雙噴嘴擋板電液伺服閥前置級流固耦合分析

， ， ,2(.燕山大學(xué) 機械工程學(xué)院， 河北 秦皇島 066004； 2.燕山大學(xué) 里仁學(xué)院， 河北 秦皇島 066004)

引言

電液伺服閥是電液轉(zhuǎn)換元件，也是功率放大元件，是電液伺服控制系統(tǒng)的核心部件，它的性能直接影響甚至決定整個系統(tǒng)的性能，因此對電液伺服閥的研究具有重要的意義[1]。目前國內(nèi)對于伺服閥流場的研究主要采用靜態(tài)流場，而采用流固耦合分析伺服閥動態(tài)流場的比較少，國外采用流固耦合分析閥動態(tài)流場主要集中在安全閥、人工心臟瓣膜等相關(guān)領(lǐng)域[2,3]，而國內(nèi)主要集中在壓力閥、止回閥、微泵等領(lǐng)域[4]。

本研究運用ANSYS軟件，采用流固耦合方法分析雙噴嘴擋板電液伺服閥前置級動態(tài)流場變化，研究固定節(jié)流口、噴嘴、回油口處的流速、壓力變化及功率損失，以及銜鐵擋板組件、滑閥閥芯的位移及受力情況，為以后電液伺服閥結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化以及銜鐵擋板組件材料選取提供一定指導(dǎo)意見。

1 雙噴嘴擋板電液伺服閥的結(jié)構(gòu)及原理

雙噴嘴擋板電液伺服閥由動鐵式力矩馬達和雙噴嘴擋板閥及滑閥組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其工作原理為：當(dāng)力矩馬達控制線圈無控制電流時，擋板處于兩個噴嘴的中間位置,輸出的差動控制壓力為零，即無輸出。當(dāng)有控制電流時，嘴擋板兩側(cè)可變節(jié)流口發(fā)生變化，輸出的差動控制壓力不為零,從而推動閥芯移動。而閥芯又推動反饋桿端部的球，產(chǎn)生相應(yīng)的反饋力矩作用在力矩馬達上，銜鐵擋板組件被逐漸向?qū)χ形恢梅较蛞苿樱瑥亩_到力矩平衡, 在該位置上，反饋桿的力矩等于輸入控制電流產(chǎn)生的的力矩，因此，閥芯位置與輸入控制電流大小成正比。當(dāng)供油壓力及負載壓力為一定時，輸出到負載的流量與閥芯位置成正比[5]。

1.控制線圈 2.上永磁體 3.銜鐵 4.下永磁體 5.擋板 6.噴嘴 7.回油阻尼孔件 8.固定節(jié)流口 9.主閥芯 10.閥套 11.反饋桿 12.彈簧管

2 分析模型、結(jié)構(gòu)參數(shù)及分析設(shè)置

經(jīng)典的流體中采用壓力、固體中采用位移的流固耦合有限元方程[6]：

式中，p為流體節(jié)點壓力向量；a為結(jié)構(gòu)節(jié)點位移向量；Q為流固耦合矩陣；Mf和Kf分別為流體質(zhì)量陣和剛度陣；Ms和Ks分別為結(jié)構(gòu)質(zhì)量陣和剛度陣；Fs為結(jié)構(gòu)載荷向量；ρf為流體密度。

圖2所示為銜鐵擋板組件、閥芯及前置級流場，實心部分為前置級流道模型，透明部分為銜鐵擋板組件和閥芯，它是所要進行流固耦合分析的整體結(jié)構(gòu)。

圖2 銜鐵擋板組件、閥芯及前置級流場

2.1 固體結(jié)構(gòu)模型、參數(shù)及分析設(shè)置

圖3所示為銜鐵擋板組件及閥芯，采用在銜鐵兩端施加力的方式來模擬電磁力。表1為銜鐵擋板組件及閥芯在分析時所選用的材料及其屬性。兩端所施加力大小為2.5 N，方向相反，從而產(chǎn)生扭矩，使擋板產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。力的加載方式如圖4所示。

