺服閥前置級流場有限元模型，前置級結(jié)構(gòu)模型如圖4所示，前置級流場模型如圖5所示。前置級組件包括固定盤、噴嘴、定位銷和分流器。

圖4 前置級結(jié)構(gòu)

圖5 前置級流場

利用Gambit軟件對射流偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級流場進行網(wǎng)格劃分。為得到高質(zhì)量網(wǎng)格，在保證前置級主要結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的條件下對流場模型進行簡化。簡化模型結(jié)構(gòu)相對規(guī)則，大部分區(qū)域采用六面體網(wǎng)格劃分法，小部分不規(guī)則區(qū)域采用四面體網(wǎng)格劃分法，對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)區(qū)域的網(wǎng)格進行加密處理，整體網(wǎng)格數(shù)量為300萬，如圖6、圖7所示。

圖6 前置級整體流場網(wǎng)格

圖7 二次射流口區(qū)域網(wǎng)格

由雷諾數(shù)可確定流動為湍流，采用標準k-εRNG湍流模型。將進油口設為壓力入口，將回油口設為壓力出口，壓力值見表2。忽略壁面與流體之間的熱交換，設定壁面為無滑移壁面。流體介質(zhì)為航空3號煤油，密度為778 kg/m3，動力黏度為0.0016 Pa·s。各項殘差設置為10-4，求解算法采用SIMPLE算法。

表2 進、回油壓力設定數(shù)值表

2.2 不同結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果分析

1) 結(jié)構(gòu)對稱

前置級流場流速與壓力分布如圖8、圖9所示。進油口處流體流速較小，接近于0 m/s；當流體流向一次射流口時，由于過流界面縮小而流速增加，速度接近70 m/s，壓力降低；在一次射流口和二次射流口之間，流體速度略有降低，壓力升高；流體經(jīng)過接收口劈尖后，向兩側(cè)繞流，最終從回油口流出。

圖8 前置級流場三維流速分布

圖9 前置級流場三維壓力分布

流體在偏轉(zhuǎn)板厚度方向速度和壓力變化不明顯。

通過對流速分析可知，當偏轉(zhuǎn)板位于中位時，前置級流場左右區(qū)域流速分布基本對稱；當偏轉(zhuǎn)板右移時，液流經(jīng)過二次射流后，流入左側(cè)液流減少，流入右側(cè)液流增加，前置級流場左右區(qū)域流速分布明顯不對稱；隨著回油壓力pr增加，從一次射流口射流的液流其流速明顯減小。

通過對壓力分布分析可知，當偏轉(zhuǎn)板位于中位時，兩接收口的恢復壓力相等；當回油壓力升高時，一次射流口處的壓力升高，兩接收口以及兩側(cè)回油區(qū)的壓力也會升高；當偏轉(zhuǎn)板位于右側(cè)xj=0.04 mm處時，右側(cè)接收口的恢復壓力要比左側(cè)接收口的壓力高；當回油壓力升高時，右側(cè)接收口的恢復壓力變化不明顯，但左側(cè)接收口的恢復壓力會明顯升高。

通過對流線分布分析可知，當偏轉(zhuǎn)板位于中位時，流體高速射流卷吸周圍低速流動的流體產(chǎn)生漩渦，并且左右區(qū)域的漩渦數(shù)量和尺度大致相同；當回油壓力由0 MPa升高至0.2 MPa時，劈尖左右兩側(cè)區(qū)域內(nèi)的漩渦尺度明顯減小；當回油壓力由0.2 MPa升高至0.4 MPa 時，劈尖左右兩側(cè)區(qū)域內(nèi)的漩渦尺度變化不明顯；當偏轉(zhuǎn)板位于右側(cè)xj=0.04 mm處時，右側(cè)區(qū)域內(nèi)的漩渦數(shù)量要多于左側(cè)；當回油壓力升高，流體二次射流經(jīng)過劈尖后流向右側(cè)回油區(qū)時，產(chǎn)生的漩渦尺度增加。

