董娜娜1，孫浩乾，張 晉

(1.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 人文信息學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130000；2.燕山大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

引言

電液伺服閥性能影響了電液伺服系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)速度[1]，是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。伺服閥按前置級(jí)結(jié)構(gòu)形式可分為噴嘴擋板式伺服閥、射流管式伺服閥及偏導(dǎo)射流式伺服閥等幾類。其中，偏導(dǎo)射流式伺服閥具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、其可動(dòng)的偏轉(zhuǎn)板質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)。

本研究主要對(duì)偏導(dǎo)射流式伺服閥前置級(jí)液流特性進(jìn)行了分析，偏導(dǎo)射流式伺服閥前置級(jí)流場(chǎng)十分復(fù)雜，處于湍流狀態(tài)，并伴有渦流的產(chǎn)生及能量的轉(zhuǎn)化，因此，研究其前置級(jí)流場(chǎng)特性是十分必要的。國(guó)內(nèi)外對(duì)偏導(dǎo)射流式伺服閥前置級(jí)液流特性相關(guān)研究有很多。

文獻(xiàn)[2]對(duì)多層壓電雙晶片的偏導(dǎo)射流式伺服閥前置級(jí)流場(chǎng)進(jìn)行了研究，分析得到其具有更好的動(dòng)態(tài)特性。冀宏等[3-4]通過對(duì)前置級(jí)三維流場(chǎng)分析，得出了劈尖微小變形對(duì)前置級(jí)液流特性的影響規(guī)律。邢曉文等[5-6]利用Fluent分析了導(dǎo)流口參數(shù)對(duì)閥性能的影響，發(fā)現(xiàn)矩形導(dǎo)流口下壓力及流量增益最大。延皓等[7-8]分別研究了偏導(dǎo)射流式伺服閥前置級(jí)二維和三維流場(chǎng)，完整地得出了前置級(jí)的液流形態(tài)。蔣大偉等[9-10]分析得到了噴嘴寬度、V形槽角度及劈尖寬度等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)前置壓力特性的影響規(guī)律。劉增光等[11-12]分析得出了進(jìn)出油阻尼孔及噴嘴寬度等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)偏導(dǎo)射流式伺服閥前置級(jí)流場(chǎng)特性的影響規(guī)律。訚耀保[13]提出了降低入口壓力及提高偏轉(zhuǎn)板加工質(zhì)量的方法來改善前置級(jí)氣穴現(xiàn)象。

可見，目前相關(guān)研究多是針對(duì)前置級(jí)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)前置級(jí)液流特性的影響。研究某燃油偏導(dǎo)射流式伺服閥在裝配及調(diào)試過程中，很難保證偏轉(zhuǎn)板上V形槽處于射流盤中位，因此著重分析了V形槽位置對(duì)前置級(jí)液流特性的影響。

1 偏導(dǎo)射流式伺服閥前置級(jí)結(jié)構(gòu)原理

所研究燃油電液伺服閥原理圖見圖1，主要由力矩馬達(dá)級(jí)、前置級(jí)及滑閥級(jí)三部分組成。其前置級(jí)為偏導(dǎo)射流式，由射流盤和偏轉(zhuǎn)板兩部分組成，偏轉(zhuǎn)板位于反饋桿上，反饋桿的末端小球插在滑閥級(jí)閥芯中部。當(dāng)力矩馬達(dá)級(jí)無控制電流輸入時(shí)，偏轉(zhuǎn)板處于中位，左右接收孔恢復(fù)壓力相等，閥芯無位移。當(dāng)力矩馬達(dá)級(jí)有電流輸入時(shí)，銜鐵帶動(dòng)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(fù)壓力不同，閥芯兩端產(chǎn)生壓差，導(dǎo)致閥芯位移，相對(duì)應(yīng)的產(chǎn)生一定流量。

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 偏導(dǎo)射流式伺服閥原理圖

圖2為偏導(dǎo)射流式伺服閥前置級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖，由射流盤和偏轉(zhuǎn)板兩部分組成。V形槽位于偏轉(zhuǎn)板上，其位置決定了左右接收孔恢復(fù)壓力，進(jìn)而決定了閥芯兩端的壓差。其主要尺寸如下：射流盤上一次射流口寬0.155 mm；V形槽上二次射流口寬0.16 mm；V形槽角度為36.7°；V形槽上端面距射流盤一次射流口0.2 mm；V形槽下端面距射流盤接收孔0.2 mm；射流盤上接收孔處劈尖寬0.1 mm。

