加工裝配誤差影響下偏轉(zhuǎn)射流壓力伺服閥靜態(tài)特性分析*

楊瀚浩，葛聲宏,，周振峰，朱玉川

(1.南京航空航天大學(xué) 直升機傳動技術(shù)國家級重點實驗室·南京·210016；2.航空工業(yè)金城南京機電液壓工程研究中心 航空機電系統(tǒng)綜合航空科技重點實驗室·南京·210061；3.中航工業(yè)南京伺服控制系統(tǒng)有限公司·南京·210032)

0 引 言

電液壓力伺服閥是電液伺服控制系統(tǒng)的核心控制元件，在系統(tǒng)中起電液轉(zhuǎn)換和功率放大的作用，在系統(tǒng)工作時它能把電信號轉(zhuǎn)換成具有相應(yīng)極性、成比例的負(fù)載壓力的信號。相較于噴嘴擋板壓力伺服閥與射流管壓力伺服閥，偏轉(zhuǎn)射流伺服閥可靠性更高、動態(tài)性能更好，在航空、航天、軍事及工業(yè)領(lǐng)域中均有廣泛的應(yīng)用。

國內(nèi)外學(xué)者對偏轉(zhuǎn)射流伺服閥開展了諸多研究，在前置射流放大器流場建模與仿真、液動力計算、空化現(xiàn)象、沖蝕以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面取得了豐富的研究成果，還設(shè)計了以壓電雙晶片和磁致伸縮執(zhí)行器為驅(qū)動機構(gòu)的偏轉(zhuǎn)射流伺服閥，進一步拓展了偏轉(zhuǎn)射流伺服閥的應(yīng)用領(lǐng)域。在壓力伺服閥的研究方面，研究人員分析了閥芯回油結(jié)構(gòu)尺寸和異常旋轉(zhuǎn)對壓力閥嘯叫的影響，以及閥芯污染物卡滯對壓力閥性能劣化的作用規(guī)律，由此可見滑閥放大器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對壓力伺服閥的輸出影響巨大。然而區(qū)別于流量伺服閥，壓力伺服閥在滑閥放大器的設(shè)計上多采用帶有壓力控制容腔的三通閥結(jié)構(gòu)，不同的滑閥結(jié)構(gòu)使得現(xiàn)有的伺服閥仿真模型不能準(zhǔn)確預(yù)測壓力伺服閥的輸出，這給壓力伺服閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化增加了難度。

綜上所述，為了準(zhǔn)確預(yù)測偏轉(zhuǎn)射流壓力伺服閥的輸出性能，本文參考偏轉(zhuǎn)射流伺服閥的理論模型，建立了偏轉(zhuǎn)射流壓力伺服閥的AMESim模型，并基于此模型研究了不同加工裝配誤差下的整閥靜態(tài)特性差異，最后通過實驗對仿真模型進行了驗證。

1 結(jié)構(gòu)與加工裝配誤差形式

如圖1(a)所示，偏轉(zhuǎn)射流壓力伺服閥由力矩馬達、前置射流放大器和滑閥放大器組成。在滑閥放大器的設(shè)計上區(qū)別于常見的對稱式四節(jié)流邊結(jié)構(gòu)，采用非對稱式的雙節(jié)流邊滑閥結(jié)構(gòu)，左側(cè)帶有壓力反饋容腔，以實現(xiàn)壓力的伺服控制。前置射流放大器由偏轉(zhuǎn)板與射流盤構(gòu)成，射流盤為圓形薄片狀且開有“大”字形孔的結(jié)構(gòu)，孔各端分別為供油口、回油口以及左右兩接收器；偏轉(zhuǎn)板為一開有V型導(dǎo)流槽的薄片，插入射流盤噴口與接收器之間的通道內(nèi)。壓力伺服閥的工作原理如下：

