基于FLUENT的電液射流偏轉板伺服閥仿真

馬銳軍

（1：北京中冶設備研究設計總院有限公司 北京 100029；2：中冶金屬板帶表面處理工程技術中心 北京 100029；3：中冶長材軋鋼工程技術中心 北京 100029）

1 前言

近年來，電液伺服系統越來越廣泛地應用到生產生活的各個領域。而電液伺服閥作為電液伺服系統中將電控信號轉換成液壓功率的關鍵元件，直接決定了電液伺服系統的性能。電液射流偏轉板伺服閥作為一種新型伺服閥，通過移動偏轉板來改變兩接收口的流量，使結構簡化，具有抗污染能力高、失效對中的優點，同時還提高了動態特性，使頻率特性達到上百赫茲，應用范圍十分廣闊。但目前電液射流偏轉板伺服閥的核心成熟技術基本由美國Moog公司掌握，國內在這方面尚無十分成熟完善的產品，對該伺服閥的工作特性和機理也沒有深入的研究。對該閥進行系統的分析和研究對我國高端伺服閥領域不受制于人有著重要意義。

2 電液射流偏轉板伺服閥的基本工作原理

電液射流偏轉板伺服閥工作原理圖如圖1所示，當輸入控制電流時，銜鐵在電磁場作用下旋轉，并帶動偏轉板向左或向右移動，兩接收口內流量不同引起壓力差ΔP，此時壓差ΔP推動閥芯向左或向右運動。閥的輸出流量與控制電流成正比。

圖1 伺服閥結構原理圖

其中射流片部分是整個伺服閥最關鍵的部位。如圖2所示，高壓油液從閥體中的管道以及下壓塊流向射流片，從射流口射出，經過偏轉板中部V型槽的導向作用分別流向左右兩個接收口。兩個接收口分別連接閥體內部閥芯的兩端，當偏轉板處于中位時，高壓油液平均流向兩個接收口，其在閥芯兩端產生的壓力相等，伺服閥不工作。當伺服閥得到一個工作信號，則偏轉板向左或向右移動一個微小的位移，導致流入左右兩個接收口的油液不等，于是在閥芯的兩端產生一個壓力差帶動閥芯工作。具體油道如圖3所示，油液在進入射流片時流動方向變化了90°，在高壓高速狀態下易造成流動馬赫數提高，故在后續的計算中采用湍流模型。

圖2 射流部分三維模型

圖3 射流部分流域模型

參照在制造過程中產生的問題，主要將基于以下幾個方面的分析計算：偏轉板受力，不同射流片厚度、接收口間距以及射流道長度和寬度對靜態特性的影響以及流體的時間動態脈動等。

3 伺服閥內部流域的建模

為了得到射流偏轉板伺服閥的各項工作特性，需要對伺服閥進行流場仿真。這就需要在伺服閥模型的基礎上建立一個流域的模型，也就是閥體內部空腔的模型。流域模型的搭建利用了SolidWorks軟件，各部分的尺寸均以Moog公司伺服閥零件尺寸為藍本，具體如圖4所示

圖4 伺服閥流域模型

從圖上可以看到，在整個閥的內部流域中，閥芯兩端部分的尺寸最大，直徑可以達到3mm～4mm，而射流片的射流口通道部分的尺寸僅有0.1mm～0.2mm，兩個尺寸的差距達到了20多倍，在后續的網格劃分中會導致不同部分的網格尺寸差異較大。為了保證后續網格劃分和迭代計算的精度，一般整個模型中網格的最小尺寸為模型最小尺寸的十到二十分之一，即0.01mm左右。若以該尺寸為整個模型劃分網格的話，則整個模型的網格數將會達到一個天文數字，以現有的計算水平來看計算時間將十分長，不符合時間及效率的要求，所以必須在模型的不同部分應用不同尺寸的網格，以減少模型的尺寸以及后續的計算量。為了方便不同部分尺寸的劃分，故將流域模型分割成多個實體，不同實體分別以不同的尺寸劃分網格。

