基于Fluent軟件的剎車壓力伺服閥振動(dòng)問題仿真與分析

馬立瑞 韋敏潔 劉世前

(1.上海交通大學(xué)航空航天學(xué)院， 上海 200240; 2.航空工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，陜西西安 710089; 3.中船重工第704研究所，上海 200031； 4.西安飛豹科技有限公司，陜西西安 710089)

引言

機(jī)輪剎車系統(tǒng)是影響飛機(jī)起降安全的關(guān)鍵功能子系統(tǒng)之一，若系統(tǒng)發(fā)生振動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)管路損傷和設(shè)備故障，甚至導(dǎo)致剎車失效，危及飛機(jī)的起降安全。剎車壓力伺服閥是飛機(jī)機(jī)輪剎車系統(tǒng)的核心控制部件，主要用于根據(jù)系統(tǒng)的控制指令，輸出相應(yīng)的剎車壓力到剎車裝置，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)減速，該閥是否正常工作，直接影響飛機(jī)剎車系統(tǒng)能否正常工作。但遺憾的是壓力伺服閥的振動(dòng)和嘯叫問題，一直是行業(yè)揮之不去的夢(mèng)魘，壓力伺服閥在實(shí)際使用過程中時(shí)常發(fā)生，且一旦發(fā)生，故障原因分析十分困難。因此，研究壓力伺服閥的振動(dòng)問題具有十分重要的意義。

針對(duì)剎車壓力伺服閥的振動(dòng)與嘯叫問題，國內(nèi)主要的生產(chǎn)廠商與高校合作，開展大量研究工作，在理論研究方面取得了長足的進(jìn)步。田源道[1]對(duì)“嘯叫”原因進(jìn)行了歸納和總結(jié)，認(rèn)為嘯叫是力矩馬達(dá)的銜鐵組件由于某種原因而產(chǎn)生高頻強(qiáng)迫振動(dòng)引起的，并對(duì)伺服閥振動(dòng)和嘯叫的原因進(jìn)行了詳細(xì)的分析；王紅玲等[2]、逯九利等[3]結(jié)合某型號(hào)飛機(jī)剎車系統(tǒng)共振的問題，對(duì)剎車壓力伺服閥多閥并聯(lián)耦合壓力振動(dòng)問題進(jìn)行分析研究，并給出了抑制方法；林丞[4]分析了油溫對(duì)伺服閥力矩馬達(dá)振動(dòng)特性的影響； 另有學(xué)者主要從伺服閥先導(dǎo)級(jí)的受迫振動(dòng)或自激振動(dòng)著手，開展伺服閥振動(dòng)和嘯叫問題研究[5-10]；劉玉龍[11]對(duì)剎車用壓力伺服閥嘯叫機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，研究認(rèn)為回油結(jié)構(gòu)尺寸加工誤差、滑閥增益過大、前置級(jí)氣穴現(xiàn)象、死容腔氣泡和供油壓力脈動(dòng)是導(dǎo)致銜鐵組件振蕩,進(jìn)而造成伺服閥銜嘯叫的重要因素。目前對(duì)伺服閥振動(dòng)和嘯叫的研究主要集中在先導(dǎo)級(jí)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和流場(chǎng)分析，對(duì)主閥級(jí)的研究較少。曹飛梅等[12]研究閥芯溝槽底部不同圓弧半徑對(duì)改善滑閥性能的影響程度，以確定了合理的參數(shù)范圍，但對(duì)主閥芯環(huán)槽直徑對(duì)主閥的流場(chǎng)分布的影響未進(jìn)行分析研究。

本研究采用有限元分析法，分析了某型機(jī)剎車壓力伺服閥主閥機(jī)因環(huán)槽直徑設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致的振動(dòng)和嘯叫問題，并對(duì)不同環(huán)槽直徑下，閥芯流場(chǎng)特性進(jìn)行了仿真。通過對(duì)比分析，找到相對(duì)最優(yōu)的環(huán)槽直徑參數(shù)，為該型剎車壓力伺服閥的改進(jìn)和后續(xù)型號(hào)壓力伺服閥的研制提供參考依據(jù)。

