伺服阀节流孔流场的数值模拟与实验分析

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

Simulation and Experimental Research of the Fixed Rifice of the Servo-valveTANG Jie ，GAO Dianrong ，WANG Liwen ，WANG Tao(1.Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China；2.School of Mechanical Engineer of Yanshan University，Qinhuangdao Hebei 066004，China)Abstract：The finite element analysis software was applied to compute the flow field in the fixed orifice with different structuralparameter combinations.Th e pressure distribution curve，the velocity distribution curve，flow rate characteristic，power loss were ob-tained.By analyzing simulation and experimental results，the influence of the orifice parameters on the performance of the orifce wasclear. And the flow coeficient was calculated.Th e research is important for the design and optimization of the fixed throtle orifice ofthe nozzle·flapper valve。

Keywords：Fixed throtle orifice of the servo valve；CFD；Structural parameters；Flow coeficient；Experimental research固定节流孑L是双喷嘴挡板阀的重要组成部分，其结构将影响到电液伺服阀的性能，许多学者在这方面做了大量的研究。文献 [1-2]对伺服阀产品的发展历史作了回顾，详细介绍了电液伺服阀工作原理，并从性能、发展前景等方面进行了阐述，说明了伺服技术的发展状况和发展趋势；文献 [3]以试验研究的方式 ，分析、探讨 了固定阻尼孔对水压伺服阀静态特性的影响；文献 [4]应用 MAT-LAB软件的优化工具箱进行编程优化，选取对力反馈式电液伺服阀动态性能影响较大的 8个基本参数进行优化，优化后电液伺服阀的快速性和稳定性都得到了不同程度的提高，并利用仿真结果验证了优化设计的有效性；文献 [5]对液流通过节流孔的过渡过程进行了数值解析，讨论了压力差的变化对流体初始加速度、平均轴速分量、流量和再附着点距离等的影响。

作者利用有限元分析软件，对固定节流孔结构参数在不同组合下，其液流出流状态 (速度、压力、流量、功率损失)进行分析，进而得到其结构参数之间的最佳匹配关系，计算出了流量系数，并通过试验对其进行了验证。

1 模型的建立和网格的划分1.1 双喷嘴挡板阀工作原理图1所示为双喷嘴挡板式电液伺服阀的结构原理。它通常由三部分组成：(1)电气 -机械转换装置；(2)液压放大器；(3)反劳平衡机构。

lnlet Load Return Load Inlet图 1 电液伺服阀喷嘴挡板放大器由固定节流孔、喷嘴、挡板组成，其中喷嘴和挡板构成可变节流孔，当挡板位置改变时，喷嘴与挡板间距发生变化，可变节流孑L截面积改变，通过喷嘴的油液流量将发生变化。由于前面有收稿日期：2012-06-O1作者简介：唐杰 (1983-)，男，讲师，研究方向为流体传动与控制、飞机液压。E-mail：tangjie-cauc###163.com。

第 13期 唐杰 等：伺服阀节流孔流场的数值模拟与实验分析 ·35·恒压油源P 及 固定节流孔 ，所以喷嘴前腔内的压力P 和P 将同时发生变化，P 与P 的压差推动伺服阀阀芯运动。

1.2 几何模型的建立固定节流孑L结构示意图如图2所示，其主要结构参数有 ：固定节流孔内腔直径 d，，固定节流孔直径 d，，固定节流孔 长度 ，固定节流孔 内夹 角 0。固定节流孔尺寸的组合参数见表 1。其模型如图3所示。

图2 固定节流孔结构示意图表 1 固定节流孔尺寸组合参数图3 固定节流孔三维分析模型局部图1.3 网格的划分与边界条件网格划分是 CFD模拟过程 中最为耗 时的环节，也是直接影响模拟精度和效率的关键因素之-，质量太差的网格将无法得到想要的计算结果，甚至会中止计算 - 。由于该模型具有结构不规则、尺寸差距大的特点，因此在网格划分时，作者采用分体模式来进行网格划分，并且不同的部分采用不同的网格单元 ～此模型分为7个部分，分别为：进口段、固定节流孔 内径段、固定节流孔 人 口斜 坡段 、固定节流孑L段、固定节流孔 出口段、斜管段和出口直管段▲ 口段 、固定节流孔内径段、固定节流孔段、固定节流孔出口段和出口直管段采用非结构单元网格，斜管段和固定节流孔人口斜坡段采用混合单 元 网格。单元 格总 数 为 214 736，面为519 685，节点为 92 712个。

进口边界条件选取压力进口，供油压力为 20MPa。出口边界条件设为压力出口边界，出口压力选取 8.5 MPao工 作 介 质 为 l0号 航 空 液 压 油(SH0358)，工作温度为 40℃，密度为 0.010 625kg/m 。

