訚耀保,張小偉,陸 暢,徐 揚(yáng),肖 強(qiáng)
(1.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院·上?!?00092;2.中國(guó)航發(fā)長(zhǎng)春控制科技有限公司·長(zhǎng)春·130012)
航空作動(dòng)器伺服控制系統(tǒng)由于組成復(fù)雜、所面臨的工況多變,以及所處的工作環(huán)境惡劣,其伺服控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障的概率較大。為提高伺服作動(dòng)器在故障發(fā)生時(shí)的生存能力和安全可控性,通常需采用一種具備能源切換功能的集成式伺服作動(dòng)器,并在主驅(qū)動(dòng)油源基礎(chǔ)上增加備份驅(qū)動(dòng)油源,在液壓系統(tǒng)中增設(shè)主備份伺服閥、選擇電磁閥、選擇活門(mén)切換組件及連接閥體。主備份伺服閥分別控制主備份油源,選擇電磁閥控制選擇活門(mén)閥芯的位置以實(shí)現(xiàn)能源切換。選擇活門(mén)作為一種進(jìn)行工況切換、故障備份和冗余控制的重要元件,常被應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片和推力矢量噴管的伺服控制系統(tǒng)。由于選擇活門(mén)組件及連接閥體的存在,液壓回路中閥體內(nèi)部流道與腔室的分布異常復(fù)雜,如存在彎管、直/斜角折管、T型管、沉割槽、刀尖角,以及選擇活門(mén)閥芯、閥套各節(jié)流腔等不規(guī)則和突變結(jié)構(gòu)。加劇選擇活門(mén)組件閥體內(nèi)部流體的紊亂程度,流體與壁面的沖擊頻率和強(qiáng)度增大,回路壓力損失增加,系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力下降,作動(dòng)器活塞運(yùn)動(dòng)的速度和控制精度下降。文獻(xiàn)[8]基于采用增材制造方式制造的液壓閥塊流道的過(guò)渡區(qū)的加工曲線(xiàn)開(kāi)展了研究。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),大圓弧和B樣條曲線(xiàn)過(guò)渡流道均能夠顯著改善流體的流動(dòng)特性。Lisowski研究了用邏輯閥替代方向閥、先導(dǎo)閥的流道壓力的損失情況。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,改進(jìn)后的液壓系統(tǒng)的管路壓力損失大幅降低。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)液壓系統(tǒng)壓力損失的研究集中于多路閥、插裝閥、定制閥體和液壓系統(tǒng)管路,研究了流道曲線(xiàn)形狀、結(jié)構(gòu)尺寸、元件組成和加工工藝對(duì)液壓系統(tǒng)壓力損失程度的影響,而針對(duì)壓力損失對(duì)后續(xù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)行程范圍、運(yùn)動(dòng)速度的影響的研究,尚待深入,本文將針對(duì)此問(wèn)題展開(kāi)研究。
本文分析了集成式伺服作動(dòng)器的能源切換原理,研究了壓力損失特性,以及不同負(fù)載力、伺服閥閥芯開(kāi)度對(duì)選擇活門(mén)壓力損失與作動(dòng)器活塞運(yùn)動(dòng)速度的影響。
圖1所示為本文研究的集成式伺服作動(dòng)器控制系統(tǒng),其由主伺服閥1、備份伺服閥2、選擇電磁閥、作動(dòng)器、選擇活門(mén)、LVDT傳感器、電插座和管接頭等組成。作動(dòng)器可由主伺服閥1控制的主油源和備份伺服閥2控制的備份油源單獨(dú)驅(qū)動(dòng),主伺服閥1和備份伺服閥2分別由主控電信號(hào)和備份電信號(hào)控制,選擇電信號(hào)控制選擇電磁閥,選擇電磁閥控制油路決定選擇活門(mén)閥芯的位置和狀態(tài),選擇活門(mén)閥芯的位置切換決定主伺服閥1控制主油源和備份伺服閥2控制備份油源的能源切換。