1 問題描述

某型飛機(jī)機(jī)輪剎車系統(tǒng)試驗(yàn)過程中，踩剎車時(shí)，系統(tǒng)管路及液壓附件產(chǎn)生高頻振動(dòng)，同時(shí)伴有刺耳的“嘯叫”聲。在試驗(yàn)室，對(duì)嘯叫的聲波頻率進(jìn)行了測(cè)試，掃頻時(shí)達(dá)到2371 Hz，聲譜如圖1所示。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與分析，故障定位到系統(tǒng)所用的剎車壓力伺服閥。

通過故障樹分析方法和試驗(yàn)，排除伺服閥先導(dǎo)級(jí)導(dǎo)致該故障，在排故試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)：

(1) 主閥芯旋轉(zhuǎn)時(shí)，剎車壓力伺服閥振動(dòng)，并有嘯叫聲；

(2) 通過虎鉗夾緊引出桿，阻止閥芯旋轉(zhuǎn)后，壓力伺服閥工作正常；

(3) 對(duì)比其他工作正常的閥，閥芯均不旋轉(zhuǎn)。

初步分析認(rèn)為該型射流管壓力伺服閥振動(dòng)和嘯叫是由于閥芯在工作過程中旋轉(zhuǎn)所致。

2 工作原理

某型射流管壓力伺服閥主要由力矩馬達(dá)、射流放大器、先導(dǎo)級(jí)和功率級(jí)等組成，工作原理圖如圖3所示。馬達(dá)供油口為J1，主閥供油口為J2， 回油口為H，

圖1 聲譜測(cè)試結(jié)果

圖2 閥芯旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)

圖3 聲譜測(cè)試結(jié)果

負(fù)載口為S。無電流輸入時(shí)，負(fù)載口S與回油口H相通，進(jìn)油口J2關(guān)閉，負(fù)載腔的壓力等于回油壓力。當(dāng)正控制電流流過力矩馬達(dá)線圈時(shí)將產(chǎn)生一控制力矩使銜鐵組件順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，射流管向左偏移，接受器兩控制腔內(nèi)形成壓差，該壓差作用到功率級(jí)閥芯環(huán)形面積上，閥芯右移，造成回油窗口遮蓋，進(jìn)油窗口開啟；壓力油從供油口J2進(jìn)入負(fù)載腔輸出負(fù)載壓力S，此壓力又作用在功率級(jí)閥芯反饋端面上，直到反饋力與控制力平衡為止。剎車伺服閥輸出與輸入信號(hào)成比例的負(fù)載壓力。輸入信號(hào)越大，輸出的負(fù)載壓力越大，實(shí)現(xiàn)正增益壓力控制。

3 建模與仿真

3.1 計(jì)算邊界條件

基于Fluent軟件，對(duì)剎車壓力伺服閥主閥芯流場(chǎng)進(jìn)行建模與仿真，仿真計(jì)算的邊界條件設(shè)置如下：

(1) 入口壓力為28 MPa，湍流強(qiáng)度為5%；

(2) 出口壓力為0.6 MPa，湍流強(qiáng)度為5%；

(3) 液壓油系數(shù)：密度870 kg/m3，動(dòng)力黏度0.0087 kg·s-1·m-1；

1.文獻(xiàn)研究法：通過網(wǎng)絡(luò)、圖書等途徑查閱、收集有關(guān)互聯(lián)網(wǎng)背景下的教學(xué)手段的科研文獻(xiàn)，獲取相關(guān)信息，并進(jìn)行綜合分析，從中提煉出與本課題研究有價(jià)值的資料。

