偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級壓力特性數(shù)值模擬分析

黃錫海，傅連東

(1.武漢科技大學(xué)機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢，430081；2.武漢科技大學(xué)冶金裝備及其控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢，430081)

由于電液伺服閥是電液伺服閥控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件，它的性能對整個(gè)系統(tǒng)的控制精度、可靠度和響應(yīng)速度均有較大影響，因此受到研究人員的廣泛關(guān)注。劉增光等[1]研究了偏轉(zhuǎn)板伺服閥不同噴嘴寬度與V形導(dǎo)流槽下端噴口寬度的比值對前置級射流效率的影響，得到噴嘴寬度與V形導(dǎo)流槽下端噴口寬度近似相等時(shí)，前置級射流流量效率最大；劉文可等[2]研究了偏轉(zhuǎn)板伺服閥劈尖高度變化、劈尖寬度和高度同時(shí)變化對前置級靜態(tài)特性的影響；董娜娜等[3]通過研究偏轉(zhuǎn)板伺服閥V形槽的位置對前置級液流特性的影響，得出偏轉(zhuǎn)板橫向偏移應(yīng)在零位附近，偏轉(zhuǎn)板安裝應(yīng)避免偏向接收孔一側(cè)；訚耀保等[4]通過研究偏轉(zhuǎn)板伺服閥入口壓力、出口壓力和接收器管路夾角對前置級流場特性的影響，發(fā)現(xiàn)了前置級產(chǎn)生氣穴的原因，并提出了降低入口壓力和提高偏轉(zhuǎn)板下端面圓角的精度等改善氣穴現(xiàn)象的辦法；冀宏等[5]研究了多種前置級結(jié)構(gòu)參數(shù)與前置級沖蝕磨損的關(guān)系；康碩等[6]提出并合理性驗(yàn)證基于附壁射流理論的前置級流場模型，確定了影響前置級壓力增益的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)；胡建軍等[7]利用數(shù)值手段，得出不同伺服閥流量下前置級結(jié)構(gòu)參數(shù)最合適的匹配范圍；蔣大偉等[8]研究了偏轉(zhuǎn)板伺服閥不同劈尖寬度、噴嘴寬度、偏轉(zhuǎn)板V形槽角度與左右接收孔恢復(fù)壓力以及壓差的關(guān)系，得到了最佳劈尖寬度、噴嘴寬度、偏轉(zhuǎn)板V形槽角度。目前對改變前置級接收孔處圓角大小、偏轉(zhuǎn)板厚度及偏轉(zhuǎn)板位置對偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級壓力特性影響的研究較少。為此，本文利用SolidWorks軟件建立偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級流場模型，運(yùn)用ICEM和Fluent軟件計(jì)算分析前置級接收孔處圓角大小、偏轉(zhuǎn)板厚度以及偏轉(zhuǎn)板位置對偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級壓力特性的影響,以期為偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化提供參考。

1 偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級的結(jié)構(gòu)和工作原理

偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。從圖1中可以看出，偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級由偏轉(zhuǎn)板和射流盤組成，其中射流盤的上部有油液入口、下部有兩個(gè)結(jié)構(gòu)對稱的左、右接收孔，左右兩邊設(shè)有油液出口，偏轉(zhuǎn)板中部開有一定角度(θ2)的V形導(dǎo)流槽。偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級的工作原理為：初始狀態(tài)偏轉(zhuǎn)板處于中位，高速高壓的液壓油從油液入口進(jìn)入射流盤的內(nèi)部流道，液壓油經(jīng)過偏轉(zhuǎn)板后，一小部分從偏轉(zhuǎn)板與射流盤所形成的間隙中流到油液出口，大部分均等地流入左、右接收孔，此時(shí)左、右接收孔的恢復(fù)壓力相等，偏轉(zhuǎn)板伺服閥的滑閥所受到的合力為零；當(dāng)偏轉(zhuǎn)板向左或向右偏移一定距離時(shí)，偏轉(zhuǎn)板偏移方向上接收孔的恢復(fù)壓力升高，而另一個(gè)接收孔的恢復(fù)壓力下降，左、右接收孔恢復(fù)壓力不等，此時(shí)，偏轉(zhuǎn)板射流閥控制伺服閥的功率級滑閥運(yùn)動(dòng)[1]。

Fig.1 Schematic diagram of pre-stage structure of deflector servo valve

2 偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級建模

偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為：接收孔處圓角半徑R=0.10 mm,噴嘴錐角θ1=41°,偏轉(zhuǎn)板V形導(dǎo)流槽夾角θ2=37°,左右接收孔的內(nèi)側(cè)夾角θ3=38°，左右接收孔的外側(cè)夾角θ4=68°，噴嘴寬度L1=0.155 mm,V形導(dǎo)流槽下端噴口寬度L2=0.155 mm,劈尖寬度L3=0.100 mm,左、右接收孔兩圓角圓心距離L4=1.08 mm,偏轉(zhuǎn)板上端面到噴嘴端面的距離d1=0.20 mm,偏轉(zhuǎn)板厚度d2=0.51 mm,偏轉(zhuǎn)板下端面到接收孔端面的距離d3=0.20 mm。