圖2 前置級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖

2 前置級(jí)建模

2.1 流場(chǎng)網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置

前置級(jí)流場(chǎng)三維模型見圖3。將前置級(jí)流場(chǎng)三維模型導(dǎo)入到Gambit中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性分析，最終確定偏導(dǎo)射流級(jí)流場(chǎng)網(wǎng)格模型，如圖4所示，模型整體采用六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為0.02 mm，網(wǎng)格總數(shù)為80萬左右。為提高仿真精度，對(duì)V形槽處網(wǎng)格進(jìn)行了局部細(xì)化。

圖3 前置級(jí)流場(chǎng)三維模型

將網(wǎng)格模型導(dǎo)入到Fluent中，設(shè)置相關(guān)求解參數(shù)。介質(zhì)為RP-3航空煤油，油液密度為778 kg/m3，油液動(dòng)力黏度為0.0016 Pa·s。進(jìn)油口設(shè)為壓力入口，壓力值為2.2 MPa，出油口設(shè)為壓力出口，壓力值為0。設(shè)置各項(xiàng)殘差為10-5，設(shè)置監(jiān)測(cè)窗口，監(jiān)測(cè)左右接收孔恢復(fù)壓力值。偏導(dǎo)射流式伺服閥前置級(jí)工作過程中，油液處于高雷諾數(shù)湍流狀態(tài)，采用RNGk-ε湍流模型。

圖4 前置級(jí)流場(chǎng)網(wǎng)格模型

2.2 控制方程

在運(yùn)用流場(chǎng)仿真軟件對(duì)流體進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，需要建立反映其物理本質(zhì)的數(shù)學(xué)方程。在不考慮多相流、油液壓縮性和熱傳導(dǎo)的情況下，前置級(jí)液流流動(dòng)遵循質(zhì)量守恒定律和動(dòng)量守恒定律。

偏導(dǎo)射流式伺服閥前置級(jí)內(nèi)部流場(chǎng)復(fù)雜，處于湍流狀態(tài)。在Fluent中，RNGk-ε模型與標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型類似，但它在ε方程中加入了一個(gè)約束，從而使其計(jì)算精度有所提升。RNGk-ε模型因加入了渦流，使其在湍流漩渦方面的精度高于標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型。因此，采用RNGk-ε模型作為偏導(dǎo)射流式伺服閥前置級(jí)流場(chǎng)求解模型。

1) 質(zhì)量守恒方程

質(zhì)量守恒方程數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(1)

引入笛卡爾坐標(biāo)系下向量算子▽的定義：

(2)

式(1)可以寫成：

(3)

式(1)和式(3)中，ρ為密度；t是時(shí)間；V為速度矢量；u，v，w分別為速度在x，y，z3個(gè)坐標(biāo)軸方向上的分量。

2) 動(dòng)量守恒方程

動(dòng)量方程微分表達(dá)式如下：

(4)

3) RNGk-ε模型

湍動(dòng)能k方程為：

Gk+Gb-ρε-YM+Sk

(5)

湍流耗散率ε方程為：

(6)

式中,μ為流體的動(dòng)力黏性系數(shù)；μi為湍流黏性系數(shù)；i和j的取值范圍為(1,2,3)；Gk為平均速度梯度引起的湍流動(dòng)能的產(chǎn)生項(xiàng)；Gb、YM分別為可壓湍流動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn)；C1ε，C2ε，C3ε分別為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；Sk，Sε為自定義源項(xiàng)；αk和αε分別為與湍流動(dòng)能和耗散率對(duì)應(yīng)的Prandt1數(shù)。

3 仿真結(jié)果分析

偏導(dǎo)射流式伺服閥前置級(jí)壓力特性是指接收孔恢復(fù)壓力與V形槽橫向位移間的關(guān)系，壓力特性曲線的斜率即為壓力增益，壓力增益的大小一定程度上決定了伺服閥的靈敏度。以壓力增益大小為判斷標(biāo)準(zhǔn)，分析V形槽縱向偏移對(duì)前置級(jí)壓力特性的影響。

3.1 V形槽橫向位移對(duì)前置級(jí)液流特性的影響

首先分析V形槽縱向方向處于理想中位時(shí)的壓力特性。圖5為2個(gè)接收孔恢復(fù)壓力隨V形槽位移變化曲線圖，圖6為壓力增益曲線圖。由圖5可見，隨著V形槽向右移動(dòng)，右接收孔的恢復(fù)壓力在零位附近幾乎呈線性增加，而當(dāng)位移超過0.05 mm時(shí)，右接收孔的恢復(fù)壓力增長(zhǎng)速率明顯降低。隨著V形槽向右移動(dòng)，左接收孔恢復(fù)壓力呈非線性變化，當(dāng)位移超過0.05 mm時(shí)，左接收孔恢復(fù)壓力幾乎不變。由圖6可見，V形槽在零位附近偏移時(shí)，壓力增益較大，而當(dāng)位移超過0.05 mm后，壓力增益明顯降低。由此可見，伺服閥偏導(dǎo)射流級(jí)在工作過程中，V形槽橫向偏移范圍應(yīng)控制在零位附近0.05 mm以內(nèi)。以下分析V形槽縱向偏移下壓力特性時(shí)，皆保證V形槽橫向偏移在零位附近0.05 mm內(nèi)。