圖3 銜鐵擋板組件及閥芯

表1 銜鐵擋板組件及閥芯材料屬性

圖4 力的加載曲線

2.2 流道結(jié)構(gòu)模型、參數(shù)及分析設(shè)置

圖5所示為前置級流道模型，其各主要結(jié)構(gòu)所在位置如圖5標(biāo)注所示。主要包括入口、出口、固定節(jié)流口、噴嘴、回油口。圖6a所示為固定節(jié)流口的主要尺寸，圖6b所示為噴嘴的主要尺寸，它們的具體數(shù)值在表2中，其中xd0為噴嘴與擋板之間的距離，dr為回油口的直徑。流場的邊界條件：入口為2 MPa，出口為0.5 MPa,采用10#號航空液壓油。

圖5 前置級流道模型

圖6 尺寸

表2 固定節(jié)流口、噴嘴、回油口的主要尺寸

3 流固耦合分析結(jié)果

如圖7所示為流固耦合在0.02 s時銜鐵擋板組件受力平衡的壓力云圖，可以看出閥芯兩端產(chǎn)生了穩(wěn)定的壓差。

圖7 流固耦合分析壓力云圖

3.1 流場分析結(jié)果

1) 固定節(jié)流口處流場分析

如圖8a為左節(jié)流口壓力云圖，圖9a為節(jié)流口中心軸線上的壓力變化，一共選取了0.001、0.005、0.01、0.015、0.018 s共5個時刻的數(shù)據(jù)。圖8b、圖9b分別為右節(jié)流口的壓力云圖及數(shù)據(jù)曲線。由于擋板向左側(cè)噴嘴偏移導(dǎo)致左側(cè)節(jié)流口壓力升高，由圖9可以看出左側(cè)節(jié)流口壓力隨著時間增加而增大，而右側(cè)節(jié)流口的壓力隨時間的增加而減小，但兩側(cè)壓力變化幅度并不一致，左側(cè)壓力升高較快，最大壓升0.083 MPa， 右側(cè)壓力下降較慢，最大壓降0.029 MPa，且由于節(jié)流口前面壁面的作用導(dǎo)致流場接近壁面時兩側(cè)壓力都逐漸增大，較大的壓力上升容易導(dǎo)致流體反向流動，從而形成漩渦，增加功率損失。而兩側(cè)節(jié)流口入口處的壓力基本沒有變化，出口處壓力曲線比較平穩(wěn)，有利于伺服閥工作的穩(wěn)定。

圖8 壓力云圖

圖9 節(jié)流口壓力曲線

如圖10a、圖10b分別為左、右節(jié)流口速度云圖，圖11a、圖11b分別為不同時刻的速度曲線圖，從曲線中可以看出左節(jié)流口速度隨著時間的增加而降低，速度最大下降1.6 m/s，而右節(jié)流口速度隨時間的增加而上升，最大上升0.83 m/s，左右節(jié)流口速度隨時間變化不大，但節(jié)流口出口處速度、壓力變化比較大，會產(chǎn)生較大的功率損失。

圖10 節(jié)流口速度云圖

圖11 節(jié)流口速度曲線

2) 噴嘴處流場分析

如圖12a、圖12b分別為噴嘴處壓力、速度云圖，圖13a、圖13b為噴嘴中心軸上的壓力、速度曲線，同樣選取了5個時刻的數(shù)據(jù)。從圖13a可以看出隨著時間的增加左噴嘴處壓力上升，而右噴嘴壓力下降，兩邊的壓差越來越大，最大為0.87 MPa，且隨著時間的增加左噴嘴壓力升高越來越快，噴嘴中心所對的擋板處形成了一個圓形的高壓區(qū)，此處流場壓力變化較為劇烈，容易產(chǎn)生氣蝕。如圖13b可以看出左噴嘴處速度隨時間下降最大值為0.29 m/s，右噴嘴處速度隨時間上升，最大值為0.28 m/s。速度隨時間變化較為平穩(wěn)，但噴嘴處速度變化較為劇烈，且出口處速度方向發(fā)生較大的改變，會導(dǎo)致流場發(fā)生紊亂，產(chǎn)生較大的功率損失。

