高壓力增益偏轉(zhuǎn)板射流伺服閥正交仿真試驗研究

周振鋒, 包逸平, 宋偉山, 賈秀杰

(1.中航工業(yè)南京伺服控制系統(tǒng)有限公司，江蘇 南京 210032； 2.空軍裝備部駐南京地區(qū)第三軍事代表室，江蘇 南京 211100)

引言

偏轉(zhuǎn)板射流伺服閥相較于目前使用最為廣泛的雙噴嘴擋板式伺服閥而言，具有更強(qiáng)的抗污染能力，同時兼具高可靠性與優(yōu)良的動靜態(tài)性能，因此逐步在航空、航天、船舶等眾多領(lǐng)域的電液伺服控制系統(tǒng)中得到應(yīng)用[1-3]。偏轉(zhuǎn)板射流伺服閥由力矩馬達(dá)、偏轉(zhuǎn)射流前置級和功率級滑閥3部分組成。其中，前置級是伺服閥的核心關(guān)鍵部件，但由于前置級流場復(fù)雜，且涉及到紊動射流的相關(guān)理論，目前仍沒有成熟理論能夠?qū)η爸眉墐?nèi)部的射流流場進(jìn)行精確的理論分析，因此針對前置級的相關(guān)特性研究大多依托于流場仿真[4]。訚耀保等[5]通過建立偏轉(zhuǎn)板射流伺服閥的前置級流場模型，分析了進(jìn)出口壓力以及接收孔角度對前置級流場流動特性的影響， 并對前置級流場中產(chǎn)生的氣穴現(xiàn)象進(jìn)行研究并提出相應(yīng)的改善方法。SHANG Y X等[6]對前置級射流噴嘴長度和寬度，以及射流盤厚度等結(jié)構(gòu)參數(shù)對其流場壓力特性的影響進(jìn)行了研究分析。蔣大偉等[7]分別就射流噴嘴寬度、V形導(dǎo)流口角度以及接收孔劈尖寬度這3個結(jié)構(gòu)參數(shù)對前置級流場特性影響進(jìn)行了仿真分析。冀宏等[8]通過流場仿真研究了前置級射流盤劈尖形變對伺服閥零位特性的影響。劉文可等[9]通過改變劈尖高度、寬度以及V形導(dǎo)流口長度對前置級流場進(jìn)行了靜態(tài)特性分析，并初步推導(dǎo)了前置級的理論模型。黃錫海等[10]對前置級接收孔圓角半徑、偏轉(zhuǎn)板厚度以及偏轉(zhuǎn)板位置對其壓力特性的影響規(guī)律進(jìn)行了分析。

綜上所述，針對偏轉(zhuǎn)板射流伺服閥前置級結(jié)構(gòu)參數(shù)對其流場流動特性影響的已有仿真研究，大多只分析了單個參數(shù)變動時對于整個流場的影響規(guī)律，很少考慮多參數(shù)同時變化時的耦合作用。此外，大部分學(xué)者只研究了前置級的結(jié)構(gòu)參數(shù)對其壓力特性或者流量特性的影響規(guī)律，鮮有涉及到以提高壓力增益為目標(biāo)的前置級結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，而提高前置級的壓力增益能夠提升伺服閥的靈敏度，提高大慣量主閥芯的響應(yīng)速度，優(yōu)化偏轉(zhuǎn)板射流伺服閥的動靜態(tài)性能。因此，本研究以提高前置級的壓力增益為目標(biāo)，結(jié)合正交試驗設(shè)計與流場仿真，研究多參數(shù)變化對于前置級流場流動特性的影響，以便為偏轉(zhuǎn)板射流伺服閥的前置級結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化提供參考。

