偏轉(zhuǎn)板射流伺服閥前置級流場分析

訚耀保，張 鵬，岑 斌

（同濟大學 機械與能源工程學院，上海 201804）

偏轉(zhuǎn)板伺服閥采用射流技術，具有靜動態(tài)性能良好、抗污染、壽命長、穩(wěn)定可靠的特點，廣泛用于各種民用飛機和軍用飛機的操縱系統(tǒng)［1］.與射流管伺服閥相比較，偏轉(zhuǎn)板伺服閥的主要優(yōu)點在于不需要繞性供油管，消除了結(jié)構(gòu)上可能出現(xiàn)的振動，結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠；射流通過V形通道時，作用在偏轉(zhuǎn)板上的液流力小，可以用較小的力矩馬達來控制較大的輸出流量［2］.偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級是偏轉(zhuǎn)板伺服閥的關鍵部件，其加工質(zhì)量的好壞直接影響到伺服閥的動靜態(tài)性能.中國航空工業(yè)第六一八研究所采用精細電加工方法和組合加工工藝技術加工偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級［3］.本文通過建立偏轉(zhuǎn)板射流伺服閥前置級流場模型，分析入口壓力、出口壓力以及接受器管路夾角對伺服閥流場特性的影響，探討伺服閥中的氣穴現(xiàn)象以及改善伺服閥氣穴現(xiàn)象的方法.

1 偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級工作原理

偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級由偏轉(zhuǎn)板和射流盤兩個零件組成.前置放大器盤件固定在上、下端封閉增壓室的罩和基座之間，偏轉(zhuǎn)板與反饋桿做成一體置于噴嘴和接收器之間，前置放大器盤件和偏轉(zhuǎn)板裝置如圖1所示［4］.

系統(tǒng)壓力通向前置放大器的噴嘴部分，在噴嘴出口形成自由噴射流.在零位時，它正對著兩個接收器的中點.兩個接收器在前置放大器中被彼此分離，并分別通向各自的控制輸出端.噴嘴與接收器之間的空腔通往回油路.偏轉(zhuǎn)板導向裝置從放大器組件的頂端向下延伸到回油壓力空腔中，偏轉(zhuǎn)板導向裝置實際上是一個跨立在自由噴射流上的一條V形狹縫.偏轉(zhuǎn)板導向裝置的橫向運動使噴射流指向兩個接收器中的這個或另一個.如果噴射流被移動指向一個接收器，此接收器噴射流的壓力和流量恢復就增大.同樣，相對的另一個接收器的壓力和流量恢復就減少［5－6］.

偏轉(zhuǎn)板伺服閥的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2所示.其具體結(jié)構(gòu)尺寸為：噴嘴直徑0.12mm、接收孔直徑0.18mm、偏轉(zhuǎn)板厚度0.8mm、噴嘴至偏轉(zhuǎn)板上端的距離0.3mm、偏轉(zhuǎn)板下端至接收孔的距離0.3mm、接收孔夾角30°、尖劈寬度0mm（即兩接收孔圓相切），后續(xù)流場模型皆以此尺寸參數(shù)為建模原型.

圖1 偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級工作原理圖Fig.1 Principle diagram of the deflector jet servo valve preamplifier

圖2 偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級截面圖Fig.2 Section of the deflector jet servo valve preamplifier

2 偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級流場模型

2.1 偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級三維模型

液壓油通過柔性供油管進入射流管后，通過收縮噴嘴將油液射入偏轉(zhuǎn)板V形槽內(nèi)，流出V形槽的油液進入接收器的兩接收孔內(nèi)，多余的油液從噴嘴與接收器之間的縫隙流回偏轉(zhuǎn)板伺服閥的回油口［6］.油液分別流過柔性供油管、射流管、噴嘴、偏轉(zhuǎn)板V形槽、接收孔以及后部連接閥芯的流道，其中最復雜的流動區(qū)域為噴嘴至接收孔之間的流場.因此，選取收縮噴嘴前段適當距離作為進油口，利用SolidWorks將偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級模型簡化為如圖3所示的模型.

