某舵机伺服阀衔铁反馈杆组件谐响应分析

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Harmonic Analysis of Armature-Feedback Lever Assembly in Servo ValveUsed in PilotZHANG Ying，YUAN Zhao·hui，ZHAO Kai-yu(School of Automation，Northwestern Polytechnical University，Xial 710129，China)Abstract：The working principle and natural frequency of the armature and feedback lever assembly of the e-lectro-hydraulic servo valve used in jet pipe are analyzed.By using the fluid module Fluent(CFX)in the finiteelement software Workbench for fluid modeling and simulation，the damping effect of the oil on the feedback le-ver is analyzd to obtain real damping factor，then the modal analysis is done to obtain the natural frequency andcorresponding modes，and the harmonic analysis is done to obtain the response curves of the key points by U-sing the modal and harmonic analysis module.The simulation results show that the maximum amplitude of theend of the feedback lever of the electro-hydraulic servo valve occurs at 1050 Hz，and the maximum amplitudeof the armature occurs at 1950 Hz.To prevent the occurence of resonance which could efect the perform anceof the servo valve when it is working，it is necessary to try to avoid the pressure pulse signals to be near thesetwo frequencies。

Key words：finite element analysis；armature-feedback lever assembly；modal analysis；harmonic analysis采用射流元件作为前置级的伺服阀，在其工作过程中会产生-种高频自激噪声，噪声的来源有多种，可能是力矩马达的非线性引起衔铁组件及反馈杆的振动或是前置级射流流场中产生的气穴，或是前置级射流流场中的剪切层振荡 J。对伺服阀进行谐响应分析对于揭示该伺服阀的自激噪声的产生机理并提出有效收稿日期：2012-08-28作者简介：张颖(1984-)，女，湖北武汉人，博士研究生，主要研究方向为液压伺服系统；袁朝辉(1964-)，男，安徽舒城人，教授，博士生导师，主要从事液压伺服系统、智能控制等方面的研究；赵开宇(1986-)，男，河南驻马店人，博士研究生，主要研究方向为液压伺服系统。

抑制措施具有重要意义 。传统的采用集中参数建立系统传递函数，进而对系统进行动态响应分析研究系统工作性能的方法是在对系统进行简化并忽略了各种不确定因素的前提下进行的，必然会带来分析的不准确，以此为基础得到的结论虽然有-定的参考价值，但和实际情况相差较大，同时组件阻尼系数的确定-般根据经验取值，也是不准确的，得到的结果会产生较大误差 J。在对系统进行原理分析的基础上，采用有限元的方法对系统进行建模分析，保留了系统真实的结构，为伺服阀的设计及分析提供了-个更为真实的平台。笔者在采用有限元对某舵机上射流管电液伺服阀系统进行整体仿真的基础上，分析了衔铁反馈杆组· l56· 《测控技术2013年第32卷第9期△尸· - r[(r6) ]- m· · (4)式中，k 0.43W(P -P，)为稳态液动力刚度；A为阀芯与油液接触的有效面积；m为阀芯质量； 为阀芯的阻尼系数。

根据流体动力学，可知阀芯运动需要的流量包括两部分：滑阀产生所需要的速度的流量和补充液体被压缩所需要的流量。

QpA鲁 鲁 ㈣式中， 为阀芯处于中立位置时，左右腔的容积；E 为油液的容积弹性系数。

设射流管的综合特性为线性，则线性化方程为 -Kcp (6)式中， 。，为射流管的流量增益； 。 为射流管的弹性系数。

联立式(4)～式(6)，并进行拉氏变换可得詈 ㈩ ( 。 )其中∞ KcP √ 为反馈杆滑阀环节的固有频率。

联立式(3)和式(7)进行拉氏变换，且考虑到 rO可得力反婪节：詈 -S2mf-s1(8)c式中， 为衔铁组件的相对阻尼系数； √等为衔铁组件固有频率，此频率对伺服阀的稳定性的影响起到至关重要的作用 ]。