根據(jù)Fluent流場仿真結(jié)果，繪制偏轉(zhuǎn)板在不同位移時兩接收口的壓差變化曲線，如圖10所示。

圖10 不同回油壓力時兩接收口壓差曲線

由圖10可知：偏轉(zhuǎn)板位于中位時，兩接收口壓差為0 MPa；當回油壓力升高，壓力增益(即曲線的斜率)減小。

2) 劈尖非對稱

劈尖結(jié)構(gòu)非對稱分布的示意圖如圖11所示。偏轉(zhuǎn)板位于中位時，由于劈尖結(jié)構(gòu)非對稱導致前置級左右區(qū)域流場分布非對稱，兩接收口的恢復壓力不相等，導致伺服閥液壓零位發(fā)生偏移。通過Fluent軟件，分析在劈尖結(jié)構(gòu)非對稱時回油壓力對前置級流場流速和壓力分布狀態(tài)的影響規(guī)律。

圖11 劈尖結(jié)構(gòu)非對稱示意圖

當偏轉(zhuǎn)板位于最大位移處時，回油壓力對流體流速和壓力分布的影響規(guī)律與結(jié)構(gòu)對稱情況下的規(guī)律相似，但流場的分布狀態(tài)不同。

偏轉(zhuǎn)板位于中位時，左右區(qū)域流速分布基本對稱；當回油壓力升高，射流流速降低。當劈尖結(jié)構(gòu)存在微小非對稱時，流場流速和流線分布規(guī)律與結(jié)構(gòu)對稱的條件下大致相同。

前置級流場整體壓力分布云圖如圖12所示，由于劈尖結(jié)構(gòu)的非對稱，當偏轉(zhuǎn)板位于中位時，兩接收口的恢復壓力不相等，即壓差不為0。根據(jù)仿真結(jié)果繪制劈尖非對稱條件下，兩接收口壓差曲線，如圖13所示，偏轉(zhuǎn)板位于中位時，兩接收口壓差約為0.11 MPa。當回油壓力升高，壓力增益減小，但偏轉(zhuǎn)板中位時的壓差基本無變化。

圖12 劈尖非對稱前置級流場整體壓力分布云圖

圖13 不同回油壓力時兩接收口壓差曲線

3) 接收口內(nèi)側(cè)邊非對稱

偏轉(zhuǎn)板位于中位時，由于兩接收口內(nèi)側(cè)邊非對稱，因而兩接收口形狀不相同，如圖14所示。

圖14 接收口內(nèi)側(cè)邊非對稱示意圖

當偏轉(zhuǎn)板處于中位時，結(jié)構(gòu)非對稱導致流場左右區(qū)域的漩渦數(shù)量和尺度不同；當回油壓力升高時，射流核心區(qū)域流速降低，同時一次射流左側(cè)回油區(qū)的漩渦逐漸減小。

當回油壓力為0 MPa時，兩接收口的壓力分布明顯不一致；隨著回油壓力的升高，兩接收口的壓力分布趨于一致。

偏轉(zhuǎn)板不同位移時，兩接收口的壓差如圖15所示。當回油壓力升高時，兩接收口的壓力增益降低；同時，偏轉(zhuǎn)板零位時兩接收口的壓差明顯減小，由0.020567 MPa減小至0.002691 MPa，變化了0.017876 MPa。

圖15 不同回油壓力時兩接收口壓差曲線

4) 接收口外側(cè)邊非對稱

偏轉(zhuǎn)板位于中位時，由于兩接收口內(nèi)側(cè)邊非對稱，因而兩接收口形狀不相同，如圖16所示。

圖16 接收口外側(cè)邊非對稱示意圖

當偏轉(zhuǎn)板位于中位時，由于兩接收口外側(cè)邊非對稱，導致前置級左右區(qū)域流場分布狀態(tài)不同。從圖17可知，右側(cè)區(qū)域的漩渦尺度明顯大于左側(cè)區(qū)域的漩渦尺度。

圖17 接收口外側(cè)邊非對稱前置級流場局部流線和速度云圖

根據(jù)仿真結(jié)果，偏轉(zhuǎn)板位于中位時，當回油壓力升高，兩接收口壓差由0.043434 MPa變?yōu)?.036179 MPa，變化了0.007255 MPa。繪制不同回油壓力時兩接收口壓差曲線，如圖18所示。當回油壓力升高，兩接收口壓力增益減小。

