董娜娜1，孫浩乾，張 晉

(1.長春工業(yè)大學 人文信息學院，吉林 長春 130000；2.燕山大學 機械工程學院，河北 秦皇島 066004)

引言

電液伺服閥性能影響了電液伺服系統(tǒng)的控制精度和響應速度[1]，是整個系統(tǒng)的關鍵部件。伺服閥按前置級結構形式可分為噴嘴擋板式伺服閥、射流管式伺服閥及偏導射流式伺服閥等幾類。其中，偏導射流式伺服閥具有結構簡單、工作可靠、其可動的偏轉板質量輕等優(yōu)點。

本研究主要對偏導射流式伺服閥前置級液流特性進行了分析，偏導射流式伺服閥前置級流場十分復雜，處于湍流狀態(tài)，并伴有渦流的產(chǎn)生及能量的轉化，因此，研究其前置級流場特性是十分必要的。國內外對偏導射流式伺服閥前置級液流特性相關研究有很多。

文獻[2]對多層壓電雙晶片的偏導射流式伺服閥前置級流場進行了研究，分析得到其具有更好的動態(tài)特性。冀宏等[3-4]通過對前置級三維流場分析，得出了劈尖微小變形對前置級液流特性的影響規(guī)律。邢曉文等[5-6]利用Fluent分析了導流口參數(shù)對閥性能的影響，發(fā)現(xiàn)矩形導流口下壓力及流量增益最大。延皓等[7-8]分別研究了偏導射流式伺服閥前置級二維和三維流場，完整地得出了前置級的液流形態(tài)。蔣大偉等[9-10]分析得到了噴嘴寬度、V形槽角度及劈尖寬度等結構參數(shù)對前置壓力特性的影響規(guī)律。劉增光等[11-12]分析得出了進出油阻尼孔及噴嘴寬度等結構參數(shù)對偏導射流式伺服閥前置級流場特性的影響規(guī)律。訚耀保[13]提出了降低入口壓力及提高偏轉板加工質量的方法來改善前置級氣穴現(xiàn)象。

可見，目前相關研究多是針對前置級結構參數(shù)對前置級液流特性的影響。研究某燃油偏導射流式伺服閥在裝配及調試過程中，很難保證偏轉板上V形槽處于射流盤中位，因此著重分析了V形槽位置對前置級液流特性的影響。

1 偏導射流式伺服閥前置級結構原理

所研究燃油電液伺服閥原理圖見圖1，主要由力矩馬達級、前置級及滑閥級三部分組成。其前置級為偏導射流式，由射流盤和偏轉板兩部分組成，偏轉板位于反饋桿上，反饋桿的末端小球插在滑閥級閥芯中部。當力矩馬達級無控制電流輸入時，偏轉板處于中位，左右接收孔恢復壓力相等，閥芯無位移。當力矩馬達級有電流輸入時，銜鐵帶動反饋桿發(fā)生偏轉，反饋桿上偏轉板位置發(fā)生變化，從而使左右接收孔內恢復壓力不同，閥芯兩端產(chǎn)生壓差，導致閥芯位移，相對應的產(chǎn)生一定流量。

1.銜鐵 2.彈簧管 3.偏轉板 4.反饋桿 5.閥芯 6.射流盤 7.V形槽圖1 偏導射流式伺服閥原理圖

圖2為偏導射流式伺服閥前置級結構示意圖，由射流盤和偏轉板兩部分組成。V形槽位于偏轉板上，其位置決定了左右接收孔恢復壓力，進而決定了閥芯兩端的壓差。其主要尺寸如下：射流盤上一次射流口寬0.155 mm；V形槽上二次射流口寬0.16 mm；V形槽角度為36.7°；V形槽上端面距射流盤一次射流口0.2 mm；V形槽下端面距射流盤接收孔0.2 mm；射流盤上接收孔處劈尖寬0.1 mm。