1 偏轉(zhuǎn)板射流伺服閥前置級結(jié)構(gòu)及工作原理

偏轉(zhuǎn)板射流伺服閥的前置級主要由射流盤和偏轉(zhuǎn)板兩部分組成，如圖1所示。射流盤為圓形薄片結(jié)構(gòu)，其上分布著進(jìn)油口、射流槽和左右接收孔等主要結(jié)構(gòu)，而偏轉(zhuǎn)板中最主要的結(jié)構(gòu)為V形導(dǎo)流口，這些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的尺寸直接影響前置級流場特性，進(jìn)而影響伺服閥的整體性能。前置級的工作原理：當(dāng)伺服閥沒有控制電流輸入時，偏轉(zhuǎn)板處于射流槽的中間位置，油液由進(jìn)油口進(jìn)入前置級流場，而后經(jīng)V形導(dǎo)流口進(jìn)入接收孔， 左右接收孔由于接收油液的面積相等， 故在左右

圖1 前置級結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Pre-stage structure diagram

接收孔壓力腔內(nèi)產(chǎn)生相等的壓力；當(dāng)輸入一定的控制電流時，在力矩馬達(dá)的驅(qū)動下偏轉(zhuǎn)板發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在射流槽中體現(xiàn)為V形導(dǎo)流口的左右偏移，造成左右接收孔接收油液的面積不等，從而左右接收孔產(chǎn)生壓差，進(jìn)而控制滑閥級的運動。

2 正交仿真試驗

2.1 正交試驗設(shè)計

正交試驗設(shè)計是研究多因素多水平的一種試驗設(shè)計方法，根據(jù)正交性從全部的試驗組數(shù)中選擇出部分有代表的試驗組數(shù)進(jìn)行試驗，能夠有效減少試驗次數(shù)但能得到與大量全面試驗等效的結(jié)果[11]。因此正交試驗設(shè)計具有高效、快速而經(jīng)濟(jì)的特點。

在前人的研究基礎(chǔ)上，本研究選取射流盤的4個關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)作為正交試驗的4個因素，各結(jié)構(gòu)參數(shù)及其初始尺寸的示意如圖2所示。此外，根據(jù)各參數(shù)的初始尺寸選定了對應(yīng)的4個浮動尺寸，劃分的4因素5水平如表1所示，進(jìn)而根據(jù)4因素5水平的正交試驗設(shè)計原則，選擇L25(54)正交表來設(shè)計試驗。

圖2 各結(jié)構(gòu)參數(shù)及其初始尺寸示意圖Fig.2 Structural parameters and initial dimensions

表1 因素水平劃分表Tab.1 Factor level division table mm

2.2 流場仿真

根據(jù)正交試驗設(shè)計的方案，搭建了25種不同水平組合下的前置級三維實體模型，并提取相應(yīng)的前置級流道模型，其中一組的實體模型與流道模型分別如圖3、圖4所示。

圖3 前置級實體模型Fig.3 Pre-stage model

圖4 前置級流場模型Fig.4 Pre-stage flow field model

1) 網(wǎng)格劃分和仿真參數(shù)設(shè)置

將每組流道模型導(dǎo)入到ANSYS網(wǎng)格劃分模塊ICEM，并對拓?fù)溥M(jìn)行分塊操作，設(shè)置全局尺寸0.04 mm，最小網(wǎng)格尺寸0.001 mm，并對部分網(wǎng)格進(jìn)行質(zhì)量修繕，對前置級射流區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，便于得到此區(qū)域的精確計算結(jié)果，最終劃分的結(jié)構(gòu)性六面體網(wǎng)格如圖5所示，網(wǎng)格質(zhì)量檢查如圖6所示，最小網(wǎng)格質(zhì)量高于0.7，劃分的網(wǎng)格滿足仿真要求。