當(dāng)伺服閥沒有控制電流輸入時，偏轉(zhuǎn)板處于射流盤的中間位置，油液由進油口進入前置級流場，而后經(jīng)V形導(dǎo)流口進入接收器，由于左右接收器接收油液的流量相等，故在左右壓力腔內(nèi)產(chǎn)生相等的壓力；當(dāng)線圈輸入一定的控制電流時，在力矩馬達的驅(qū)動下偏轉(zhuǎn)板發(fā)生偏移，從而導(dǎo)致左右接收器接收油液的流量不等，因此左右接收器產(chǎn)生壓差，進而控制滑閥的運動。當(dāng)滑閥向左運動時，進油閥口打開，輸出腔壓力上升，輸出腔通過閥芯上的反饋孔與反饋腔連通，因此反饋腔壓力上升，進而推動閥芯向右運動；當(dāng)滑閥向右運動時，回油閥口打開，輸出腔壓力下降即反饋腔壓力下降，進而推動閥芯向左運動。最終閥芯回到中間位置，左接收器壓力、右接收器壓力和反饋腔壓力形成力平衡，輸出恒定壓力。

在伺服閥的實際加工裝配過程中，滑閥的閥芯閥套間會有徑向間隙，往往還有很小的正的或負(fù)的重疊量，同時閥口工作邊也不可避免地存在小圓角，因此本文將滑閥的加工裝配誤差定義成三種形式，軸向重疊、徑向間隙以及加工圓角。如圖1(b)～(d)所示，假設(shè)閥芯閥套的軸向重疊量為，進油閥口的徑向間隙距離為，回油閥口的徑向間隙距離為，進回油閥口的圓角半徑均為。

(a)伺服閥結(jié)構(gòu)示意圖

2 仿真建模及分析

2.1 仿真模型

偏轉(zhuǎn)射流壓力伺服閥涉及電、磁、機、液等多物理場耦合，根據(jù)結(jié)構(gòu)組成和工作原理，利用AMESim仿真平臺提供的液壓元件設(shè)計庫、電磁元件設(shè)計庫以及機械元件設(shè)計庫，搭建整閥AMESim仿真模型如圖2(a)所示。整閥模型包括力矩馬達模塊、前置射流放大器模塊和滑閥放大器模塊等，其中滑閥放大器模塊的結(jié)構(gòu)組成如圖2(b)所示，由進回油閥口、左右接收器腔、反饋腔、負(fù)載腔及閥芯運動子模型構(gòu)成。前置射流放大器模塊采用AMESet二次開發(fā)建模，開發(fā)過程參考偏轉(zhuǎn)射流伺服閥的數(shù)學(xué)理論模型。在仿真過程中，本文設(shè)置進回油閥口的AMESim子模型屬性為帶圓角和環(huán)形間隙的閥口，該子模型考慮了由加工圓角和徑向間隙導(dǎo)致的閥口通流面積非線性變化以及縫隙流動情況。最后設(shè)置不同的軸向重疊量、徑向間隙以及圓角半徑參數(shù)，通過AMESim仿真研究了不同加工裝配誤差對偏轉(zhuǎn)射流壓力伺服閥靜態(tài)特性的影響規(guī)律，整閥模型的仿真參數(shù)如表1所示。

(a)整閥AMESim模型示意圖

表1 偏轉(zhuǎn)射流壓力伺服閥仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters of deflector jet pressure servo valve

2.2 仿真分析

壓力特性曲線是分析壓力伺服閥靜態(tài)性能的重要曲線，而滯環(huán)、死區(qū)電流和最大輸出壓力是評價靜態(tài)性能的重要指標(biāo)。滯環(huán)是產(chǎn)生伺服閥輸出壓力的兩電流之間最大差值與額定電流的百分比，死區(qū)電流是伺服閥零位附近不輸出壓力的最大電流。因此，本文給仿真模型輸入0.02Hz、40mA的三角波信號，輸出整閥壓力特性曲線，分別改變偏轉(zhuǎn)射流壓力伺服閥的閥芯閥套軸向重疊量、徑向間隙以及圓角半徑，對比不同加工裝配誤差下的壓力特性曲線的滯環(huán)、死區(qū)電流和最大輸出壓力的大小。