圖1 集成式伺服作動(dòng)器功能原理圖Fig.1 Functional schematic diagram of integrated servo actuator
主備份油源的切換主要依賴(lài)于選擇活門(mén)組件,選擇活門(mén)組件由閥芯、閥套和閥體組成。閥芯、閥套和閥體構(gòu)成了多個(gè)獨(dú)立腔室,各腔室分別與主伺服閥1、備份伺服閥2的A/B控制口和作動(dòng)器左右腔保持連通,選擇活門(mén)閥芯位置決定了主備份伺服閥A/B控制口與作動(dòng)器左右腔連通的狀態(tài)。主伺服閥1和備份伺服閥2控制油源的切換由選擇電磁閥控制,選擇電磁閥控制選擇活門(mén)左腔油液壓力狀態(tài)。如圖2(a)所示,當(dāng)選擇電磁閥關(guān)閉時(shí),選擇活門(mén)左側(cè)油液壓力為回油狀態(tài)。選擇活門(mén)閥芯在右側(cè)回復(fù)彈簧作用下,閥芯向左運(yùn)動(dòng)并處于左位。主伺服閥1-A口與1-B口通過(guò)選擇活門(mén)閥芯閥套腔與作動(dòng)器左腔入口和右腔入口連通,伺服閥1控制油液控制作動(dòng)器左腔和右腔的油液壓力,驅(qū)動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)。如圖2(b)所示,當(dāng)選擇電磁閥開(kāi)啟時(shí),選擇活門(mén)左側(cè)油液與油源連通,選擇活門(mén)左腔油液處于高壓狀態(tài),選擇活門(mén)閥芯在左側(cè)高壓油推動(dòng)下,閥芯處于右位。備份伺服閥2-A口與2-B口通過(guò)選擇活門(mén)閥芯閥套腔與作動(dòng)器左腔入口和右腔入口連通,伺服閥2控制油路控制作動(dòng)器左腔和右腔油液壓力,驅(qū)動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)。綜合以上分析,選擇活門(mén)組件是主備份伺服閥控油源切換的關(guān)鍵元件,其流道組成復(fù)雜度、壓力損失特性將在很大程度上影響作動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)特性。
(a)主伺服閥1導(dǎo)通時(shí)
如圖3(a)所示,提取了某型選擇活門(mén)裝置整體流道,流道組成包括伺服閥A/B口輸出連接管道、選擇活門(mén)閥芯閥套節(jié)流腔、選擇活門(mén)與作動(dòng)器連接管道,以及作動(dòng)器左右腔。由于作動(dòng)器左右腔油液不連通,油液狀態(tài)不連續(xù),故將整體流道劃分為無(wú)桿側(cè)流道和有桿側(cè)流道,各側(cè)流量與活塞左右側(cè)面積呈比例關(guān)系。
根據(jù)流道結(jié)構(gòu)特征和壓力損失類(lèi)型,可將無(wú)桿側(cè)流道和有桿側(cè)流道分為6個(gè)部位。如圖3(b)所示,以無(wú)桿側(cè)流道為例,部位1為伺服閥A/B口至選擇活門(mén)切換液壓裝置管道,為沿程損失;部位2為伺服閥輸出管道至選擇活門(mén)閥體腔斜管,為局部損失;部位3、部位4為選擇活門(mén)裝置閥芯閥套進(jìn)出口節(jié)流腔,為節(jié)流損失;部位5為選擇活門(mén)切換裝置至作動(dòng)器無(wú)桿腔直角折管,為局部損失;部位6為切換裝置至作動(dòng)器無(wú)桿腔T型三通管,為局部損失。
(a)選擇活門(mén)整體流道