三維網格在計算工作特性時能夠得到較為真實的數據，也能夠對伺服閥的閥內狀態進行立體全面的觀察，但相對二維模型（如圖5）來說計算量要大幾個數量級。在進行接收口間距、射流道長度和寬度這些與三維關系不大的參數對伺服閥工作特性影響的仿真分析時，使用二維模型能夠減少極大的計算量，并且在設定不同參數時，能夠很快地完成，后續的網格劃分工作也簡便很多，而三維模型則相對復雜麻煩很多而且容易出錯。雖然二維模型沒有三維模型的結果精確，但在對結果的定量要求不高情況下能夠較好地得到參數對特性的定性影響，即某個參數的變化對于工作特性的影響趨勢，這對于實際的生產研發已能夠起到一定的指導作用。

圖5 射流部分二維模型

4 Fluent建模

為了讓建立的模型能夠進行后續的流場計算，必須先對模型進行網格劃分。網格的劃分需要遵循幾個基礎原則，首先要保證網格質量。保證網格質量主要是靠保證關鍵部位的網格尺寸必須足夠小，有足夠的分辨率，另外選擇合適的網格類型也能夠提高網格的質量。除了網格質量，其次要注意的是網格的數量，雖然網格尺寸越小最后能得到的結果越精確，但是也要掌握度，尺寸過小反而會使網格單元的數量大大增加而獲得精度不成比例。在網格尺寸小到一定程度后，再縮小尺寸對結果的影響十分小，但這樣做卻會成倍成十倍地增加計算量，最后得不償失。按照經驗和嘗試的結果來看，網格最佳的最小尺寸是模型最小尺寸十至十五分之一左右。而在非關鍵部位，網格的尺寸設置為模型尺寸的五分之一左右都不會對結果產生太大的影響。根據這幾個基礎原則，最后劃分完畢的網格如圖6所示。

圖6 劃分網格后合并的模型實體

在開始進行迭代計算以后，如果設置了顯示殘差，則會在計算的過程中同步顯示計算的殘差值，如圖7所示當殘差縮小達到預設的值或計算達到了預設的步數則計算完畢。殘差的變化趨勢一般穩步下降，但在網格單元數目比較大的時候常出現波動，需要設置比較多的計算步數直到波動消失殘差穩定。殘差穩定后，即代表本次的求解計算完畢，此時及時保存數據結果。

圖7 迭代計算中的殘差

在求解結果收斂后，可以通過Fluent求解器自帶的后處理功能觀察模型中的壓力分布、速度分布、速度矢量等參數的等高線分布情況。通過菜單欄中的Display→Contours可以設置要觀察的面和參數。在三維模型中，為了觀察模型內部某個面的流場情況，需要先通過菜單欄中的Surface→Plane設置新的平面。需要通過設定三個點的坐標確定一個平面，設置完平面后即可在Contours中的Surfaces里選取。顯示出來的流場內部情況如圖8所示，這是二維模型中流場內部的壓力分布。Fluent自帶的求解器能夠直觀地顯示壓力分布、速度分布等情況，但從圖上并得不到精確的數據，得到定量的數據需要其他的方法。

圖8 流場二維壓力分布

5 仿真數據處理

射流道長度與偏轉板位移方向在一個平面上，故采用二維模型即可得到工作曲線。按照射流道長度0.4mm、0.9mm、1.4mm分別修改二維模型，網格劃分如圖9所示，在每個模型調整偏轉板的位移，一組共20個模型，最后得到三組伺服閥工作壓力關于偏轉板位移的工作曲線，如圖10所示。從射流閥的工作曲線可以看出，在偏轉板位移為0mm～0.05mm區間時，伺服閥工作壓力與偏轉板位移大致呈線性關系，斜率約為100MPa／mm～140MPa／mm。同時射流道長度越短，斜率越低，即在同等偏轉板位移的情況下，射流道較短的伺服閥能夠獲得比較大的工作壓力。

