PIV射流管伺服閥嘯叫問題的研究

黃增，金瑤蘭，陳冬冬，渠立鵬

(1.中船重工集團第七〇四研究所，上海 200070；2.上海衡拓液壓控制技術(shù)有限公司，上海 201612)

0 前言

射流管伺服閥作為一種典型的電液伺服閥，具有高抗污染性、高可靠性和高分辨率等突出優(yōu)點，被廣泛應用于各個領(lǐng)域。射流管伺服閥是一個非常精密而又復雜的伺服控制元件，射流前置級是其重要組成部分，對伺服閥的靜動態(tài)特性都有重要影響。但近期，在飛機發(fā)動機、飛機剎車系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)等伺服系統(tǒng)的使用過程中，常常會發(fā)生伺服閥嘯叫現(xiàn)象，造成伺服閥性能改變、系統(tǒng)可靠性降低，甚至發(fā)生伺服閥彈簧管破裂的故障。因此，研究射流管伺服閥嘯叫產(chǎn)生的機制以及如何消除嘯叫，成為射流管伺服閥的研究重點。本文作者利用流體仿真軟件Fluent對射流管伺服閥前置級流場進行仿真分析；在理論與仿真分析的基礎(chǔ)上，通過試驗驗證理論分析的準確性，為解決射流管伺服閥嘯叫問題提供了參考。

1 射流管伺服閥前置級流場數(shù)學模型

射流管伺服閥前置級主要由射流管、噴嘴和接收器等組成，其工作原理為射流管可以繞支承中心轉(zhuǎn)動，接收器上有兩個圓形的接收孔，兩個接收孔分別與液壓缸兩腔相聯(lián)，來自液壓源的恒壓力、恒流量的液流通過支承中心引入射流管，經(jīng)射流管噴嘴向接收器噴射，壓力油的液壓能通過射流管的噴嘴轉(zhuǎn)換為液流的動能(速度能)，液流被接收孔接收后，又將動能轉(zhuǎn)換為壓力能,如圖1所示。

圖1 射流管前置級工作原理

依據(jù)上述邊界條件，在Fluent軟件中對前置級流場進行仿真分析，得出前置級內(nèi)部速度云圖及流線圖，如圖4—圖5所示。

射流管伺服閥前置級流場流速較高，為高雷諾數(shù)湍流運動，采用Realizable-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。進口邊界條件為壓力進口，壓力為21 MPa；出口邊界條件為壓力出口，壓力為0.5 MPa；噴嘴與接收器接觸表面為interface；接收孔出口邊界為wall；流體與壁面接觸的邊界為wall。流體介質(zhì)為15號航空液壓油，其動力黏度為0.012 5 μ/Pa·s、密度為855 kg/m。

(1)

將PIV測量的區(qū)域1和區(qū)域2原始數(shù)據(jù)導入Tecplot軟件中進行結(jié)果后處理，得到試驗流線如圖8所示。

通過仿真分析和實際PIV可視化圖像都可以看到：當噴嘴高速射流沖擊接收器時，產(chǎn)生的壓力主要作用在閥芯兩頭，推動閥芯運動實現(xiàn)伺服閥控制作用。同時，噴嘴噴出的大部分流體都通過噴嘴到接收器的狹小空間流道流出，其流速高達162 m/s。在這一高速流體的作用下，整個接收器腔內(nèi)形成一個高速渦流狀態(tài)，即演化為管狀物體的阻流模型。根據(jù)仿真和PIV試驗結(jié)果可以看到在射流管管壁上出現(xiàn)了渦流，當噴嘴流速變化時，渦流的位置和大小都會變化，并不斷地產(chǎn)生和消散，形成一連串渦流，即渦街現(xiàn)象。根據(jù)卡門渦街的相關(guān)論述，上述渦流可以參考卡門渦街的情況來理解：出現(xiàn)渦街時，流體對物體會產(chǎn)生一個周期性的交變橫向作用力，如果力的頻率與物體的固有頻率接近，就會引起共振，甚至使物體損壞。該渦街會沿射流管向噴嘴方向擴散，在擴散過程中，由于附壁流影響形成流速差，造成局部真空，進而產(chǎn)生氣液兩相流。

(2)

1)如圖6a所示情況，掘進機軸線與隧道設(shè)計軸線共線，此時不需要糾偏，控制支撐油缸伸縮量相等，保持穩(wěn)定的運行姿態(tài)。

(3)

綜上所述，本研究觀察的是2種手術(shù)后早期各參數(shù)的變化，2種手術(shù)方式均會引起不同程度的干眼，但術(shù)后1個月各指標均已無顯著性差異。同F(xiàn)LEx相比，SMILE的眼表損傷和炎癥反應較小，是一種微創(chuàng)安全的治療近視和散光的角膜屈光手術(shù)方式。

2 利用Fluent對射流管伺服閥前置級流場進行仿真分析

數(shù)學模型以試驗模型為基礎(chǔ)，對部分結(jié)構(gòu)進行簡化，目的是全部結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。射流管伺服閥為軸對稱結(jié)構(gòu)，為盡可能降低計算代價，選取1/2流域進行計算。射流管伺服閥前置級三維流場模型如圖2所示。

圖2 前置級流場簡化模型

式中：為液體相變壓力；為油液質(zhì)量分數(shù)；為油液蒸汽質(zhì)量分數(shù)；為油液密度；為油液蒸汽密度；為液體表面張力系數(shù)；為湍流動能；為蒸發(fā)率系數(shù)；為冷凝率系數(shù)。