圖3 偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級三維模型Fig.3 Three dimensional model

2.2 網(wǎng)格劃分與參數(shù)設置

網(wǎng)格生成是數(shù)值計算的一項準備工作，在工程數(shù)值模擬中，所生成的網(wǎng)格和所采用的算法對數(shù)值計算結(jié)果的精度及計算過程效率有很大影響.將上面建立的三維模型導入Workbench中進行網(wǎng)格劃分，在Workbench中進行網(wǎng)格劃分的流程如圖4所示.

圖4 流道的Workbench網(wǎng)格劃分流程Fig.4 Meshing process

噴嘴流道模型以及接收孔流道模型形狀比較規(guī)則，采用結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，可以減少網(wǎng)格數(shù)量、提高計算速度；噴嘴與接收孔之間的流場流動復雜，采用非結(jié)構(gòu)化混合體網(wǎng)格進行局部細化，偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級網(wǎng)格模型如圖5所示.

偏轉(zhuǎn)板伺服閥流場流速較高，為高雷諾數(shù)湍流運動，采用RNGk－ε湍流模型，利用標準壁面函數(shù)模型對壁面邊界層進行處理.將進油口設為壓力入口邊界條件，出油口設置為壓力出口邊界條件，油液密度850kg·m－3，油液動力黏度0.021 25Pa·s.各項殘差收斂精度設為10－7.

圖5 偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級網(wǎng)格模型Fig.5 Mesh model

3 流場模型結(jié)果分析

3.1 偏轉(zhuǎn)板伺服閥主要參數(shù)對其靜態(tài)特性的影響

完成參數(shù)設置，利用Fluent求解器進行計算，讀取計算結(jié)果中的數(shù)據(jù)，研究偏轉(zhuǎn)板伺服閥主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對靜態(tài)特性的影響，圖6所示為一組工作平面壓力分布與速度分布圖.

3.1.1 進出口壓力

通過流場分析，可得出如圖6所示的不同條件下的壓力與速度分布云圖，從圖中可得到不同條件下對應的壓力值與速度值，由此可繪制閥的特性曲線.偏轉(zhuǎn)板射流伺服閥的進出口壓力變化會影響靜態(tài)特性，假設偏轉(zhuǎn)板進口壓力為10，15，20MPa，出口壓力為0MPa時，給出噴嘴位移分別為0，±0.01，±0.02，±0.03mm（以向左偏移為正）時的靜態(tài)特性變化曲線，見圖7a，b.圖7a中，曲線1，1′為進口壓力20 MPa時左、右接收孔的恢復壓力；曲線2，2′為口進壓力15 MPa時左、右接收孔的恢復壓力；曲線3，3′為口進壓力10 MPa時左、右接收孔的恢復壓力.圖7b中，曲線1為口進壓力20 MPa時的負載壓力；曲線2為口進壓力15 MPa時的負載壓力；曲線3為口進壓力10 MPa時的負載壓力.

由圖7a可以看出，在出口壓力恒定的情況下，進口壓力增大，左右接收孔的恢復壓力增大；由圖7b可以看出，在出口壓力恒定的情況下，增大進口壓力，負載壓力曲線斜率增大.主要原因：進口壓力增大，整體的壓力能提高，在左右接收孔分配比例一定的情況下，偏移一定的位移，兩孔的壓差增大，即負載壓力隨偏轉(zhuǎn)板的位移變化增大，所以適度增大進口壓力有助于提高偏轉(zhuǎn)板伺服閥的靈敏度.

圖6 工作平面壓力分布與速度分布Fig.6 Pressure distribution and the velocity distribution

圖7 進口壓力對偏轉(zhuǎn)板伺服閥靜態(tài)特性的影響Fig.7 Inlet pressure effects on the static characteristics of deflector servo valve

3.1.2 出口壓力

當進口壓力定為15MPa，出口壓力為0，0.5，1，1.5MPa時，給出噴嘴位移分別為0，±0.01，±0.02，±0.03mm（以向左偏移為正）時的靜態(tài)特性變化曲線，見圖8a，b.圖8a中，曲線1，1′為出口壓力1.5 MPa時左、右接收孔的恢復壓力；曲線2，2′為出口壓力1.0MPa時左、右接收孔的恢復壓力；曲線3，3′為出口壓力0.5 MPa時左、右接收孔的恢復壓力；曲線4，4為出口壓力0時左、右接收孔的恢復壓力.圖8b中，曲線1為出口壓力1.5 MPa時的負載壓力；曲線2為出口壓力1.0MPa時的負載壓力；曲線3，3為出口壓力0.5 MPa時的負載壓力；曲線4，4為出口壓力0時的負載壓力.