根據(jù)前置級的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用SolidWorks軟件對偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級流場進(jìn)行三維建模，如圖2所示。

圖2 偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級流場三維模型

Fig.2 3D model of flow field in the pre-stage of deflector servo valve

3 網(wǎng)格劃分及計(jì)算條件設(shè)置

將偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級流場的三維幾何模型保存為Parasolid格式，并導(dǎo)入到ICEM軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了進(jìn)一步提高模型在Fluent軟件中的計(jì)算速度，采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格對模型進(jìn)行劃分，網(wǎng)格間距設(shè)為0.024，前置級模型的網(wǎng)格數(shù)約為一百萬個(gè)。在Fluent軟件中打開已劃分好網(wǎng)格的模型，在進(jìn)行求解和后處理前，需對各邊界條件進(jìn)行設(shè)置。由于油液在前置級內(nèi)部的流道內(nèi)處于高速與高壓狀態(tài)，內(nèi)部流動(dòng)十分復(fù)雜，因此采用RNGk-ε湍流模型進(jìn)行計(jì)算，利用標(biāo)準(zhǔn)壁面條件對壁面邊界進(jìn)行處理，將壓力油入口邊界條件設(shè)為壓力入口，并將壓力值設(shè)為21.0 MPa，將壓力油出口邊界條件設(shè)為壓力出口，并將壓力值設(shè)為0.3 MPa,油液的密度為850 kg/m3，油液的動(dòng)力黏度為0.031 Pa·s，為保證精度，在前置級左右接收孔的底面設(shè)立監(jiān)測面，對左右接收孔內(nèi)的壓力進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)各項(xiàng)殘差的數(shù)值低于10-7且殘差曲線趨向于穩(wěn)定時(shí)，則可認(rèn)為計(jì)算的結(jié)果收斂。

4 仿真結(jié)果分析

4.1 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

由于網(wǎng)格數(shù)量會(huì)對前置級模型的計(jì)算精度產(chǎn)生一定的影響，因此對偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級模型的網(wǎng)格無關(guān)性進(jìn)行驗(yàn)證。取偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級模型的網(wǎng)格數(shù)分別為984 120、1 003 110、1 013 064、1 028 732、1 055 900 個(gè)，不同網(wǎng)格數(shù)下前置級左接收孔壓力恢復(fù)曲線如圖3所示。從圖3中可以看出，在不同的網(wǎng)格數(shù)下，前置級左接收孔的恢復(fù)壓力相差不大，滿足網(wǎng)格無關(guān)性要求。

圖3 不同網(wǎng)格數(shù)下左接收孔壓力恢復(fù)曲線

Fig.3 Pressure recovery curve of left receiving hole of pre-stage with different grid numbers

4.2 接收孔處圓角的大小對前置級壓力特性的影響

前置級左右接收孔處圓角大小變化示意圖如圖4所示, 圓角的大小變化通過改變其半徑進(jìn)行調(diào)節(jié)，分別取圓角半徑(R)為0.05、0.10、0.15、0.20 mm。接收孔處圓角大小對前置級壓力特性的影響如圖5所示。從圖5中可以看出，前置級左接收孔壓力恢復(fù)曲線和左右接收孔的壓力差曲線基本呈線性，隨著偏轉(zhuǎn)板向左偏移量的增加，左接收孔的恢復(fù)壓力和左右接收孔的壓力差不斷增大；隨著接收孔處圓角半徑的減小，左接收孔的恢復(fù)壓力和左右接收孔的壓力差不斷增加，其中當(dāng)R=0.05 mm時(shí)，左接收孔壓力恢復(fù)曲線和左右接收孔的壓力差曲線的線性度最好，且斜率最大，表明此時(shí)偏轉(zhuǎn)板伺服閥的靈敏度最高，這是因?yàn)?，在兩接收孔的油液分配存在一定比例的前提下，改變接收孔處圓角大小，即改變接收孔處油液入口面積，接收孔處圓角越小，則接收孔處油液入口面積越小，油液進(jìn)入接收孔的速度就越大，即油液的動(dòng)能越大，最終油液的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為油液的壓力能相應(yīng)增多，導(dǎo)致左右接收孔的壓差增大[4]。

圖4 接收孔處圓角大小變化示意圖

Fig.4 Schematic diagram of fillet change at the receiving hole

(a)左接收孔恢復(fù)壓力曲線

(b)左右接收孔壓力差曲線

Fig.5 Effect of the fillet size at the receiving hole on the pressure characteristics of pre-stage