分别取 d。为0.165、0.21、0.25 mm，其他参数不变时，得到固定节流孔处速度、压力、流量和功率损失特性曲线如图4所示。

昌1-面0.165 mm2-面0.21 mm位置，m(a)速度曲线8071)参 60录5040碍 30罄 20lO020.018.016.0要-4.o幽 12.0l0.08.00.01- -0.165mm2- 0.21 mm3- l0.25 mm0.165 0.205 0.245固定节流孔直径/ram(c)功率损失曲线图4 改变固定节流孔直径的特性曲线由图4(a)固定节流孔处速度变化曲线可以看出：d.由0.165 mm变化到0.25 mm时，其固定节流孔前端0.018～0.185 m这个区间速度变化最为剧烈，液流从固定节流孔出来后速度仍然有-个升高过程，但是速度变化不大，此处位于射流的等速核心区，当液流穿过射流核心区后，速度开始下降；在d 变化过程中，液流的射流初始段长度基本-样；速度下降过程中，在0.02～0.021 m出现变化缓和区域，这主要是由于固体壁面反弹液流跟射流液流相互作用的结果。同时可以看出：d 0.165 mm时，速度缓和区域滞后于其他两种情况，而d 0.25 mm时速度变化梯度最大。它们的最大速度分别为 138.766m/s，口0 21 145.181 m/s， 0.25 148.21 m/s。速度越高，越容易在出口处形成液流漩涡，并且速度越大所形成的漩涡越大，所造成的能量损失也就越大。

由图4(b)固定节流孔处压力变化曲线可以看出：压力变化开始于固定节流孔前端的 V型入口，当d。

在0.165～0.25 mm之间变化时，在固定节流孔处压力变化趋势基本-致。在 轴上0.021～0.021 5 In这个区间，d 0.25 mm时压力出现突然升高的过程，而d 0.165 mm时基本没有变化。造成这种情况的原因主要可能有两种： (1)当d 0.25 mm时，液· 36· 机床与液压 第 41卷流喷射到固体壁面上的速度最大，液流反弹跟射流液流相遇会产生-定的压力；(2)由于液流形成回流漩涡 (如图5所示)，这样就会形成局部液流封闭区，使得该封闭区域压力升高。

由图4(c)固定节流孔功率损失变化 曲线可以看出：随着固定节流孔直径的增大，其功率损失也不断增加。这主要是由于回流漩涡使局部能量损失增大，而速度愈大损失愈大。

2.2 改变固定节流孔的长度分别取 为0.3、0.52、0.65 mm，其他参数不变时，得到固定节流孔处速度、压力、流量和功率损失特性曲线如图5所示。

I- LO.3mnl I- L0.3mm2--LO.52 him 2--O.52 11113- ；n.6SI1m 3- ，fl 6Snlnl固定节流孔长度，I111(c)功率损失曲线图5 改变固定节流孔长度的特性曲线由图 5(a)固定节 流孔处速度 变化 曲线可以看出：固定节流孔长度从 0.3 mm变化到 0.65 mm的过程中，速度升高速率不断变大；当L由0.3 mm变化到0.52 mm时，液流在节流孔处最大速度变大，而液流核心区两者速度下降趋势基本-致；当由0.52 mm变化到 0.65 mm时，固定节流孔进 口加速度不断增大，而最大速度不断降低，从节流孔出流后速度变化逐渐趋于平稳，这说明回流形成的漩涡在不断减校在固定节流孔处最大速度分别为： 0 3 148.884 m/s， 0.52 145.181 m/s，0.65 141.891 rn/s。

由图5(b)固定节流孔处压力变化曲线可以看出：当固定节流孔长度由0.3 mm变到0.65 mm的过程中，压力变化趋势基本-致，而在变化的时间上 ，固定节流孔越长越滞后。跟第-种情况类似，在固体壁面处有-个压力升高的过程，固定节流孔越短，压力升高得越大。

由图5(c)固定节流孔功率损失曲线可以看出：功率损失的变化趋势跟流量变化趋势基本保持-致，随着 的增大，功率损失减校2.3 改变固定节流孔 内夹角 0分别取 0为 30。、60。、90。，其他参数变化时，得到固定节流孔处速度、压力、流量和功率损失特性曲线如图6所示。

1- 1鲁固定 节流 孔 内哭 角，(。)(c)功率损失 曲线图 6 改变固定节流孔内夹角的特性曲线由图6(a)固定节流孔速度变化曲线可以看出：第3种情况下速度变化曲线跟前两种情况明显不-样了，随着 0的变化 ，它在固定节流孔人口处速度变化较大；0从30。变化到60。的过程中，在固定节流孔入口处速度变化较为剧烈，角度越大，加速度越大，而在低速区，角度越大变化越小；0从 60。变化到 90。