圖8a所示，在進口壓力保持恒定的情況下，出口壓力增大，左右接受孔的恢復壓力增大，這與進口壓力對左右接收孔恢復壓力影響是一致的；如圖圖8b所示，在進口壓力保持恒定的情況下，出口壓力增大，負載壓力曲線斜率減小，即負載壓力隨偏轉(zhuǎn)板位移變化減小，這與進口壓力對負載壓力的影響相反，所以過高的出口壓力會降低偏轉(zhuǎn)板伺服閥的靈敏度.

圖8 出口壓力對偏轉(zhuǎn)板伺服閥靜態(tài)特性的影響Fig.8 Outlet pressure effects on the static characteristics of deflector servo valve

3.1.3 接收孔夾角

偏轉(zhuǎn)板伺服閥接收孔與接收器端面的相交區(qū)域為矩形，接收孔夾角的變化（如圖9a所示）改變了接收孔入口處的矩形面積.

當接收孔夾角增大時，矩形的寬度不變，長度增加，接收孔的入口面積增大；接收孔夾角為20°，30°，40°，50°時，接收孔的入口面積分別對應圖9b中矩形1，2，3，4的面積.

圖9 接收孔夾角對偏轉(zhuǎn)板伺服閥靜態(tài)特性的影響Fig.9 Angle of receiving holes effects on the static characteristics of deflector servo valve

接收孔入口面積的變化影響偏轉(zhuǎn)板伺服閥靜態(tài)特性，圖10a，b為不同接收孔夾角下，偏轉(zhuǎn)板伺服閥壓力特性與偏轉(zhuǎn)板位移關系圖.圖10a中，曲線1，1′為接收孔夾角50°時左右接收孔的恢復壓力；2，2′為接收孔夾角40°時左右接收孔的恢復壓力；3，3′為接收孔夾角30°時左右接收孔的恢復壓力；4，4′為接收孔夾角20°時左右接收孔的恢復壓力；圖10b中，曲線1為接收孔夾角20°時的負載壓力；2為接收孔夾角30°時的負載壓力；3為接收孔夾角40°時的負載壓力；4為接收孔夾角50°時的負載壓力.

圖10a所示，當偏轉(zhuǎn)板處于中位右側(cè)時，接收孔的夾角變化對左接收孔的恢復壓力影響較大，而對右接收孔的恢復壓力影響很小；同樣，偏轉(zhuǎn)板處于中位左側(cè)時，接收孔夾角的變化對右接收孔的恢復壓力影響較大，而對左接收孔的恢復壓力影響很小.極限情況：當偏轉(zhuǎn)板完全處于右位時，接收孔夾角的變化不影響右接收孔的恢復壓力，因為夾角的變化不影響油液的分配.

圖10b所示，接收孔夾角增大，曲線斜率減小，即負載壓力隨位移變化率減小.夾角增大，左右接收孔入口面積增大，進入接收口的流速降低，即流體的動能減小，最終完全轉(zhuǎn)化為流體的壓力能相應減小，由于左右接收孔的分配比例是一定的，導致左右接收孔的壓差（負載壓力）減小，所以在工藝條件允許的條件下，適當減少接收孔夾角有利于提高偏轉(zhuǎn)板伺服閥的靈敏度.

圖10 不同接受孔夾角時的壓力特性Fig.10 Pressure characteristics with different angles of receiving holes

3.2 偏轉(zhuǎn)板伺服閥氣穴現(xiàn)象及改善措施

偏轉(zhuǎn)板伺服閥中工作液體液壓油在某處的壓力低于相應溫度的空氣分離壓時，液體中的空氣將會析出，產(chǎn)生大量氣泡，出現(xiàn)氣穴現(xiàn)象.大量氣泡隨著液流流到壓力較高的部位時，因承受不了高壓而破滅，產(chǎn)生局部的液壓沖擊，發(fā)出噪聲并引起振動.當附著在金屬表面上的氣泡破滅時，它所產(chǎn)生的局部高溫和高壓會使金屬剝落，使表面粗糙，或出現(xiàn)海綿狀小洞穴，這種現(xiàn)象稱為氣蝕現(xiàn)象.