圖12 噴嘴處壓力、速度云圖

圖13 噴嘴壓力、速度曲線

3) 回油口處流場分析

如圖14a為回油口壓力云圖，圖15a為回油口中心軸上的壓力曲線，一共選取了5個時刻的數(shù)據(jù)。由圖15a所示，回油口前的壓力隨著時間的增加而下降，最大為0.06 MPa，從回油口出去后壓力隨時間上升，但變化特別小。圖14b、圖15b為回油口處速度云圖與速度曲線圖，速度隨著時間的增加而下降，最大為0.2 m/s。但回油口出口處速度核心并不規(guī)則，這主要是由于回油口入口處離反饋桿末端比較近，造成入口流場不穩(wěn)定，導(dǎo)致速度核心不規(guī)則，可能造成較大的功率損失。

圖14 回油口處壓力、速度云圖

圖15 回油口處壓力、速度曲線

4) 流量系數(shù)及功率損失

如圖16所示為各處節(jié)流口的流量系數(shù)隨時間變化情況，左節(jié)流口與右節(jié)流口的流量系數(shù)基本保持不變，回油口流量系數(shù)隨時間下降，但下降幅度較小，左噴嘴流量系數(shù)下降較大，而右噴嘴流量系數(shù)則隨時間上升，主要是由于擋板向左偏移導(dǎo)致左側(cè)噴嘴與擋板形成的可變節(jié)流口變小，而右側(cè)的可變節(jié)流口變大，導(dǎo)致流量系數(shù)發(fā)生較大的變化。圖17為各處節(jié)流口的功率損失，從圖中可以看到左節(jié)流口功率損失隨時間下降，右節(jié)流口則隨時間增加上升，且它們的功率損失相對于噴嘴、回油口比較大，在整個流場中功率損失所占比重較大，左噴嘴的功率損失隨時間增加，而右噴嘴的功率損失隨時間下降，但兩噴嘴的功率損失相對都比較小，回油口處的功率損失略微下降，功率損失處于中等。功率損失會導(dǎo)致系統(tǒng)油液溫度升高，溫度的升高會影響電液伺服閥閥芯閥套的相對運動。圖18所示為從回油口處流出的流量，可見隨著時間的增加，泄漏流量減小，即擋板處于中位時，泄漏流量最大。

圖16 各節(jié)流口流量系數(shù)

圖17 各節(jié)流口功率損失

圖18 總泄漏量

3.2 固體分析結(jié)果

如圖19為滑閥閥芯兩端壓力隨時間的變化，左端面壓力上升較快，右端面下降較慢，左右端面壓差隨擋板偏轉(zhuǎn)的加大，增加越來越快，可見節(jié)流口的變化對端面壓差的影響很大。圖20為彈簧管與反饋桿所受應(yīng)力隨時間的變化，彈簧管所受應(yīng)力相對較小，變化較平穩(wěn)，而反饋桿所受應(yīng)力較大，隨時間的增加， 應(yīng)力變化越來越大，兩者都處于許用應(yīng)力范圍內(nèi)，但反饋桿應(yīng)力變化幅度較大，可能會造成材料的疲勞損壞。圖21為閥芯的位移曲線，其位移變化基本呈線性變化，但中間有較小的波動，且隨時間的增加，位移增加有增大的趨勢， 位移變化的不平穩(wěn)性可能會導(dǎo)致閥口開度變化不平穩(wěn)，導(dǎo)致系統(tǒng)流量的不穩(wěn)定。

圖19 閥芯兩端壓力

圖20 彈簧管、反饋桿應(yīng)力

圖21 閥芯位移

4 結(jié)論

本研究采用流固耦合方法對雙噴嘴擋板電液伺服閥前置級進行了流場分析，得出了其動態(tài)流場的變化情況和不同時刻各處流場壓力、速度變化情況，以及各處的流量系數(shù)、功率損失。得出了銜鐵擋板組件所受應(yīng)力變化，以及閥芯兩端的壓力與位移變化。從對動態(tài)流場的分析，可以得出這種結(jié)構(gòu)尺寸及材料組合下伺服閥的動態(tài)性能，通過改變各節(jié)流口的尺寸或采用不同固體材料，可以得出符合性能要求的結(jié)構(gòu)組合。較大的功率損失會使系統(tǒng)油液溫度偏高，影響伺服閥工作的穩(wěn)定性，通過分析得出在符合性能要求且功率損失較小情況下的結(jié)構(gòu)組合。動態(tài)流場的分析可以為實驗分析提供一定指導(dǎo)，既縮短了實驗時間，又節(jié)約了實驗經(jīng)費。

參考文獻：

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