圖2 前置級結構示意圖

2 前置級建模

2.1 流場網(wǎng)格劃分及邊界條件設置

前置級流場三維模型見圖3。將前置級流場三維模型導入到Gambit中進行網(wǎng)格劃分，經(jīng)網(wǎng)格無關性分析，最終確定偏導射流級流場網(wǎng)格模型，如圖4所示，模型整體采用六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為0.02 mm，網(wǎng)格總數(shù)為80萬左右。為提高仿真精度，對V形槽處網(wǎng)格進行了局部細化。

圖3 前置級流場三維模型

將網(wǎng)格模型導入到Fluent中，設置相關求解參數(shù)。介質為RP-3航空煤油，油液密度為778 kg/m3，油液動力黏度為0.0016 Pa·s。進油口設為壓力入口，壓力值為2.2 MPa，出油口設為壓力出口，壓力值為0。設置各項殘差為10-5，設置監(jiān)測窗口，監(jiān)測左右接收孔恢復壓力值。偏導射流式伺服閥前置級工作過程中，油液處于高雷諾數(shù)湍流狀態(tài)，采用RNGk-ε湍流模型。

圖4 前置級流場網(wǎng)格模型

2.2 控制方程

在運用流場仿真軟件對流體進行數(shù)值模擬時，需要建立反映其物理本質的數(shù)學方程。在不考慮多相流、油液壓縮性和熱傳導的情況下，前置級液流流動遵循質量守恒定律和動量守恒定律。

偏導射流式伺服閥前置級內部流場復雜，處于湍流狀態(tài)。在Fluent中，RNGk-ε模型與標準k-ε湍流模型類似，但它在ε方程中加入了一個約束，從而使其計算精度有所提升。RNGk-ε模型因加入了渦流，使其在湍流漩渦方面的精度高于標準k-ε湍流模型。因此，采用RNGk-ε模型作為偏導射流式伺服閥前置級流場求解模型。

1) 質量守恒方程

質量守恒方程數(shù)學表達式為：

(1)

引入笛卡爾坐標系下向量算子▽的定義：

(2)

式(1)可以寫成：

(3)

式(1)和式(3)中，ρ為密度；t是時間；V為速度矢量；u，v，w分別為速度在x，y，z3個坐標軸方向上的分量。

2) 動量守恒方程

動量方程微分表達式如下：

(4)

3) RNGk-ε模型

湍動能k方程為：

Gk+Gb-ρε-YM+Sk

(5)

湍流耗散率ε方程為：

(6)

式中,μ為流體的動力黏性系數(shù)；μi為湍流黏性系數(shù)；i和j的取值范圍為(1,2,3)；Gk為平均速度梯度引起的湍流動能的產(chǎn)生項；Gb、YM分別為可壓湍流動擴張的貢獻；C1ε，C2ε，C3ε分別為經(jīng)驗常數(shù)；Sk，Sε為自定義源項；αk和αε分別為與湍流動能和耗散率對應的Prandt1數(shù)。

3 仿真結果分析

偏導射流式伺服閥前置級壓力特性是指接收孔恢復壓力與V形槽橫向位移間的關系，壓力特性曲線的斜率即為壓力增益，壓力增益的大小一定程度上決定了伺服閥的靈敏度。以壓力增益大小為判斷標準，分析V形槽縱向偏移對前置級壓力特性的影響。

3.1 V形槽橫向位移對前置級液流特性的影響

首先分析V形槽縱向方向處于理想中位時的壓力特性。圖5為2個接收孔恢復壓力隨V形槽位移變化曲線圖，圖6為壓力增益曲線圖。由圖5可見，隨著V形槽向右移動，右接收孔的恢復壓力在零位附近幾乎呈線性增加，而當位移超過0.05 mm時，右接收孔的恢復壓力增長速率明顯降低。隨著V形槽向右移動，左接收孔恢復壓力呈非線性變化，當位移超過0.05 mm時，左接收孔恢復壓力幾乎不變。由圖6可見，V形槽在零位附近偏移時，壓力增益較大，而當位移超過0.05 mm后，壓力增益明顯降低。由此可見，伺服閥偏導射流級在工作過程中，V形槽橫向偏移范圍應控制在零位附近0.05 mm以內。以下分析V形槽縱向偏移下壓力特性時，皆保證V形槽橫向偏移在零位附近0.05 mm內。