3.2.1 氣穴模型

氣穴模型屬于多項流模型之一，針對兩相可以互相滲透的流體，模擬當局部壓力低于分離壓力時氣泡的形成，所以存在兩相間的質(zhì)量轉(zhuǎn)移.氣穴模型解決一個混合物的動量方程和氣相的體積比方程.體積比方程是由連續(xù)性方程推導出來的，氣相A的體積比方程為

式中：αA為氣相體積百分比；t為時間；mi為平均流速；ui為平均流速；xi為位置；ρA為氣相密度，為1.225kg·m－3；m·AB為氣相與液相之間的質(zhì)量轉(zhuǎn)換率.

總的氣體質(zhì)量mA為

式中：R為氣泡半徑；n為單位體積的氣泡數(shù)。

氣體形成的質(zhì)量轉(zhuǎn)換率為

忽略氣化產(chǎn)生的熱量，把氣穴流做等溫處理.氣泡內(nèi)的壓力保持不變，氣泡半徑的變化近似為一個簡化的雷諾方程

式中：pv為空氣分離壓；ρB為液相密度；p為對應處壓力.

結(jié)合式（3），（4），得到由于氣穴而產(chǎn)生的兩相間的質(zhì)量轉(zhuǎn)換率為

由式（5）可知，影響偏轉(zhuǎn)板伺服閥氣穴模型的主要因素為壓力以及氣相體積百分比.

3.2.2 偏轉(zhuǎn)板伺服閥氣穴現(xiàn)象分析

液流由噴嘴噴出進入偏轉(zhuǎn)板最后進入左右接收孔的過程中，以氣穴系數(shù)K表征氣穴發(fā)生傾向，氣穴系數(shù)K被定義為下游壓力p2與上、下游壓力差Δp＝p1－p2之比值，即：

K值越小，越容易發(fā)生氣穴現(xiàn)象.偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級結(jié)構(gòu)尺寸較小，液壓油流速較高，在結(jié)構(gòu)突變處易形成旋渦，產(chǎn)生負壓現(xiàn)象，P2急劇減小，K值減小，發(fā)生氣穴現(xiàn)象，如圖11所示.

圖11 偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級空氣體積分數(shù)Fig.11 Air volume fraction

空氣體積分數(shù)為流體中空氣所占的體積比，該參數(shù)的大小反映了氣穴現(xiàn)象的嚴重程度.如圖11所示，在噴嘴與偏轉(zhuǎn)板之間、偏轉(zhuǎn)板與接收孔之間的間隙處易形成氣穴.圖中1，2處，由于產(chǎn)生旋渦導致能量損失，壓力p2降低，K值減小，故而形成氣穴.圖11中3處，由于平衡狀態(tài)時接收孔末端封死，流入接收孔內(nèi)的油液彈回下端出油口，導致一部分流體流速急劇增大，但由于黏性作用，接近壁面的流體流速較低高速流體層與低速流體層之間產(chǎn)生較大剪切作用力，導致能量損失，高速層與低速層之間產(chǎn)生較大的壓力差Δp，同樣K值減小，形成氣穴現(xiàn)象.

圖12 偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級速度矢量圖Fig.12 Velocity vector diagram

3.2.3 進口壓力對氣穴現(xiàn)象的影響

改變偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級進口壓力，對噴嘴與偏轉(zhuǎn)板之間的漩渦影響不大，故圖12中1處的氣穴現(xiàn)象在不同進口壓力下幾乎沒有變化.但增大進口壓力，液壓油壓力能增大，由接收孔回彈到下端回油口的流體流速增大.圖12中2處的漩渦增強，壓力p2減小（進口壓力為10MPa，p2＝0.112 3 MPa；進口壓力為15MPa，p2＝0.1087MPa），K值減?。ㄟM口壓力為10MPa，K＝0.73；進口壓力為15MPa，K＝0.41），氣穴現(xiàn)象增強；圖12中3處的壓力差Δp增大（進口壓力為10MPa，Δp＝1.542 0MPa；進口壓力為 15MPa，Δp＝1.783 MPa），K值減?。ㄟM口壓力為10MPa，K＝0.21；進口壓力為15MPa，K＝0.068），氣穴現(xiàn)象增強.圖13a—c即為不同進口壓力下，偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級的氣穴現(xiàn)象.