4.3 偏轉(zhuǎn)板的厚度對前置級壓力特性的影響

偏轉(zhuǎn)板厚度變化示意圖如圖6所示，其厚度(h)分別為0.71、0.61、0.51、0.41 mm。偏轉(zhuǎn)板厚度對前置級壓力特性的影響如圖7所示。從圖7(a)中可以看出，左接收孔壓力恢復(fù)曲線均呈線性，當(dāng)偏轉(zhuǎn)板厚度為0.71 mm時(shí)，接收孔的恢復(fù)壓力最高，且其壓力恢復(fù)曲線的線性度較好，這是因?yàn)?，在兩接收孔的油液分配存在一定比例的前提下，增大偏轉(zhuǎn)板的厚度，即減小偏轉(zhuǎn)板上端面到噴嘴端面的距離與偏轉(zhuǎn)板下端面到接收孔端面的距離，增加V形導(dǎo)流槽的長度，從而減少從偏轉(zhuǎn)板噴射到接收孔處圓角附近壁面的油液，使更多油液進(jìn)入到接收孔中，導(dǎo)致接收孔的恢復(fù)壓力增大。從圖7(b)中可以看出，隨著偏轉(zhuǎn)板向左偏移量的增加，左右接收孔的壓差值逐漸變大，當(dāng)偏轉(zhuǎn)板厚度為0.41 mm時(shí)，前置級的壓力差曲線的線性度最好，優(yōu)于偏轉(zhuǎn)板厚度為0.71 mm時(shí)前置級的壓力差曲線線性度，且斜率最大，表明偏轉(zhuǎn)板厚度為0.41 mm時(shí)，偏轉(zhuǎn)板伺服閥工作時(shí)的靈敏度最高，偏轉(zhuǎn)板厚度為0.71 mm時(shí)，偏轉(zhuǎn)板伺服閥工作時(shí)的靈敏度有所下降，由此表明，雖然增加偏轉(zhuǎn)板厚度有利于提高偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級接收孔的恢復(fù)壓力，但會(huì)降低伺服閥的靈敏度，因此偏轉(zhuǎn)板厚度不宜增加太多。

圖6 偏轉(zhuǎn)板厚度變化示意圖

(a)左接收孔恢復(fù)壓力曲線

(b)左右接收孔壓力差曲線

Fig.7 Effect of deflector thickness on the pressure characteristics of pre-stage

4.4 偏轉(zhuǎn)板位置對前置級壓力特性的影響

偏轉(zhuǎn)板向左上偏轉(zhuǎn)一定角度(β)示意圖如圖8所示，分別取β為0°、0.2°、0.4°、0.6°。偏轉(zhuǎn)板向左上偏轉(zhuǎn)不同角度對前置級壓力特性的影響如圖9所示。從圖9中可以看出，隨著偏轉(zhuǎn)板向左上偏轉(zhuǎn)角度的增大，左接收孔的恢復(fù)壓力逐漸增大, 左右接收孔的壓力差也越來越大，這是因?yàn)?，偏轉(zhuǎn)板向左上偏轉(zhuǎn)的角度越大，越多的油液進(jìn)入左接收孔，進(jìn)入到右接收孔的油液越少，導(dǎo)致左右接收孔的壓力差增大。從圖9(a)中可以看出，前置級左接收孔的四條恢復(fù)壓力曲線基本呈線性，但當(dāng)β為0.6°時(shí)，左接收孔恢復(fù)壓力曲線的線性度最差，當(dāng)β為0.4°時(shí)，左接收孔恢復(fù)壓力曲線的線性度最好。從圖9(b)中可以看出，左右接收孔的壓力差曲線的斜率隨著偏轉(zhuǎn)板向左上偏轉(zhuǎn)角度的增加而逐漸減小，其中偏轉(zhuǎn)板位于中位時(shí)，壓力差曲線的線性度最好，由此表明，偏轉(zhuǎn)板向左上偏轉(zhuǎn)一定角度時(shí)，左右接收孔存在壓力差，導(dǎo)致作用于偏轉(zhuǎn)板伺服閥滑閥的合力不為零，不利于閥芯運(yùn)動(dòng)的控制。

圖8 偏轉(zhuǎn)板向左上偏轉(zhuǎn)一定角度示意圖

Fig.8 Schematic diagram of deflector deflecting to the upper left at a certain angle

(a)左接收孔恢復(fù)壓力曲線

(b)左右接收孔壓力差曲線

圖9 偏轉(zhuǎn)板向左上偏轉(zhuǎn)不同角度對前置級壓力特性的影響

Fig.9 Effect of deflector deflecting to the upper left at different angles on the pressure characteristics of pre-stage

5 結(jié)論

(1)適當(dāng)減小偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級接收孔處圓角半徑，有利于提高偏轉(zhuǎn)板伺服閥的靈敏度，當(dāng)接收孔處圓角半徑為0.05 mm時(shí)，前置級恢復(fù)壓力曲線和壓力差曲線的線性度最好，且斜率最大，偏轉(zhuǎn)板伺服閥的靈敏度最高。

(2)增加偏轉(zhuǎn)板厚度有利于提高偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級接收孔的恢復(fù)壓力，但會(huì)降低偏轉(zhuǎn)板伺服閥的靈敏度。

(3)偏轉(zhuǎn)板向左上偏轉(zhuǎn)一定角度時(shí)，將導(dǎo)致更多油液進(jìn)入左接收孔，使前置級左右接收孔產(chǎn)生壓力差，會(huì)導(dǎo)致作用于滑閥的合力不為零，不利于閥芯運(yùn)動(dòng)的控制。