針對(duì)集成式伺服作動(dòng)器系統(tǒng)選擇活門(mén)切換裝置中復(fù)雜管路的壓力損失,采用Fluent仿真輔助理論,探究了復(fù)雜管路中各結(jié)構(gòu)處的壓力損失情況,理清了壓力損失規(guī)律特性和主次要因素。經(jīng)過(guò)核算,油路中的油液呈紊流狀態(tài),選取k-ε模型(k-epsilon(2eqn)Standard)湍流計(jì)算模型,采用SIMPLE算法,選取迭代次數(shù)為2000次。以RP3燃油作為傳動(dòng)介質(zhì),其密度為800kg/m,動(dòng)力黏度為0.0012(P·S)。入口邊界條件為流量入口,出口邊界條件為壓力出口。
針對(duì)網(wǎng)格劃分,利用ICEM劃分工具,采用局部加密方式,對(duì)比全局網(wǎng)格尺寸分別為1.5mm、1.2mm、1mm、0.9mm、0.8mm的5組數(shù)據(jù),以驗(yàn)證網(wǎng)格的獨(dú)立性,各組加密區(qū)域尺寸均呈比例。如圖4所示,組別3的計(jì)算網(wǎng)格精度和計(jì)算速度合適,全局網(wǎng)格最大尺寸為1mm,加密區(qū)1的最大尺寸為0.8mm,加密區(qū)2的最大尺寸為0.6mm,網(wǎng)格數(shù)量為214萬(wàn),接近90%的網(wǎng)格質(zhì)量超過(guò)了0.8。
(a)網(wǎng)格劃分
將選擇活門(mén)流道各部位的壓力損失仿真值與理論值進(jìn)行了比對(duì),對(duì)比分析了不同壓力出口下的仿真值和理論值差異。圖5顯示了作動(dòng)器無(wú)桿側(cè)流道入口流量為20L/min、出口壓力為10MPa時(shí)各部位的壓力損失分布。由圖5可知,流道各部位的壓力損失大小不一,損失原因各異。為探究選擇活門(mén)壓力損失規(guī)律和成因分布,分析了不同出口壓力、入口流量下各部位壓力損失的占比情況。
圖5 作動(dòng)器無(wú)桿側(cè)流道的壓力分布(入口流量為20(L/min),出口壓力為10MPa)Fig.5 Pressure distribution of the flow channel on the rodless side of the actuator (the inlet flow is 20(L/min),the outlet pressure is 10MPa)
2.3.1 不同出口壓力
據(jù)上可知,部位1的壓力損失類(lèi)型為伺服閥A/B口至選擇活門(mén)切換液壓裝置管道的沿程損失。如表1所示,F(xiàn)luent仿真結(jié)果表明,其平均值為0.048MPa。
表1 作動(dòng)器無(wú)桿側(cè)出口壓力不同時(shí)各部位壓力損失分布(MPa)Tab.1 The pressure loss distribution at each structure under different outlet pressures(MPa)
其沿程損失的理論推導(dǎo)過(guò)程如下。在流量為20(L/min)時(shí),雷諾數(shù)為
(1)
式中,R
為雷諾數(shù),V
為油液運(yùn)動(dòng)的平均速度,D
為管道水力直徑,ν
為油液運(yùn)動(dòng)黏度,q
為管道流經(jīng)流量。沿程阻力系數(shù)λ
為(2)
(3)
式中,ΔP
為部位1的壓力損失,ρ
為油液密度,g
為重力加速度,h
為壓頭損失,l
為管道長(zhǎng)度。將部位1的理論計(jì)算值與仿真結(jié)果進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)二者非常接近,誤差僅為7.6%。
部位3、部位4為選擇活門(mén)切換裝置閥芯閥套進(jìn)出口節(jié)流損失。Fluent仿真的平均值為0.32MPa,其理論計(jì)算過(guò)程如下
(4)
式中,ΔP
為部位3的壓力損失,C
為薄壁孔的流量系數(shù),A
為選擇活門(mén)閥芯閥套節(jié)流口的總面積。將部位3、部位4的閥芯閥套節(jié)流損失理論數(shù)值與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,對(duì)比結(jié)果顯示誤差僅為1.5%。