比較圖13a—c可知，減小偏轉(zhuǎn)板伺服閥進口壓力，有利于改善偏轉(zhuǎn)板與接收孔之間氣穴現(xiàn)象，但降低進口壓力會影響偏轉(zhuǎn)板伺服閥的靈敏度，故需要根據(jù)實際需要選擇合適的進口壓力.

圖13 不同進口壓力下氣穴現(xiàn)象Fig.13 Cavitation in different inlet pressures

3.2.4 圓角對偏轉(zhuǎn)板伺服閥氣穴現(xiàn)象的影響

偏轉(zhuǎn)板伺服閥在實際使用過程中，由于“滴水石穿”的高速流體沖蝕使得偏轉(zhuǎn)板V形槽（夾角為20°，上、下端距離為0.4mm）上、下端出現(xiàn)圓角，因為圓角處液流不收縮，壓力不下降，不易產(chǎn)生氣穴，所以研究圓角對偏轉(zhuǎn)板伺服閥氣穴現(xiàn)象的影響有一定的實際意義.圖14a—c為其他條件不變的情況下，改變V形槽上、下端圓角對偏轉(zhuǎn)板伺服閥氣穴現(xiàn)象的影響.圖14a為V型槽上下端均無圓角的情況；圖14b為上端有圓角0.05mm，下端無圓角的情況；圖14c為上下端均有圓角的情況，上端圓角為0.05mm，下端圓角0.03mm.

對比圖14a—c，偏轉(zhuǎn)伺服閥在經(jīng)過一段時間磨合后，V形槽上端與下端出現(xiàn)圓角，氣穴現(xiàn)象得到改善.研究發(fā)現(xiàn)，V形槽上端的圓角對改善偏轉(zhuǎn)伺服閥氣穴現(xiàn)象影響不大，但是適當增大下端的圓角，氣穴現(xiàn)象顯著改善，所以在實際的線切割加工過程中，要優(yōu)先保證偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級V型槽下端圓角的加工質(zhì)量.

圖14 圓角對偏轉(zhuǎn)板伺服閥氣穴的影響Fig.14 Effects of fillets on the cavitation of deflector jet servo valve

4 結(jié)論

（1）由于偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級尺寸較小，其實際加工采用線切割，根據(jù)實際加工工藝可建立全新的偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級三維模型.

（2）進口壓力、出口壓力以及接收孔管路夾角影響偏轉(zhuǎn)板伺服閥靜態(tài)特性；適當增大進口壓力、降低出口壓力以及減小接收孔管路夾角有利于提高偏轉(zhuǎn)板伺服閥的靈敏度.當偏轉(zhuǎn)板處于中位右側(cè)時，接收孔夾角變化對左接收孔的恢復壓力影響較大，而對右接收孔的恢復壓力影響很小.同樣，偏轉(zhuǎn)板處于中位左側(cè)時，接收孔夾角變化對右接收孔的恢復壓力影響較大，而對左接收孔的恢復壓力影響很小.

（3）由于高速流體沖蝕使得偏轉(zhuǎn)板V形槽上下端出現(xiàn)圓角，本研究發(fā)現(xiàn)該圓角對偏轉(zhuǎn)板伺服閥氣穴現(xiàn)象有一定的影響.V形槽上端的圓角對改善偏轉(zhuǎn)伺服閥氣穴現(xiàn)象影響不大，但是適當增大V形槽下端圓角時氣穴現(xiàn)象顯著改善.建議在實際線切割加工過程中，要優(yōu)先保證偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級V型槽下端圓角的加工質(zhì)量.

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