(1)軸向重疊量變化對整閥靜態(tài)壓力特性的影響

圖3(a)所示為不同軸向重疊量下的整閥壓力特性曲線，分析滯環(huán)和死區(qū)電流可知：

滯環(huán)：當(dāng)重疊量從-0.01mm增大到0.01mm時，滯環(huán)從小于1%增大到8.8%。滯環(huán)受軸向重疊量變化的影響較為嚴(yán)重，負(fù)重疊和零重疊的閥滯環(huán)都較小，正重疊的閥滯環(huán)較大，分析其原因主要是滑閥從升壓到泄壓閥芯需要運動一段無效行程，從而導(dǎo)致壓力輸出和電流輸入之間具有滯后性。

死區(qū)電流：當(dāng)重疊量從-0.01mm增大到0.01mm時，死區(qū)電流從9.6mA增大到13.1mA，隨著重疊量的增大，死區(qū)電流略有增大。

最大輸出壓力：當(dāng)重疊量從-0.01mm增大到0.01mm時，最大輸出壓力從14.8MPa減小到14MPa。負(fù)重疊和零重疊的閥最大輸出壓力基本相等，而正重疊的閥隨著重疊量的增大，最大輸出壓力不斷減小。

(2)圓角半徑變化對整閥靜態(tài)壓力特性的影響

圖3(b)所示為軸向重疊量為0.01mm時，不同圓角半徑下的整閥壓力特性曲線，分析可知：

滯環(huán)：當(dāng)圓角半徑從0增大到0.02mm時，滯環(huán)從8.8%增大到10.7%，滯環(huán)呈不斷增大的趨勢。

死區(qū)電流：當(dāng)圓角半徑從0增大到0.02mm時，死區(qū)電流幾乎不變。

最大輸出壓力：當(dāng)圓角半徑從0增大到0.02mm時，最大輸出壓力從14MPa減小到13.8MPa。圓角半徑的增大會減小壓力閥的最大輸出壓力，但減小幅度不大。

(a)軸向重疊量的影響

(3)徑向間隙變化對整閥靜態(tài)壓力特性的影響

圖4所示為軸向重疊量為0.01mm時，不同徑向間隙下的整閥壓力特性曲線，這里主要分析進回油側(cè)閥口徑向間隙距離相等的情況，即==。

圖4 徑向間隙影響下的壓力特性曲線Fig.4 Pressure characteristic curves under the influence of radial clearance

滯環(huán)：當(dāng)徑向間隙從0增大到0.001mm時，滯環(huán)從8.8%降到1%，由此可見，徑向間隙的存在會使得正重疊壓力閥的滯環(huán)大幅下降，分析其原因主要是徑向間隙的泄漏使得壓力閥響應(yīng)變快，壓力輸出隨輸入的滯后顯著降低。因此，由于加工裝配過程中存在的滑閥間隙，正重疊的閥實際上也能滿足壓力閥滯環(huán)的要求。而當(dāng)徑向間隙再從0.001mm增大到0.01mm時，滯環(huán)幾乎不變。

死區(qū)電流：當(dāng)徑向間隙從0增大到0.01mm時，死區(qū)電流從13.1mA一直減小到3mA。同時值得注意的是，由于徑向間隙的存在，壓力特性曲線的轉(zhuǎn)折段呈現(xiàn)非線性，且非線性段隨著徑向間隙的增大而增大。非線性的輸出壓力嚴(yán)重影響了壓力伺服閥的輸出性能，同時非線性段的存在也使得死區(qū)電流大幅減小，造成伺服閥在零位附近就有壓力輸出，這在某些壓力伺服控制場合是不被允許的(例如飛機機輪剎車)，因此在壓力伺服閥的設(shè)計與加工過程中需要格外注意。

最大輸出壓力：當(dāng)徑向間隙從0增大到0.01mm時，最大輸出壓力從14MPa增大到14.8MPa。因此，徑向間隙的增大一定程度上可以加大壓力閥的最大輸出壓力。

3 實驗研究

3.1 實驗系統(tǒng)

通過搭建實驗系統(tǒng)開展偏轉(zhuǎn)射流壓力伺服閥整閥靜態(tài)特性實驗，實驗系統(tǒng)如圖5(a)所示，分別對壓力閥1和壓力閥2進行實驗，測試不同壓力閥的靜態(tài)性能。由于實際加工裝配誤差的存在，每個壓力閥的靜態(tài)特性都會有差異，通過實驗數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果的對比，驗證了仿真模型及仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.2 實驗結(jié)果