部位1的沿程損失、部位3/部位4節(jié)流損失的理論計(jì)算與仿真結(jié)果對(duì)比分析,證實(shí)了Fluent仿真結(jié)果具有很高的可信性。理論計(jì)算與仿真結(jié)果同時(shí)表明,流道各部位的壓力損失數(shù)值與出口壓力無(wú)關(guān)。
2.3.2 不同入口流量
由圖6可知,各部位壓力損失的占比幾乎恒定。作動(dòng)器無(wú)桿側(cè)的沿程損失占比為3%,節(jié)流損失占比為33%,局部損失占比為64%。作動(dòng)器有桿側(cè)的沿程損失占比為3%,節(jié)流損失占比為24%,局部損失占比為73%。由此可以得出結(jié)論,選擇活門(mén)切換裝置整體流道壓力損失最為嚴(yán)重的部位是流道結(jié)構(gòu)突變處(直角折管、T型三通管、斜管)的局部損失,其次是選擇活門(mén)閥芯閥套腔處的節(jié)流損失,而沿程損失可忽略不計(jì)。
(a)作動(dòng)器無(wú)桿側(cè)
本文設(shè)置了多組入口流量和出口壓力以組合仿真案例。理論和仿真結(jié)果表明,流道中的油液呈紊流狀態(tài)。在活門(mén)裝置壓力損失中,局部損失和節(jié)流損失占比最大,沿程損失可忽略不計(jì),壓力損失與流量的平方基本呈正比關(guān)系。如圖7所示,根據(jù)仿真數(shù)據(jù),可從理論上進(jìn)行擬合,得到作動(dòng)器完成伸出運(yùn)動(dòng)及收縮運(yùn)動(dòng)時(shí)集成式伺服作動(dòng)器無(wú)桿側(cè)與有桿側(cè)壓力損失的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。
圖7 作動(dòng)器各工況下壓力損失與流入流量的關(guān)系Fig.7 The relationship between pressure loss and inflow flow under various operating conditions of the actuator
(5)
式中,ΔP
為作動(dòng)器完成伸出運(yùn)動(dòng)時(shí)無(wú)桿側(cè)的壓力損失,ΔP
為作動(dòng)器完成伸出運(yùn)動(dòng)時(shí)有桿側(cè)的壓力損失,ΔP
′為作動(dòng)器完成收縮運(yùn)動(dòng)時(shí)無(wú)桿側(cè)的壓力損失,ΔP
′為作動(dòng)器完成收縮運(yùn)動(dòng)時(shí)有桿側(cè)的壓力損失,k
、k
、k
′、k
′為各壓力損失與流量平方的系數(shù),單位為Pa/(m·s)。相對(duì)于本文研究的集成式伺服作動(dòng)器系統(tǒng)而言,常規(guī)伺服作動(dòng)器系統(tǒng)液壓回路的組成元件少,流道相對(duì)規(guī)則,液壓回路如圖8所示。其可作為研究選擇活門(mén)壓力損失對(duì)作動(dòng)器活塞運(yùn)動(dòng)速度影響的對(duì)照組,用于對(duì)比分析選擇活門(mén)裝置的壓力損失對(duì)作動(dòng)器活塞運(yùn)動(dòng)速度影響的趨勢(shì)和程度。
圖8 常規(guī)伺服作動(dòng)器系統(tǒng)在完成伸出運(yùn)動(dòng)時(shí)的液壓回路Fig.8 The extension hydraulic circuit of conventional servo actuator system
作動(dòng)器活塞在平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)時(shí)的受力平衡方程為
P
A
-P
A
-f
-F
=0(6)
式中,P
與P
為伺服作動(dòng)器做伸出運(yùn)動(dòng)時(shí)左腔、右腔的壓力,A