圖5 前置級網(wǎng)格劃分Fig.5 Pre-stage meshing

將劃分好網(wǎng)格的模型導(dǎo)入到Fluent模塊中進(jìn)行仿真求解，邊界條件設(shè)置：進(jìn)、出口邊界條件均設(shè)為壓力型，進(jìn)口壓力為28 MPa，出口壓力為0.6 MPa，油液類型選用15號航空液壓油，其密度為830 kg/m3，相應(yīng)的動力黏度為0.001162 Pa·s。此外，前置級流場核心區(qū)屬于典型的湍流運動，因此選定湍流模型中的RNGk-ε模型，并利用標(biāo)準(zhǔn)壁面條件進(jìn)行壁面邊界的處理?？紤]到流場中的氣穴現(xiàn)象，根據(jù)文獻(xiàn)[12]通過實驗對仿真結(jié)果的驗證，表明RNGk-ε湍流模型與Mixture氣液兩相流模型能夠很好的預(yù)測氣穴的發(fā)生，因此本研究采用Mixture氣液兩相流模型，其中空化模型采用Zwart-Gerber-Belamri模型，設(shè)置飽和蒸汽壓為4000 Pa。為保證求解的精度，設(shè)置各項殘差的數(shù)值低于10-5且殘差曲線趨于穩(wěn)定時，則認(rèn)為求解的結(jié)果收斂。

圖6 網(wǎng)格質(zhì)量檢查Fig.6 Grid quality check

2) 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

網(wǎng)格無關(guān)性即網(wǎng)格的疏密程度及數(shù)量不影響數(shù)值計算的結(jié)果。由于前置級的流場結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在Fluent仿真過程中，網(wǎng)格劃分質(zhì)量會直接影響仿真結(jié)果，因此需要驗證仿真試驗的網(wǎng)格無關(guān)性。分別對網(wǎng)格數(shù)量為67萬和89萬的模型進(jìn)行流場仿真對比分析，兩者對應(yīng)的全局尺寸分別為0.04 mm和0.03 mm，得到驗證曲線如圖7所示。可見網(wǎng)格數(shù)量為67萬和89萬時的仿真結(jié)果差異較小，故而判斷67萬網(wǎng)格數(shù)量的仿真模型和結(jié)果具有普適性和可靠性。

圖7 前置級流場模型網(wǎng)格無關(guān)性驗證曲線Fig.7 Grid independence verification curve of pre-stage flow field model

2.3 正交試驗結(jié)果分析

針對每組仿真試驗，輸出左右接收孔底端的壓力，并計算出壓力差值作為仿真結(jié)果，得到正交表及正交仿真試驗的結(jié)果，匯總?cè)绫?所示。

表2 正交仿真試驗結(jié)果Tab.2 Orthogonal simulation test results

首先，對正交仿真試驗結(jié)果進(jìn)行極差分析，結(jié)果如表3所示。由極差分析可知，4個因素中對于壓差的影響程度從大到小排序依次為射流盤厚度、射流槽寬度、噴嘴寬度、接收孔圓角半徑。

表3 正交仿真試驗極差分析表Tab.3 Range analysis of orthogonal simulation test mm

圖8 各因素的均值主效應(yīng)圖Fig.8 Mean main effect diagram of each factor

3 優(yōu)化前后仿真對比

根據(jù)正交仿真試驗得到的一組最優(yōu)水平組合，即優(yōu)化參數(shù)，與初始參數(shù)的比較如表4所示，并建立相應(yīng)的優(yōu)化參數(shù)與初始參數(shù)下的前置級流場模型，進(jìn)行仿真對比。

表4 初始參數(shù)與優(yōu)化參數(shù)比較Tab.4 Comparison of initial parameters and optimization parameters mm

3.1 中位壓力對比

首先，對優(yōu)化前后的前置級模型進(jìn)行中位壓力仿真對比，優(yōu)化參數(shù)和初始參數(shù)下偏轉(zhuǎn)板中位時的流場仿真結(jié)果分別如圖9、圖10所示。由圖9a、圖10a可知，優(yōu)化參數(shù)和初始參數(shù)下前置級的中位壓力分別為5.1 MPa， 4.4 MPa，優(yōu)化后的中位壓力相較于優(yōu)化前提高了15.9%；由圖9b、圖10b可知，優(yōu)化參數(shù)和初始參數(shù)下的前置級流場中最大流速均為250 m/s。相較于初始參數(shù)，優(yōu)化參數(shù)下的前置級在流速相同的情況下，中位壓力進(jìn)一步加大。