3 衔铁反馈杆阻尼系数分析计算衔铁反馈杆组件的阻尼-般有两个来源，-个是由于衔铁被安置在控制线圈内，并以-定的速度运动，使通过衔铁上的固定磁通不断变化，因而在线圈内形成反电势而造成的阻尼力；另-个是由于伺服阀工作时反馈杆是浸没在油液中的，反馈杆以-定速度运动时，油液对反馈杆必然会产生-个阻碍作用。前者由于衔铁的运动非常的慢并且角度变化极小，在数值上相对于后者可以忽略不计。

油液对反馈杆的阻尼作用可采用ANSYS Work-bench软件的流体拈进行建模分析。

油液密度为 850 k#m ，运动粘度为 15 mm /s(0.01275 kg/m·s)。由伺服阀综合仿真结果可知，在工作中反馈杆摆动的最大速度为 0.04 m/s，取油液的人口速度为0.04 m/s，出口取为零压力出口，仿真得到反馈杆所受到的油液压力分布如图3所示。

图 3 反馈杆所受压力分布图仿真结果表明，反馈杆上所受到的油液的最大压力为0.15 N，根据伺服阀综合仿真结果可知，此时衔铁的角速度为 0.03 rad/s，反馈杆到衔铁 的距离为32 mm，于是油液的阻尼力矩为0.0048 N·m，因此阻尼系数为B0.16。

4 衔铁反馈杆组件谐响应分析4.1 衔铁反馈杆组件模态分析模态分析是用来确定结构的振动特性的-种技术，振动特性包括自然频率、振型和振型参与系数(在特定方向上某个振型在多大程度上参与了振动) j，由于结构的振动特性决定结构对于各种动力载荷的响应情况，所以任何形式的动力学分析都必须建立在模态分析的基础上。

任何-个系统的运动方程都有如下形式：MilC KuF (9)式中， 为系统的质量矩阵； 为系统的阻尼矩阵；K为系统的刚度矩阵；F( )为激励力向量。

模态分析的假设前提是无阻尼的自由振动，且结构是线性的，即 C：0，F(t)0，M、K为常数矩阵～式(9)化为频域方程(置-∞ )H(s)0 (10)方程的根为09 (i1，2，3，)即为特征值，相应，·I的H为特征向量，系统的自然频率为. ，特征向量二 1Tlf 表示振型，即结构以. 振动时的形状。

分析中，衔铁和射流管采用结构钢为材料(密度为7800 kg/m ；弹性模量为2.1×10N/m ；白松比为0.3)，其余部分材料均为铍青铜(密度为8230 kg/m ；弹性模量为 1.33×10N/m ；白松比为0.35)。

在模态分析中-般不加载结构载荷，只将组件进行必要的固定，将油管和调零丝及弹簧管末端夹紧，取- l58· 《测控技术)2013年第32卷第9期Tolal DeforrnationType：Total De rmatlF requency：1 050 FIZPhaseAngle：0 201 2-5.251 B 55.0 024 21 1MaX曰：， 01601843001 345。0 000007030 0025Ⅷ380 oMh0 010(b) 1 050 Hz时街铁变形图图 6 反馈杆末端的幅值响应及变形图5 结束语采用有限元仿真的方法计算衔铁反馈杆组件所受阻尼力的大小并进行模态分析及谐响应分析较集中参数建模得到的分析结果更加符合真实情况，对伺服阀的设计及分析提供了-个更为真实的平台，可为伺服阀的结构设计提供可靠依据。

根据谐响应分析结果可知，在加载频率为 1050Hz和 1950 Hz时，反馈杆末端和衔铁分别达到共振，因此，应在工作中尽量避免这个两个频率附近的压力脉冲信号，以避免达到共振频率产生自激振荡，对伺服阀的工作性能产生影响。