(4) 閥芯直徑8 mm；

(5) 環(huán)槽直徑9.5 mm。

3.2 網(wǎng)格劃分

根據(jù)剎車壓力伺服閥主閥級(jí)內(nèi)部流道幾何尺寸和實(shí)際走向，抽取流道模型，如圖4所示。并根據(jù)表1中的參數(shù)，進(jìn)行主閥級(jí)流道的網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖5所示。

圖4 閥芯旋轉(zhuǎn)試驗(yàn) 圖5 流道整體網(wǎng)格圖

3.3 仿真結(jié)果

利用Fluent軟件對(duì)主閥級(jí)流道進(jìn)行流場(chǎng)仿真，仿真結(jié)果如圖6所示。從仿真結(jié)果可以看出，環(huán)槽直徑9.5 mm時(shí)，環(huán)槽內(nèi)部流場(chǎng)速度分布不均，高速射流沖擊到閥芯表面，對(duì)閥芯施加驅(qū)動(dòng)力矩。

圖6 環(huán)槽直徑9.5 mm主閥流場(chǎng)速度矢量圖

表1 主閥級(jí)網(wǎng)格劃分參數(shù)設(shè)置

默認(rèn)值物理參數(shù)CFD求解器參數(shù)Fluent關(guān)聯(lián)性0尺寸高級(jí)尺寸功能關(guān)閉關(guān)聯(lián)中心精細(xì)元素尺寸0.00025 m初始種子大小激活組件平滑性中等過渡慢跨度角中心精細(xì)最小邊緣長度0.000020239 附面層應(yīng)用自動(dòng)附面層無附面層選項(xiàng)平滑過渡過渡比0.272最大層數(shù)5增長率1.2附面層算法預(yù)設(shè)值高級(jí)查看選項(xiàng)無

4 分析與討論

4.1 閥芯旋轉(zhuǎn)分析與優(yōu)化

剎車壓力伺服閥為典型的不對(duì)稱三通伺服閥，這是剎車壓力伺服閥的工作原理決定，無法避免。主閥流道上的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，必然導(dǎo)致在閥芯位置產(chǎn)生不對(duì)稱的流體流動(dòng)，閥腔內(nèi)流體的速度和壓力呈不對(duì)稱分布。閥芯兩側(cè)流體作用于閥芯上的沖量不相等，形成旋轉(zhuǎn)扭矩，從而使閥芯有旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)扭矩大于流體黏性摩擦力及其他摩擦扭矩時(shí)，就會(huì)使閥芯旋轉(zhuǎn)。

圖7 進(jìn)油口和剎車口位置示意圖

在閥芯旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，正常工作的閥，閥芯均無異旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。而從仿真結(jié)果看環(huán)槽直徑9.5 mm時(shí)，首先是主閥級(jí)流場(chǎng)分布不均勻性十分明顯；其次是高速射流直接沖擊閥芯表面，兩個(gè)方面均直接增大了閥芯旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)力。要使得閥芯不轉(zhuǎn)動(dòng)，則須反其道行之，減小流場(chǎng)不均勻度，改變閥口高速射流的方向，進(jìn)而減小閥芯的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力。由于閥芯直徑與先導(dǎo)級(jí)增益、系統(tǒng)的剎車壓力值要求和閥芯抗污染驅(qū)動(dòng)力要求均緊密關(guān)聯(lián)，改變閥芯直徑并不是一個(gè)可行的方案，因此本研究通過改變環(huán)槽直徑來實(shí)現(xiàn)減小閥芯旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力的目標(biāo)。

對(duì)環(huán)槽直徑為9， 8.5 mm時(shí)的主閥芯流場(chǎng)分別進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8 環(huán)槽直徑9.0 mm主閥流場(chǎng)速度矢量圖