圖9 優(yōu)化參數(shù)下前置級流場仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results of pre-stage flow field under optimized parameters

圖10 初始參數(shù)下前置級流場仿真結(jié)果Fig.10 Simulation results of pre-stage flow field under initial parameters

3.2 優(yōu)化前后壓力增益對比

選取偏轉(zhuǎn)板偏移0, 0.01, 0.02, 0.03, 0.04 mm 5個工況，分別對初始參數(shù)和優(yōu)化參數(shù)下的流場模型進(jìn)行仿真分析，讀取各個工況下2個模型的左右接收孔壓差，得到如圖11所示的偏轉(zhuǎn)板位移 - 壓力曲線。其中，前置級的零位壓力增益kp表示為：

(1)

根據(jù)式(1)可知，圖11中偏轉(zhuǎn)板位移 - 壓力曲線在原點處的斜率即為前置級的零位壓力增益，因此優(yōu)化后的前置級零位壓力增益明顯大于優(yōu)化前，通過計算分別得到初始參數(shù)和優(yōu)化參數(shù)下的前置級零位壓力增益分別為0.256 MPa/μm和0.305 MPa/μm，后者相較于前者提高了19.1%，且隨著偏轉(zhuǎn)板偏移量的增大，優(yōu)化參數(shù)下的前置級壓差也進(jìn)一步提高。增大前置級的壓差，能夠提高伺服閥的靈敏度，提升伺服閥的靜態(tài)性能。同時，在0.04 mm的偏轉(zhuǎn)板位移范圍內(nèi)，初始參數(shù)和優(yōu)化參數(shù)下的前置級位移 - 壓力曲線的線性度都產(chǎn)生了變化，其中優(yōu)化參數(shù)曲線線性度在0.03 mm 處發(fā)生變化，初始參數(shù)曲線在0.02 mm和0.03 mm均發(fā)生變化，說明優(yōu)化參數(shù)后伺服閥前置級壓力增益的線性區(qū)域比初始參數(shù)更大，優(yōu)化參數(shù)后提升了伺服閥線性輸出的范圍。

圖11 初始參數(shù)與優(yōu)化參數(shù)下前置級壓差曲線Fig.11 Pressure difference curve of pre-stage under initial parameters and optimized parameters

4 結(jié)論

為提升偏轉(zhuǎn)板射流伺服閥前置級壓力增益，本研究結(jié)合正交試驗設(shè)計和流場仿真，綜合考慮射流伺服閥射流盤厚度、射流槽寬度、噴嘴寬度以及接收孔圓角半徑4個結(jié)構(gòu)參數(shù)對于前置級性能的影響，對偏轉(zhuǎn)板射流伺服閥前置級射流液壓放大器進(jìn)行多參數(shù)仿真試驗研究，結(jié)論如下：

(1) 根據(jù)正交仿真試驗結(jié)果，得到了一組最優(yōu)的水平組合，射流盤厚度為0.25 mm，射流槽寬度為0.9 mm，噴嘴寬度為0.14 mm，接收孔圓角半徑為0.1 mm；

(2) 優(yōu)化參數(shù)與初始參數(shù)下前置級流場進(jìn)行仿真對比，相較于初始參數(shù)，優(yōu)化參數(shù)下的前置級中位壓力從4.4 MPa增加到了5.1 MPa，提高了15.9%，且核心區(qū)的最大流速仍保持在250 m/s不變；

(3) 通過兩組模型在偏轉(zhuǎn)板不同偏移量下的仿真壓差可知，相較于初始參數(shù)，優(yōu)化參數(shù)下的前置級壓力增益從0.256 MPa/μm提升到了0.305 MPa/μm，提高了19.1%，且各偏移量下的壓差也進(jìn)一步增大，更有利于控制較大慣量的主閥芯運動，提高伺服閥的靈敏度。