與A
分別為作動(dòng)器左右側(cè)面積,f
為活塞摩擦力,活塞負(fù)載力F
以向左為正方向,即以壓負(fù)載為正方向,如下分析均以壓負(fù)載為正方向。作動(dòng)器左右腔進(jìn)出油節(jié)流方程為
(7)
式中,Q
為流入作動(dòng)器左腔的流量,Q
為流出作動(dòng)器右腔的流量,C
為流量系數(shù),P
為油源壓力,P
為油箱壓力,d
為伺服閥閥芯直徑,x
為閥芯開(kāi)度。作動(dòng)器左右腔的油液連續(xù)性方程為
(8)
式中,v
為活塞運(yùn)動(dòng)的速度,C
為活塞的外泄漏系數(shù),C
為活塞的內(nèi)泄漏系數(shù),V
為作動(dòng)器左腔的容積,β
為油液體積彈性模量,V
為作動(dòng)器右腔的容積。在理想條件下,伺服閥為絕對(duì)零開(kāi)口,可忽略活塞的內(nèi)泄漏、外泄漏,以及油液壓縮性。由此,可得在完成伸出運(yùn)動(dòng)時(shí),作動(dòng)器左右腔壓力P
、P
、流量Q
、作動(dòng)器活塞的穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)速度v
分別為(9)
(10)
(11)
(12)
(13)
同理,可得單伺服閥作動(dòng)器系統(tǒng)在完成收縮運(yùn)動(dòng)時(shí)的左腔壓力P
′、流量Q
′分別為(14)
(15)
本文所研究的集成式伺服作動(dòng)器系統(tǒng)在液壓回路中的特殊之處在于主伺服閥1、備份伺服閥2可由選擇活門(mén)裝置進(jìn)行切換。選擇活門(mén)裝置由閥芯、閥套和閥體、回復(fù)彈簧組成,流道結(jié)構(gòu)和各腔室異常復(fù)雜,液壓回路內(nèi)部壓力損失嚴(yán)重,其液壓回路如圖9所示。
圖9 集成式伺服作動(dòng)器系統(tǒng)在完成伸出運(yùn)動(dòng)時(shí)的液壓回路Fig.9 The extension hydraulic circuit of integrated servo actuator system
選擇活門(mén)組件的壓力損失存在于伺服閥A/B出口至作動(dòng)器左右腔室之間。以作動(dòng)器的伸出運(yùn)動(dòng)為例,作動(dòng)器左右側(cè)的壓力損失為
(16)
(17)
式中,k
為作動(dòng)器完成伸出運(yùn)動(dòng)時(shí)左腔壓力損失流量平方系數(shù),k
為作動(dòng)器完成伸出運(yùn)動(dòng)時(shí)右腔壓力損失流量平方系數(shù)。聯(lián)立式(6)、式(7)、式(8)、式(16)、式(17)可得考慮選擇活門(mén)壓力損失的航空作動(dòng)器完成伸出運(yùn)動(dòng)時(shí)左右腔壓力、流量和活塞運(yùn)動(dòng)速度為
(18)
(19)
(20)
(21)
(22)
同理,可得集成式伺服作動(dòng)器系統(tǒng)完成收縮運(yùn)動(dòng)時(shí)左腔的壓力、流量分別為
(23)
(24)
(25)
將上述考慮選擇活門(mén)壓力損失的集成式伺服作動(dòng)器系統(tǒng)與常規(guī)伺服作動(dòng)器系統(tǒng)的活塞運(yùn)動(dòng)速度理論模型進(jìn)行對(duì)比,并探究不同負(fù)載的作用,以及閥芯開(kāi)度的影響趨勢(shì)和程度。
3.3.1 不同負(fù)載作用
(a)伸出運(yùn)動(dòng)