圖9 環(huán)槽直徑8.5 mm主閥流場(chǎng)速度矢量圖

從仿真結(jié)果可以看出，環(huán)槽直徑8.5 mm時(shí)，高速射流沖擊閥體孔壁。環(huán)槽中液流速度相對(duì)較低。

根據(jù)以上分析可得：

(1) 環(huán)槽直徑9.5 mm時(shí)，閥口高速射流直接沖擊閥芯表面；

(2) 環(huán)槽直徑為8.5 mm時(shí)，高速射流沖擊到閥體孔壁；

(3) 環(huán)槽為9.0 mm時(shí)，閥口高速射流的方向性不強(qiáng)，射流的方向介于環(huán)槽直徑9.5 mm和8.5 mm之間，對(duì)閥芯仍有一定的沖擊。

觀察環(huán)槽直徑9.5 mm和8.5 mm時(shí)主閥芯環(huán)槽內(nèi)的速度矢量圖，如圖10所示。

圖10 不同環(huán)槽直徑流場(chǎng)速度矢量對(duì)比圖

從仿真結(jié)果可以看出，環(huán)槽直徑為8.5 mm時(shí)主閥芯的流場(chǎng)均勻性明顯優(yōu)于環(huán)槽直徑為9.5 mm時(shí)，且整個(gè)流場(chǎng)中流速低。

4.2 閥芯旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致振動(dòng)的機(jī)理

已有的研究表明氣穴的發(fā)生程度與低壓區(qū)的壓力和范圍有直接的關(guān)系[13]。初步分析認(rèn)為由于閥口處存在高速射流，根據(jù)伯努利原理，會(huì)在射流區(qū)域產(chǎn)生低壓區(qū)，而環(huán)槽直徑為9.5 mm時(shí)，閥芯旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致主閥內(nèi)部流場(chǎng)隨之旋轉(zhuǎn)，渦流增加，低壓區(qū)擴(kuò)大，氣泡析出加劇，產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象，氣泡的連續(xù)爆破產(chǎn)生高頻的振動(dòng)和尖銳的“嘯叫”聲。目前閥芯旋轉(zhuǎn)與振動(dòng)/“嘯叫”之間的關(guān)聯(lián)，尚需進(jìn)一步開展理論研究和試驗(yàn)驗(yàn)證。

5 改進(jìn)措施與驗(yàn)證

5.1 改進(jìn)措施

根據(jù)4.1節(jié)的仿真分析結(jié)果，環(huán)槽直徑設(shè)計(jì)為8.5 mm時(shí)，閥口射流角度和主閥流場(chǎng)均勻性均有明顯改進(jìn)，油液流速降低。因此，將壓力伺服閥主閥芯環(huán)槽直徑更改為8.5 mm。

5.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了改變流道結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了銅環(huán)置入故障閥的閥體環(huán)槽中，銅環(huán)外形見圖11，將環(huán)槽直徑填充到8.5 mm，工作時(shí)，無振動(dòng)與嘯叫。將銅環(huán)取出，再次工作時(shí)，閥體高頻振動(dòng)，伴有刺耳嘯叫，并在其他兩臺(tái)閥上復(fù)現(xiàn)了以上現(xiàn)象。

圖11 銅環(huán)外形

試驗(yàn)結(jié)果表明通過銅環(huán)將環(huán)槽底徑填充為8.5 mm能夠解決異響，仿真計(jì)算結(jié)果正確。

6 結(jié)論

本研究使用Fluent軟件，對(duì)某型飛機(jī)機(jī)輪剎車系統(tǒng)所用射流管壓力伺服閥主閥流場(chǎng)進(jìn)行建模與仿真。仿真結(jié)果表明：該型壓力伺服閥主閥環(huán)槽直徑設(shè)計(jì)不合理，是導(dǎo)致主閥芯異常旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而引起伺服閥振動(dòng)與“嘯叫”的根本原因；根據(jù)仿真結(jié)果，選取了相對(duì)優(yōu)化的環(huán)槽直徑參數(shù)，對(duì)并伺服閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)；經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該閥振動(dòng)和“嘯叫”問題解決。但閥芯的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致振動(dòng)和“嘯叫”的機(jī)理，有待進(jìn)一步研究。