圖18 不同回油壓力時兩接收口壓差曲線

5) V形槽非對稱

當V形槽非對稱時，不僅左右區(qū)域幾何尺寸不同，且液流射流角度發(fā)生輕微傾斜，導致左右接收口接收的流體速度及流量不同，其示意圖如圖19所示。

圖19 V形槽非對稱示意圖

由于V形槽非對稱，當偏轉(zhuǎn)板位于中位時，一次射流口兩側(cè)回油區(qū)的漩渦以及二次射流口兩側(cè)回油區(qū)的漩渦出現(xiàn)明顯非對稱，如圖20所示，并且，兩接收口區(qū)域的流速分布也非對稱。

圖20 V形槽非對稱前置級流場局部流線和速度云圖

前置級流場壓力分布如圖21所示，當回油壓力升高時，兩接收口的恢復壓力也升高。為了準確觀察兩接收口的壓力變化，利用Fluent仿真計算了偏轉(zhuǎn)板不同位移時的壓差，繪制不同回油壓力時兩接收口壓差曲線，如圖22所示。

圖21 V形槽非對稱前置級流場整體壓力分布云圖

圖22 不同回油壓力時兩接收口壓差曲線

由圖22可得，由于V形槽射流口傾斜，導致偏轉(zhuǎn)板中位時，左側(cè)接收口接收的流體多于右側(cè)，因此左側(cè)接收口的恢復壓力要高于右側(cè)。回油壓力升高，壓力增益減小。

6) 前置級仿真結(jié)果分析

根據(jù)仿真結(jié)果，繪制不同回油壓力下偏轉(zhuǎn)板中位時的壓差值，如圖23所示。

由圖23可知，當偏轉(zhuǎn)板處于中位，前置級結(jié)構(gòu)對稱時，不同回油壓力下接收口壓差及壓差變化量均為0 MPa，因此當結(jié)構(gòu)對稱時，伺服閥將不產(chǎn)生零偏及壓漂；當結(jié)構(gòu)非對稱時，左右接收口壓差不為0 MPa，此時伺服閥存在初始零偏，需要將伺服閥進行調(diào)零處理，其中在劈尖非對稱情況下由于其壓差最大，因此其初始零偏最大。

圖23 不同回油壓力結(jié)構(gòu)參數(shù)非對稱壓差

在回油壓力為0 MPa時，對伺服閥進行液壓調(diào)零，使偏轉(zhuǎn)板位于中位時兩接收口的壓差為0 MPa。當回油壓力改變，由于結(jié)構(gòu)非對稱，此時兩接收口壓力不均等變化而產(chǎn)生壓差，此壓差使伺服閥零位又發(fā)生漂移，即壓漂。

進行液壓調(diào)零后，各組以回油壓力0 MPa時兩接收口壓差為0 MPa，繪制壓差變化量圖，如圖24所示。

圖24 回油壓力改變對應的接收口壓差變化量

2.3 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對射流偏轉(zhuǎn)板伺服閥壓漂特性影響

1) 伺服閥仿真參數(shù)設置

根據(jù)技術(shù)要求，設置回油壓力為0 MPa時伺服閥仿真模型的零偏電流為6 mA，即輸入6 mA電流時伺服閥流量為0。然后將回油壓力為0.2，0.4 MPa時接收口壓差變化量|Δp|代入伺服閥數(shù)學模型，仿真計算出不同回油壓力時各個非對稱結(jié)構(gòu)參數(shù)下的零偏：

(16)

I0—— 無回油壓力時的零偏電流，I0=6 mA

In—— 額定電流，In=30 mA

穩(wěn)態(tài)液動力F與開口度x擬合曲線見圖25，流量系數(shù)C與開口度x擬合曲線見圖26。

圖25 穩(wěn)態(tài)液動力擬合曲線

圖26 流量系數(shù)擬合曲線

2) 伺服閥壓漂仿真結(jié)果及分析

利用Simulink搭建數(shù)學模型，模型中伺服閥的固有參數(shù)由實物及相關(guān)廠家提供，其他參量初選工程經(jīng)驗值，再由實驗所測數(shù)據(jù)進行修正，搭建的數(shù)學模型如圖27所示。

