關于電液伺服閥零位特性的多參數影響分析*

龍勇云，閆立東，潘旭東，王廣林

(1.珠海城市職業技術學院 機電工程學院，廣東 珠海 519090；2.哈爾濱工業大學 機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150000)

0 引言

電液伺服閥是電液伺服控制系統的關鍵元件,具有控制精度高、響應速度快等一系列優點,被廣泛應用于各種軍事裝備中。對于理想滑閥部分來說,由于制造工藝的影響,是沒有實際搭接量、徑向間隙和棱邊圓角的。但由于加工工藝、熱膨脹等一系列原因,使得實際滑閥存在實際搭接量、徑向間隙和棱邊圓角等,這些因素的存在會影響滑閥的零位特性。蘭州理工大學的張碩文、冀宏等[1,2]通過仿真方法系統研究了射流盤內油液的沖擊腐蝕和偏轉板V型槽內的變形對整閥性能的影響。長春工業大學的董娜娜等[3]系統研究了偏轉板內V型槽的偏轉對兩接收孔內壓力和流量特性的影響,對射流盤式前置級的調試有一定參考價值。北京交通大學的康碩等[4]同樣分析了前置級流場,首次提出了附壁射流思想,并以此為基礎建立了流場模型,推導出了這種理論的表達式。華中科技大學的周元春等[5]應用Fluent軟件仿真研究了大流量滑閥的壓力-流量曲線,分析了曲線與閥芯位移的關系,討論了油液通過閥口時的能量損失,得出了能量損失主要由兩部分組成的結論。解放軍理工大學的張勝等[6]利用動網格手段,建立了閥芯和閥套的運動模型,并對其進行了動網格的劃分,在流-固耦合的基礎上,對液動力等閥芯作用力的影響下閥芯的移動進行了分析。哈爾濱工業大學的周騫[7]利用仿真方法對前置級射流盤兩接收孔的壓力和流量進行了仿真研究,給出了在不同油源壓力情況下接收孔的壓力和流量,并分析了射流盤內的流場特性。本文應用Fluent軟件對滑閥小開口區域進行了仿真研究,主要研究各影響參數的改變對電液伺服閥空載流量特性的影響。

1 建立電液伺服閥閥芯閥套三維模型及劃分網格

首先使用SolidWorks軟件對電液伺服閥進行三維建模,電液伺服閥閥套三維模型如圖1所示,閥芯直徑為15 mm,閥桿直徑為7.5 mm,閥芯全長為84 mm,閥芯三維模型如圖2所示。采用Fluent軟件自帶的網格處理器來劃分網格,考慮到滑閥整體尺寸較大而節流口處體積較小,整體與節流口處體積相差懸殊,按統一標準劃分工作量太大,所以采用分塊劃分的方式。先對整體滑閥進行網格劃分,然后再對體積較小的節流口處進行局部加密,加密處設置網格尺寸為1 μm,并進行網格檢驗,檢驗網格尺寸是否存在負值,以驗證模型的正確性。

圖1 電液伺服閥閥套三維模型

圖2 電液伺服閥閥芯三維模型

2 電液伺服閥空載流量特性仿真分析

根據試驗可以得知:閥芯位移在±20 μm內存在特性不一致的情況,因此仿真重點針對閥芯位移小于20 μm內的區域;考慮對電液伺服閥空載流量特性影響比較大的三個因素為閥芯圓角、閥芯閥套徑向間隙和閥芯閥套實際搭接量,隨后設置閥芯圓角、徑向間隙和實際搭接量的值。進行電液伺服閥空載流量特性仿真時,如果只考慮閥芯圓角、徑向間隙和實際搭接量單一因素影響時,每一個因素的尺寸分別取0 μm、2 μm、3 μm、4 μm來進行仿真分析;如果考慮閥芯圓角、徑向間隙和實際搭接量兩個及兩個以上因素的共同作用時,就取0 μm、2 μm、4 μm的不同組合。閥芯位移xv分別取0 μm、1 μm、2 μm、4 μm、6 μm、8 μm、10 μm、12 μm、14 μm、16 μm、18 μm、20 μm時,參數的不同搭配和閥芯位移的不同會產生不同的組合,最后生成不同的曲線。電液伺服閥的工作介質使用的是10號航空液壓油,仿真分析時邊界條件入口壓力設為7 MPa,出口壓力設為0 MPa。