圖5 左右接收孔恢復壓力曲線

圖6 壓力增益曲線

圖7 V形槽縱向中位時速度流線圖

圖7為V形槽處于中位及V形槽右移0.04 mm時的速度流線圖，可以看出，油液在通過射流盤上一次射流口進入V形槽，及通過V形槽上二次射流口到達接收孔的過程中，有渦流現(xiàn)象的產(chǎn)生。在射流過程中會伴有動能與壓力能之間的相互轉換，油液由二次射流孔進入接收孔的過程中，動能轉換為壓力能，從而使接收孔中產(chǎn)生恢復壓力。隨著V形槽向右移動，一次射流的液流在V形槽的約束下，液流方向發(fā)生變化，射入右側接收孔的油液增多，從而右接收孔的恢復壓力增大，導致壓差的產(chǎn)生。

3.2 V形槽縱向偏移對前置級液流特性的影響

由于裝配過程中存在偏差，V形槽很難保證處于射流盤中位，為研究V形槽在射流盤中縱向不同位置，對前置級壓力特性的影響，取偏轉板縱向偏移量分別為上移0.1 mm、上移0.05 mm、中位、下移0.05 mm、下移0.1 mm 5種情況下，仿真分別得到偏轉板不同縱向偏移量下的壓力增益，V形槽縱向偏移示意圖見圖8。V形槽橫向位移范圍取在零位附近，自左向右分別為-0.04，-0.03，-0.02，-0.01，0、0.01，0.02，0.03，0.04 mm。仿真模型共計45組。

圖8 V形槽縱向偏移示意圖

圖9為右接收孔恢復壓力曲線圖，可見當V形槽向上偏移時，接收孔恢復壓力相對于中位時有所增加，但增加幅度不大；當V形槽向下偏移時，接收孔恢復壓力相對于中位時降低，其降低幅度較大。前置級壓力增益曲線圖如圖10所示，可見當V形槽向上偏移時，壓力增益增大，V形槽向下偏移時，壓力增益減小。

圖9 接收孔恢復壓力曲線

圖10 壓力增益曲線

結合流場仿真云圖，分析前置級壓力特性的變化的原因。圖11和圖12分別為V形槽上移0.1 mm和V形槽下移0.1 mm時的速度流線圖，對比可以看出，V形槽縱向向下偏移后，油液由二次射流口到接收孔的過程中，自由射流區(qū)變短，沖擊射流現(xiàn)象嚴重，油液會直接沖擊劈尖附近壁面，導致大量能量損失，從而導致接收孔恢復壓力降低，壓力增益減小，進而影響整閥的靈敏度。且在這種情況下，V形槽下端面與接收孔間渦流現(xiàn)象嚴重，而漩渦作用下的油液易析出氣泡，產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象，使伺服閥產(chǎn)生液壓沖擊，振動及噪音，對伺服閥造成不利影響。因此，裝配過程中應避免V形槽偏向接收孔一側。

圖11 V形槽上移0.01 mm速度流線圖

圖12 V形槽下移0.01 mm速度流線圖

4 結論

(1) 當反饋桿上V形槽在零位附近橫向偏移時，左右接收孔壓差呈線性變化，而當V形槽位移超過0.05 mm時，壓差變化速率明顯降低，可見，在工作過程中應保證V形槽橫向偏移處于零位附近;

(2) 當反饋桿上V形槽縱向偏向射流孔時，左右接收孔恢復壓力相對于中位時有所增加，但增加幅度不大；當V形槽縱向偏向接收孔時，左右接收孔恢復壓力相對于中位時降低，其降低幅度較大，且壓力增益減小。因此，裝配過程中應盡量避免V形槽偏向接收孔一側。