圖27 伺服閥數(shù)學仿真模型

分析不同回油壓力時各個非對稱結(jié)構(gòu)參數(shù)下伺服閥的零偏電流值I0以及零偏。4種結(jié)構(gòu)非對稱條件下，伺服閥零偏均小于額定電流In的3%。各個結(jié)構(gòu)參數(shù)非對稱時的伺服閥零偏，如圖28所示。

由圖28可知，當回油壓力為0.2 MPa時，接收口外側(cè)邊非對稱對伺服閥零偏影響最大，零偏為1.4%；當回油壓力為0.4 MPa時，接收口內(nèi)側(cè)邊非對稱對伺服閥零偏影響最大，零偏為2.67%。

圖28 不同回油壓力各結(jié)構(gòu)非對稱參數(shù)對伺服閥零偏影響

3 實驗結(jié)果

3.1 實驗裝置

為了獲得不同工況下伺服閥前置級流場分布情況，搭建了伺服閥前置級流場PIV測量試驗臺，如圖29所示。實驗系統(tǒng)主要由潛水泵、可調(diào)式節(jié)流閥、伺服閥前置級試驗模型、電磁流量計、變頻調(diào)速器、PIV流場測量系統(tǒng)等組成，試驗模型如圖30所示。

圖29 伺服閥前置級流場PIV測量試驗臺

圖30 可視化試驗模型實物

試驗中利用潛水泵為系統(tǒng)提供循環(huán)動力；利用變頻器與可調(diào)節(jié)流閥協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)流量；利用電磁流量計測量系統(tǒng)流量并將信號輸出。

3.2 實驗結(jié)果

實驗對V形槽中位、右移0.04 mm、上偏0.1 mm和下偏0.1 mm 4種情況下前置級流場進行了測量及分析，PIV實驗原始流場矢量圖及流線圖如圖31所示。

圖31 V形槽中位時PIV測量結(jié)果

將PIV測量結(jié)果導入到Tecplot軟件中后處理，得到V形槽不同位置時前置級流場云圖如圖32所示。可見其高速射流區(qū)及渦流等液流特性與流場仿真結(jié)果一致，驗證了流場仿真的正確性。

圖32 V形槽不同位置時速度云圖

4 結(jié)論

偏導射流伺服閥前置級的結(jié)構(gòu)形式對流場特性影響極大。分析前置級結(jié)構(gòu)參數(shù)的計算公式，建立前置級數(shù)學模型。結(jié)合伺服閥尺寸參數(shù)，建立前置級流場有限元模型，利用Fluent軟件分析不同回油壓力、不同結(jié)構(gòu)參數(shù)非對稱條件下，伺服閥前置級流場流速和壓力分布狀態(tài)，并將Fluent仿真得到的偏轉(zhuǎn)板不同位移時的前置級兩接收口壓差導入到Simulink伺服閥數(shù)學模型中，分析不同回油壓力、不同非對稱結(jié)構(gòu)對伺服閥壓漂的影響，得到如下結(jié)論：

(1) 當回油壓力為0.2 MPa時，接收口外側(cè)邊非對稱時伺服閥零偏最大，零偏為1.4%；當回油壓力為0.4 MPa時，接收口內(nèi)側(cè)邊非對稱時伺服閥零偏最大，零偏為2.67%。

(2) 為了減小伺服閥的壓漂，一方面需要保證左右接收口內(nèi)側(cè)邊以及外側(cè)邊的對稱度；另一方面，需要選擇合適的回油壓力范圍。

通過PIV技術(shù)進行了流場可視化實驗，根據(jù)實驗得到的流場速度云圖驗證了數(shù)學模型及仿真結(jié)果。基于簡化后的數(shù)學模型可進行非對稱結(jié)構(gòu)下伺服閥壓漂的計算，為偏導射流式伺服閥的前置級設計提供了理論依據(jù)。