由圖10可知,以壓負(fù)載力為正方向時(shí),正方向負(fù)載力為伸出運(yùn)動(dòng)阻力、收縮運(yùn)動(dòng)推力。負(fù)載力越大,伸出運(yùn)動(dòng)速度越慢,收縮運(yùn)動(dòng)速度越快。選擇活門(mén)裝置處的壓力損失致使集成式伺服作動(dòng)器系統(tǒng)的活塞運(yùn)動(dòng)速度小于常規(guī)伺服作動(dòng)器系統(tǒng)。當(dāng)伺服閥的閥芯開(kāi)度為0.1mm時(shí),伸出運(yùn)動(dòng)時(shí)的活塞運(yùn)動(dòng)速度降低了4.9%,收縮運(yùn)動(dòng)時(shí)的活塞運(yùn)動(dòng)速度降低了5.2%。由于常規(guī)伺服作動(dòng)器系統(tǒng)與集成式伺服作動(dòng)器系統(tǒng)的活塞受力關(guān)系一致,活塞速度與負(fù)載力的關(guān)系恒定,選擇活門(mén)壓力損失使活塞速度呈比例下降,活塞速度下降百分比恒定而不隨負(fù)載力變化,活塞速度下降百分比僅與作動(dòng)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。
3.3.2 不同伺服閥閥芯開(kāi)度
伺服閥閥芯開(kāi)度將直接影響伺服閥的節(jié)流面積,影響進(jìn)入作動(dòng)器左右腔的流量和壓力,進(jìn)而影響作動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)速度。由圖11可知,當(dāng)閥芯開(kāi)度在0.085mm~0.115mm變化時(shí),選擇活門(mén)裝置的壓力損失使伸出運(yùn)動(dòng)的速度下降范圍為3.6%~6.4%,收縮運(yùn)動(dòng)速度的下降范圍為3.9%~6.7%。閥芯開(kāi)度越大,流經(jīng)流量越大,流體與流道的撞擊強(qiáng)度和頻率增加,選擇活門(mén)壓力損失更為嚴(yán)重,活塞速度下降百分比更大。
(a)伸出運(yùn)動(dòng)
本文研究了集成式伺服作動(dòng)器系統(tǒng)中主備份能源選擇的切換原理、選擇活門(mén)裝置引入的壓力損失特性及壓力損失對(duì)作動(dòng)器活塞運(yùn)動(dòng)速度的影響,得出的主要結(jié)論如下:
(1)主備份能源切換的關(guān)鍵在于選擇活門(mén)裝置,主備份伺服閥A/B控制端口均與選擇活門(mén)閥體形成的各獨(dú)立腔室保持連通。選擇電磁閥控制選擇活門(mén)閥芯處于左位或右位,閥芯左右位的切換可改變閥體各腔室與作動(dòng)器左右腔的連通情況,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)主備份能源的切換;
(2)通過(guò)數(shù)學(xué)模型理論分析和CFD仿真結(jié)果比對(duì),驗(yàn)證了CFD仿真結(jié)果的可信性。研究發(fā)現(xiàn),某型選擇活門(mén)裝置中的結(jié)構(gòu)突變處(直角折管、T型三通管、斜管)的局部壓力損失占比最大,其次是選擇活門(mén)閥芯閥套腔處的節(jié)流損失,而沿程損失可忽略不計(jì)。據(jù)此可知,選擇活門(mén)組件的壓力損失大小與流入流量的平方呈正比,與出口壓力無(wú)關(guān)。通過(guò)數(shù)據(jù)擬合,可得出活塞伸出運(yùn)動(dòng)、收縮運(yùn)動(dòng)時(shí)選擇活門(mén)的壓力損失與入口流量平方的關(guān)系系數(shù);
(3)建立了集成式伺服作動(dòng)器系統(tǒng)和常規(guī)伺服作動(dòng)器系統(tǒng)的流量、壓力和活塞動(dòng)力學(xué)模型理論模型。某型選擇活門(mén)裝置的壓力損失使集成式伺服作動(dòng)器系統(tǒng)伸出運(yùn)動(dòng)的速度下降了4.9%,收縮運(yùn)動(dòng)速度下降了5.2%。由于活塞速度與負(fù)載力的關(guān)系恒定,選擇活門(mén)壓力損失使活塞速度呈比例下降,速度下降百分比與負(fù)載力無(wú)關(guān);閥芯開(kāi)度越大,流經(jīng)流量越大,流體與流道撞擊強(qiáng)度和頻率增加,選擇活門(mén)的壓力損失更為嚴(yán)重,速度下降百分比更大。