时，速度变化不大，而最大速度不断降低；随着 0的变化，固定节流孔出口处流体速度变化不大。它们的最大速度分别为： 3o 148.04 m/s， 60 145.181m/s， 90 139.563 m/s。

由图6(b)固定节流孔压力变化曲线可以看出：当节流孔内夹角从60。增加到90。的过程，固定节流孔进口压力变化较小；而在3O。变化到60。的过程中，压力变化较大，通过曲线可以明显看出角度较大时的压力变化滞后于星度时。这说明角度小时，会在固定节流孔内夹角处产生较大的局部阻尼损失，因此该夹角不能太校由图6(c)固定节流孔功率损失变化曲线可知：随着角度的增加，固定节流孔处的功率损失逐渐减第 l3期 唐杰 等：伺服阀节流孔流场的数值模拟与实验分析 ·37·小，在 0由30。变化到60。时，功率损失变化较平稳；而在 0从60。增加到90。的过程中，功率损失变化速率增大。这说明在角度较小时，功率损失大，如果从减少损失的角度来说，0取90。最为理想。

3 试验分析图7所示为伺服阀固定节流孔试验装置 ，可以测出通过不同结构形式固定节流孔的流量、压力。测得的流量如表 2所示。

表 2 结果比较图7 试验装置对比分析可知：当固定节流孔直径变化时，CFD直径/ram图 8 直径变化时节流孔流量变化长度/ram图 9 长度变化时节流孔流量变化当固定节流孔入口内夹角变化时：当030。时流量最为接近；090。时，仿真值高于实测值 1.5mL/s，见图 10。

当固定节流孔直径变化时：直径为 1.68 mm时，仿真流量系数跟实验流量系数最接近，见图1 1。

当固定节流孔长度变化时，对比流量系数变化：两种流量系数随长度的增加都不断下降，变化趋势-致，见图12。固定节流孔入 口内夹角时，对比流量系数 ：当角度为30。和 6O。时两者的流量系数较接近；角度为90。时，两者有-定的差距，见图 13。

、-旦堰角度 。)图 10 角度变化时节流孔流量变化直径，mm图 11 直径变化时流量系数变化对比30 6O 90角度/r)图 12 长度变化时流 图 13 角度变化时流量系数对比 量系数对比4 结论(1)保持d：、L、0不变，增大d，，速度、压力、流量和功率损失都逐渐增大，速度大时容易产生噪声，功率损失大不利于能量的利用；保持d 、d 、0不变，增大 ，速度增益减小 ，固定节流孔处压力变化更加剧烈，流量和功率损失都逐渐减小；保持d 、d，、L不变 ，增 大0，进 口局部 阻尼损失增大 ，流(下转第92页)· 92· 机床与液压 第41卷成。在散热方面，采用在图 5送料系统原理 图中的P2口和 12口加两个 6 L的蓄能器，不仅用来散热 、保压，还可以来缓冲活塞杆往复运动带来的冲击。

体调整机构图 6 送料油缸3 切割机性能参数为了验证所设计切割机的性能，现场切割直径为8 mm和 15 mm的棒料或线材，棒料的材料为普通45钢。根 据现场切割实验，可以得到以下性能参数，见表 1表 1 快速切割机性能参数表图7 切割后的工件切割机的性能测试主要是检验切割机各种切割形式下的切割质量，要求断面光滑平整，截面与轴线的垂直度好，无过热现象，即能保证工件不发生组织变化 。现用断面的粗糙度、平面度、断面与轴线的垂直度以及断面的过热、切割精度5个参数来测试切割机的工作性能，实验数据表明，以上参数均已达到预期要求。切割后的工件实物图如图7所示。

4 切割机系统可靠性分析在提高控制系统可靠性方面，主要是采用两类技术：-类是防止和减少故障发生的技术，称为避错技术；另-类是当系统的某-部分发生故障时仍能使系统保持正常工作的技术，称为容错技术。避错技术是系统可靠性的技术基础，容错技术则是可靠性的补救和保证措施 。所设计的切割机控制系统采取以下几个方面来提高系统的可靠性：(1)系统结构的简化。

系统结构越简单、元器件越少，系统的可靠性就越高。(2)提高控制系统抗干扰能力和环境适应性。

5 结束语提出了-种新的液压冲击式棒料切割机的设计方法，该设计主要包括锤头、缓冲、送料系统 3个部分。通过实际切割试验，该机器每分钟切割长度为25 mm的棒料的个数为 150个，长度误差小于0.05mm，达到了高速、高精度的棒料切割要求，在切割机设计领域中，该液压冲击式切割机的设计为其他切割机械设计提供了参考。