圖3 前置級網(wǎng)格劃分細節(jié)

考慮前置級內(nèi)發(fā)生氣穴時存在油液、油液蒸氣和氣體，主要通過氣體輸運方程對氣體體積和質(zhì)量分數(shù)進行計算：

圖4 前置級流體仿真速度云圖及流線圖

圖5 前置級局部放大速度云圖及流線圖

當<時，有：

利用Gambit對射流管伺服閥前置級模型進行網(wǎng)格劃分，噴嘴以及接收孔流道模型形狀較為規(guī)則，采用結(jié)構(gòu)化六面體網(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，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行局部細化。模型總網(wǎng)格數(shù)約為680萬，網(wǎng)格劃分細節(jié)如圖3所示。

3 射流管伺服閥前置級流場可視化試驗驗證

試驗以射流管伺服閥中心平面作為拍攝平面，由于射流管伺服閥為軸對稱結(jié)構(gòu)，故取其中1/2的區(qū)域進行PIV流場測量。為得到高質(zhì)量的圖像，考慮模型的尺寸以及相機的拍攝比例，將射流管伺服閥前置級分成2個區(qū)域進行試驗拍攝(如圖6—圖7所示)。

圖6 PIV試驗模型剖面圖

圖7 PIV試驗原始圖像

式中：為氣液混合密度；為氣體質(zhì)量分數(shù)；為氣體速度；為氣體有效交換系數(shù)；、均為氣體產(chǎn)生率(源項)，與油源瞬時壓力有關(guān)。

圖8 Tecplot處理后的流線

由圖4—圖5可知：射流管前置級流場中主要存在四處漩渦，分別位于4個不同的區(qū)域；左側(cè)上腔內(nèi)漩渦呈現(xiàn)逆時針旋轉(zhuǎn)且渦核位置靠近射流管；右側(cè)上腔內(nèi)漩渦呈現(xiàn)順時針旋轉(zhuǎn)且渦核位置靠近壁面；左側(cè)下腔內(nèi)漩渦位于噴嘴與接收器形成的間隙左側(cè)附近；右側(cè)下腔內(nèi)漩渦位于噴嘴與接收器形成的間隙右側(cè)附近。

卡門渦街頻率計算公式：

=()

(4)

式中：為斯特勞哈爾數(shù)，主要與雷諾數(shù)有關(guān)；為流速(m/s)；為射流管直徑(mm)。

當雷諾數(shù)為3×10～3×10時，近似于常數(shù)值(0.21)；當雷諾數(shù)為3×10～3×10時，有規(guī)則的渦街便不再存在；當雷諾數(shù)大于3×10時，卡門渦街又會自動出現(xiàn)，這時約為0.27。通過計算某型伺服閥的渦街頻率，當雷諾數(shù)取0.21、流速取16 m/s、射流管直徑取2.6 mm時，得到渦街頻率為1 292 Hz。通過計算出的結(jié)果可知：伺服閥產(chǎn)生嘯叫的根本原因是噴嘴噴出液流的高速流動在狹小容腔內(nèi)形成的渦流作用在射流管上，渦流擴散形成了渦街，渦街的產(chǎn)生/泯滅使射流管受交變橫向力，當這一交變力的頻率和銜鐵組件固有頻率耦合時，就會產(chǎn)生嘯叫。

4 射流管伺服閥前置級結(jié)構(gòu)改進

某型伺服閥因射流管噴嘴直徑為0.55 mm、射流管長度加長30%，導致經(jīng)常發(fā)生嘯叫問題，長期困擾生產(chǎn)。經(jīng)分析相關(guān)尺寸情況發(fā)現(xiàn)，由于噴嘴加大，流速增加，使得渦街頻率加大；經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)，渦街頻率接近該型伺服閥銜鐵組件的2階固有頻率，所以產(chǎn)生嘯叫。為了防止渦街振動直接作用在射流管上，需采取措施防止渦流順著射流管壁向噴嘴方向擴散，因此采用套筒結(jié)構(gòu)，套筒固接在閥體上，如圖9所示。

圖9 前置級套筒結(jié)構(gòu)

采用新結(jié)構(gòu)后，嘯叫問題得以解決，也大幅改善了射流管受力情況，伺服閥空載流量曲線得到大幅改善，滯環(huán)得以減小，抖動得以消除，整個流量曲線較為平滑。

5 結(jié)論

本文作者利用Fluent軟件和PIV可視化試驗的方式，對射流管伺服閥嘯叫問題進行了研究，提出嘯叫主要是由于液壓放大級產(chǎn)生的氣液兩相流在射流管壁上形成渦流，渦流的產(chǎn)生和消失形成了交變作用力，該作用力造成射流管振動，又因此交變作用力的頻率與伺服閥銜鐵組件固有頻率相近，造成了共振，從而產(chǎn)生了嘯叫現(xiàn)象。依據(jù)理論與試驗分析結(jié)果，采用在前置級增加套管的方式，來消除交變作用力。采用新結(jié)構(gòu)解決了射流管伺服閥嘯叫問題，大大改善了伺服閥在工作過程中的抖動現(xiàn)象，為解決伺服閥嘯叫問題、優(yōu)化射流管伺服閥前置級結(jié)構(gòu)提供了參考。