被測壓力閥1和壓力閥2皆為正重疊閥，供油壓力為21MPa，回油壓力為0.3MPa，工作介質(zhì)為航空液壓油。給力矩馬達線圈輸入0.02Hz、40mA的三角波信號時，實驗得到的壓力特性曲線如圖5(b)所示，同時通過AMESim仿真得到壓力閥1和壓力閥2的壓力特性曲線，同樣繪制在圖5(b)中。仿真設(shè)置的加工裝配誤差參數(shù)如表2所示。

(a)實驗系統(tǒng)組成

表2 偏轉(zhuǎn)射流壓力伺服閥加工裝配誤差仿真參數(shù)Tab.2 Simulation parameters of machining and assembly error of deflector jet pressure servo valves

滯環(huán)：壓力閥1的滯環(huán)為1.33%，壓力閥2的滯環(huán)為3.15%。根據(jù)前面的分析可知，壓力閥的滯環(huán)主要受軸向重疊量影響較大，因此推測壓力閥1的軸向重疊量小于壓力閥2。

死區(qū)電流：壓力閥1的死區(qū)電流為5.5mA，壓力閥2的死區(qū)電流為6.8mA。此外，壓力閥1的非線性段較長。根據(jù)前面的分析可知，死區(qū)電流和壓力非線性段受徑向間隙的影響較大，因此推測壓力閥1的徑向間隙大于壓力閥2。

最大輸出壓力：壓力閥1的最大輸出壓力為11.4MPa，壓力閥2的最大輸出壓力為10.5MPa。根據(jù)前面的分析可知，最大輸出壓力隨著軸向重疊量的增大而減小，隨著徑向間隙的增大而減小，因此推測壓力閥1的軸向重疊量較小或徑向間隙較大。

通過AMESim仿真結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)的對比可知，壓力閥1和壓力閥2的仿真結(jié)果基本與實驗一致，同電流下輸出壓力最大差值為0.37MPa。由于在仿真模型中考慮了滑閥軸向重疊量、徑向間隙和加工圓角的影響，同時分析表2中的仿真參數(shù)可知，壓力閥1的軸向重疊量小于壓力閥2，徑向間隙大于壓力閥2，證實了前面的分析，也側(cè)面證明了考慮加工裝配誤差影響的模型能夠更準(zhǔn)確地模擬壓力伺服閥的真實性能，可為后續(xù)偏轉(zhuǎn)射流壓力伺服閥的優(yōu)化設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié) 論

1)本文基于AMESim平臺搭建了偏轉(zhuǎn)射流壓力伺服閥的仿真模型，通過不同壓力閥的對比實驗研究了不同加工裝配誤差對整閥靜態(tài)特性的影響規(guī)律，經(jīng)實驗驗證仿真模型能夠較為真實地模擬加工裝配誤差下的壓力伺服閥輸出特性，為偏轉(zhuǎn)射流壓力伺服閥的設(shè)計和優(yōu)化提供參考。

2)當(dāng)壓力伺服閥的重疊量從-0.01mm增大到0.01mm時，滯環(huán)從小于1%增大到8.8%，死區(qū)電流從9.6mA增大到13.1mA。其中滯環(huán)受軸向重疊量變化的影響較為嚴(yán)重，負(fù)重疊和零重疊的壓力閥滯環(huán)都較小，因此零重疊和負(fù)重疊的壓力閥具有更好的響應(yīng)，在壓力閥設(shè)計時可以優(yōu)先選用。

3)徑向間隙的存在使得正重疊壓力伺服閥的滯環(huán)和死區(qū)電流都大幅下降，因此正重疊的閥實際上也能滿足壓力閥滯環(huán)的要求。而當(dāng)徑向間隙再從0.001mm增大到0.01mm時，滯環(huán)幾乎不發(fā)生變化，死區(qū)電流繼續(xù)從8.8mA減小到3mA。同時值得注意的是，徑向間隙過大容易造成壓力特性曲線的轉(zhuǎn)折段呈現(xiàn)非線性，嚴(yán)重時會影響壓力伺服閥的輸出性能。