圖9 不同射流道長度的二維網格

圖10 不同射流道長度的工作曲線

與射流道長度的仿真類似，設立三組射流道寬度分別為0.1mm、0.15mm、0.20mm的二維網格，如圖11所示。每組網格包含20個不同偏轉板位移的模型，分別進行仿真后得到的工作曲線如圖12所示。

圖11 不同射流道寬度的二維模型

圖12 不同射流道寬度的工作曲線

從射流閥的工作曲線可以看出，在偏轉板位移為0mm～0.05mm區間時，伺服閥工作壓力與偏轉板位移大致呈線性關系，斜率約為120MPa／mm。射流道寬度為0.1mm的工作曲線的線性區間相對較窄，在偏轉板位移為0.02mm時即開始變緩，而射流道寬度為0.2mm時的工作曲線則穩定性和線性都比較好。

與射流道長度的仿真類似，設立三組接收口間距分別為0.02mm、0.06mm、0.10mm的二維網格，如圖13所示。每組網格包含20個不同偏轉板位移的模型，分別進行仿真后得到的工作曲線如圖14所示。從圖中可以看到，不同接收口間距的工作壓力—偏轉板位移曲線基本一致，但是在不同接收口寬度的工作曲線中，兩接收口起始的壓力差別較大。接收口間距越小，則當偏轉板處于中位的時候兩接收口的壓力越大。同時可以看出接收口間距越小則工作曲線越不穩定，為伺服閥設置比較大的接收口間距有利于得到較好的工作特性。

圖13 不同接收口間距的二維模型

圖14 不同接收口間距時的工作曲線

射流片的厚度與射流片流域的平移運動不處在同一維度，故采用三維模型進行計算，使用的三維模型為優化過后的局部模型。其中射流片的厚度分別設置為0.4mm和0.2mm，并且使用滑移網格進行計算，如圖15所示。分別進行仿真后得到的工作曲線如圖16所示。從圖上可以看到射流片厚度越大，則偏轉板位于中位時兩接收口的壓力越大。同時，同等偏轉板位移時，射流片厚度大的模型能夠輸出的工作壓力要比射流片厚度小的模型大，適當增加射流片厚度能夠提高伺服閥的增益。

圖15 不同射流片厚度的三維模型

圖16 不同射流片厚度時的工作曲線

上述數據說明了射流偏轉板伺服閥在各個不同參數下的工作特性，但圖像更能直觀地體現問題，圖17所示是伺服閥在偏轉板位移0.05mm時內部流域X-Y平面的壓力分布和速度分布情況。

圖17 X-Y平面的壓力分布和速度分布

從圖上可以看出壓力為18MPa的高壓油液從入口進入，經過射流道時速度增至最大，可達到120m／s，同時壓力大幅下降至3MPa～4MPa。在經過V型槽時油液流動受到約束，壓力提高，穿過V型槽后壓力下降。上述現象符合能量守恒原理，油液的壓力和速度成反比。油液到達接收口后受阻，分為兩股向兩面流去，最后進入回流，而接收口后的壓力顯著提高，兩接收口的壓力差即為工作壓力作用于閥芯兩端。油液越偏向于一邊的接收口，則該接收口后接受的動壓越大，即油液流向變化改變的動量轉換為接收口后的壓力。

結合各參數的影響可以發現，接收口能夠得到的最大工作壓力和射流道的截面積成正比。射流道截面積越大，則油液通過射流道的壓降就越 小，能夠保持較大的能量到達接收口部分。

6 結論

通過Fluent流場仿真軟件，基于Moog公司伺服閥零件模型完成了電液射流偏轉板伺服閥的多個流域模型的建模和網格劃分工作，并利用Fluent求解器迭代計算出模型在各個不同參數的情況下內部的壓力分布和速度分布等物理量。通過分析計算結果得到了伺服閥射流道長度與寬度、射流片厚度、接收口間距等多個參數對伺服閥工作特性的影響趨勢，同時分析說明了伺服閥流域內的工作狀況。這些數據能對實際樣品的研發能起到一定的借鑒和指導作用。