圖5 左右接收孔恢復(fù)壓力曲線

圖6 壓力增益曲線

圖7 V形槽縱向中位時(shí)速度流線圖

圖7為V形槽處于中位及V形槽右移0.04 mm時(shí)的速度流線圖，可以看出，油液在通過射流盤上一次射流口進(jìn)入V形槽，及通過V形槽上二次射流口到達(dá)接收孔的過程中，有渦流現(xiàn)象的產(chǎn)生。在射流過程中會(huì)伴有動(dòng)能與壓力能之間的相互轉(zhuǎn)換，油液由二次射流孔進(jìn)入接收孔的過程中，動(dòng)能轉(zhuǎn)換為壓力能，從而使接收孔中產(chǎn)生恢復(fù)壓力。隨著V形槽向右移動(dòng)，一次射流的液流在V形槽的約束下，液流方向發(fā)生變化，射入右側(cè)接收孔的油液增多，從而右接收孔的恢復(fù)壓力增大，導(dǎo)致壓差的產(chǎn)生。

3.2 V形槽縱向偏移對(duì)前置級(jí)液流特性的影響

由于裝配過程中存在偏差，V形槽很難保證處于射流盤中位，為研究V形槽在射流盤中縱向不同位置，對(duì)前置級(jí)壓力特性的影響，取偏轉(zhuǎn)板縱向偏移量分別為上移0.1 mm、上移0.05 mm、中位、下移0.05 mm、下移0.1 mm 5種情況下，仿真分別得到偏轉(zhuǎn)板不同縱向偏移量下的壓力增益，V形槽縱向偏移示意圖見圖8。V形槽橫向位移范圍取在零位附近，自左向右分別為-0.04，-0.03，-0.02，-0.01，0、0.01，0.02，0.03，0.04 mm。仿真模型共計(jì)45組。

圖8 V形槽縱向偏移示意圖

圖9為右接收孔恢復(fù)壓力曲線圖，可見當(dāng)V形槽向上偏移時(shí)，接收孔恢復(fù)壓力相對(duì)于中位時(shí)有所增加，但增加幅度不大；當(dāng)V形槽向下偏移時(shí)，接收孔恢復(fù)壓力相對(duì)于中位時(shí)降低，其降低幅度較大。前置級(jí)壓力增益曲線圖如圖10所示，可見當(dāng)V形槽向上偏移時(shí)，壓力增益增大，V形槽向下偏移時(shí)，壓力增益減小。

圖9 接收孔恢復(fù)壓力曲線

圖10 壓力增益曲線

結(jié)合流場(chǎng)仿真云圖，分析前置級(jí)壓力特性的變化的原因。圖11和圖12分別為V形槽上移0.1 mm和V形槽下移0.1 mm時(shí)的速度流線圖，對(duì)比可以看出，V形槽縱向向下偏移后，油液由二次射流口到接收孔的過程中，自由射流區(qū)變短，沖擊射流現(xiàn)象嚴(yán)重，油液會(huì)直接沖擊劈尖附近壁面，導(dǎo)致大量能量損失，從而導(dǎo)致接收孔恢復(fù)壓力降低，壓力增益減小，進(jìn)而影響整閥的靈敏度。且在這種情況下，V形槽下端面與接收孔間渦流現(xiàn)象嚴(yán)重，而漩渦作用下的油液易析出氣泡，產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象，使伺服閥產(chǎn)生液壓沖擊，振動(dòng)及噪音，對(duì)伺服閥造成不利影響。因此，裝配過程中應(yīng)避免V形槽偏向接收孔一側(cè)。

圖11 V形槽上移0.01 mm速度流線圖

圖12 V形槽下移0.01 mm速度流線圖

4 結(jié)論

(1) 當(dāng)反饋桿上V形槽在零位附近橫向偏移時(shí)，左右接收孔壓差呈線性變化，而當(dāng)V形槽位移超過0.05 mm時(shí)，壓差變化速率明顯降低，可見，在工作過程中應(yīng)保證V形槽橫向偏移處于零位附近;

(2) 當(dāng)反饋桿上V形槽縱向偏向射流孔時(shí)，左右接收孔恢復(fù)壓力相對(duì)于中位時(shí)有所增加，但增加幅度不大；當(dāng)V形槽縱向偏向接收孔時(shí)，左右接收孔恢復(fù)壓力相對(duì)于中位時(shí)降低，其降低幅度較大，且壓力增益減小。因此，裝配過程中應(yīng)盡量避免V形槽偏向接收孔一側(cè)。