2.1 僅存在棱邊圓角

此為分析單一因素閥芯棱邊圓角,因此取閥芯閥套徑向間隙和閥芯閥套搭接量為0 μm,分別取閥芯棱邊圓角r為2 μm、3 μm、4 μm三種不同的情況進行分析,得到的流量曲線如圖3所示。從圖3中可知:閥芯位移在10 μm內,棱邊圓角r對空載流量特性曲線影響較大;在5 μm內更加明顯,存在圓角時流量要高于理想曲線,r越大,相差越明顯。

圖3 不同閥芯棱邊圓角r的流量特性仿真結果

2.2 僅存在徑向間隙

此為分析單一因素閥芯閥套徑向間隙,因此取閥芯圓角和閥芯閥套搭接量為0 μm,只取徑向間隙δ分別為2 μm、3 μm、4 μm三種不同的情況進行分析,得到的流量曲線如圖4所示。從圖4中可以看出:僅存在閥芯閥套徑向間隙時,無論間隙的數值為多少,其空載流量特性曲線在閥芯位移為10 μm范圍內與理想情況基本一致;10 μm以外的范圍逐漸平行,最后流量差值為一固定值,這是由于徑向間隙使得過流面積始終大于理想情況導致的。

2.3 僅存在實際搭接量

此為分析單一因素閥芯閥套實際搭接量,因此取閥芯圓角和閥芯閥套徑向間隙為0 μm,取閥芯閥套搭接量x0分別為2 μm、3 μm、4 μm三種不同的情況進行分析,如圖5所示。從圖5中可以看出:當只存在閥芯閥套實際搭接量時,空載流量特性曲線實際上就是在理想空載流量特性曲線的基礎上進行左右平移,一般情況下滑閥會留有正搭接量,所以曲線會向右平移,搭接量的數值為多少,曲線就平移多少。

2.4 存在棱邊圓角、徑向間隙和實際搭接量

此為分析三種因素對流量特性的共同作用,因此分別取棱邊圓角、閥芯閥套徑向間隙、閥芯閥套實際搭接量為2 μm、4 μm,2的3次方等于8,即為8種不同的組合。因此,對8種不同的組合進行流量特性仿真分析,得到的流量曲線如圖6所示。從圖6中可以看出:在閥芯位移10 μm之后,曲線根據閥芯閥套實際搭接量的大小平行于理想曲線,閥芯圓角與閥芯閥套間隙之和越大,則流量越大;10 μm之前特征不明顯,但仍然可以看出一些規律,即當閥芯圓角與閥芯閥套實際搭接量的值相同時,曲線線性度較好,若閥芯圓角大,流量會突然下降一些,反之會突然升高一些。閥芯閥套徑向間隙仍然起到提高流量的作用,總體來看,流量受閥芯閥套實際搭接量影響較大,多數情況下都是小于理想情況。

圖6 不同閥芯圓角、閥芯閥套間隙和搭接量組合的流量特性仿真結果

3 小結

本文首先建立了閥芯閥套模型并進行網格的劃分及閥芯圓角處網格局部加密,完成了仿真分析時條件假設和邊界條件的設定。隨后分析了單一因素(僅存在閥芯棱邊圓角r、僅存在閥芯閥套徑向間隙δ、僅存在閥芯閥套實際搭接量x0)對流量特性的影響,也在存在棱邊圓角r、徑向間隙δ和搭接量x0多因素下對空載流量特性曲線進行了分析。根據仿真數據,獲得了各影響參數對電液伺服閥流量特性曲線中特征量的影響大小,也為后續模型優化及壓力特性曲線和內泄漏特性曲線仿真分析打下基礎。