關(guān)于電液伺服閥零位特性的多參數(shù)影響分析*

龍勇云，閆立東，潘旭東，王廣林

(1.珠海城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 珠海 519090；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)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(tǒng)的關(guān)鍵元件,具有控制精度高、響應(yīng)速度快等一系列優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于各種軍事裝備中。對(duì)于理想滑閥部分來(lái)說(shuō),由于制造工藝的影響,是沒(méi)有實(shí)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(shí)際滑閥存在實(shí)際搭接量、徑向間隙和棱邊圓角等,這些因素的存在會(huì)影響滑閥的零位特性。蘭州理工大學(xué)的張碩文、冀宏等[1,2]通過(guò)仿真方法系統(tǒng)研究了射流盤內(nèi)油液的沖擊腐蝕和偏轉(zhuǎn)板V型槽內(nèi)的變形對(duì)整閥性能的影響。長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)的董娜娜等[3]系統(tǒng)研究了偏轉(zhuǎn)板內(nèi)V型槽的偏轉(zhuǎn)對(duì)兩接收孔內(nèi)壓力和流量特性的影響,對(duì)射流盤式前置級(jí)的調(diào)試有一定參考價(jià)值。北京交通大學(xué)的康碩等[4]同樣分析了前置級(jí)流場(chǎng),首次提出了附壁射流思想,并以此為基礎(chǔ)建立了流場(chǎng)模型,推導(dǎo)出了這種理論的表達(dá)式。華中科技大學(xué)的周元春等[5]應(yīng)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(guān)系,討論了油液通過(guò)閥口時(shí)的能量損失,得出了能量損失主要由兩部分組成的結(jié)論。解放軍理工大學(xué)的張勝等[6]利用動(dòng)網(wǎng)格手段,建立了閥芯和閥套的運(yùn)動(dòng)模型,并對(duì)其進(jìn)行了動(dòng)網(wǎng)格的劃分,在流-固耦合的基礎(chǔ)上,對(duì)液動(dòng)力等閥芯作用力的影響下閥芯的移動(dòng)進(jìn)行了分析。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的周騫[7]利用仿真方法對(duì)前置級(jí)射流盤兩接收孔的壓力和流量進(jìn)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(nèi)的流場(chǎng)特性。本文應(yīng)用Fluent軟件對(duì)滑閥小開(kāi)口區(qū)域進(jìn)行了仿真研究,主要研究各影響參數(shù)的改變對(duì)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(wǎng)格

首先使用SolidWorks軟件對(duì)電液伺服閥進(jìn)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(zhǎng)為84 mm,閥芯三維模型如圖2所示。采用Fluent軟件自帶的網(wǎng)格處理器來(lái)劃分網(wǎng)格,考慮到滑閥整體尺寸較大而節(jié)流口處體積較小,整體與節(jié)流口處體積相差懸殊,按統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)劃分工作量太大,所以采用分塊劃分的方式。先對(duì)整體滑閥進(jìn)行網(wǎng)格劃分,然后再對(duì)體積較小的節(jié)流口處進(jìn)行局部加密,加密處設(shè)置網(wǎng)格尺寸為1 μm,并進(jìn)行網(wǎng)格檢驗(yàn),檢驗(yàn)網(wǎng)格尺寸是否存在負(fù)值,以驗(yàn)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(jù)試驗(yàn)可以得知:閥芯位移在±20 μm內(nèi)存在特性不一致的情況,因此仿真重點(diǎn)針對(duì)閥芯位移小于20 μm內(nèi)的區(qū)域;考慮對(duì)電液伺服閥空載流量特性影響比較大的三個(gè)因素為閥芯圓角、閥芯閥套徑向間隙和閥芯閥套實(shí)際搭接量,隨后設(shè)置閥芯圓角、徑向間隙和實(shí)際搭接量的值。進(jìn)行電液伺服閥空載流量特性仿真時(shí),如果只考慮閥芯圓角、徑向間隙和實(shí)際搭接量單一因素影響時(shí),每一個(gè)因素的尺寸分別取0 μm、2 μm、3 μm、4 μm來(lái)進(jìn)行仿真分析;如果考慮閥芯圓角、徑向間隙和實(shí)際搭接量?jī)蓚€(gè)及兩個(gè)以上因素的共同作用時(shí),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(shí),參數(shù)的不同搭配和閥芯位移的不同會(huì)產(chǎn)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(zhì)使用的是10號(hào)航空液壓油,仿真分析時(shí)邊界條件入口壓力設(shè)為7 MPa,出口壓力設(shè)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(jìn)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(nèi),棱邊圓角r對(duì)空載流量特性曲線影響較大;在5 μm內(nèi)更加明顯,存在圓角時(shí)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(jié)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(jìn)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(shí),無(wú)論間隙的數(shù)值為多少,其空載流量特性曲線在閥芯位移為10 μm范圍內(nèi)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(guò)流面積始終大于理想情況導(dǎo)致的。

2.3 僅存在實(shí)際搭接量

此為分析單一因素閥芯閥套實(shí)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(jìn)行分析,如圖5所示。從圖5中可以看出:當(dāng)只存在閥芯閥套實(shí)際搭接量時(shí),空載流量特性曲線實(shí)際上就是在理想空載流量特性曲線的基礎(chǔ)上進(jìn)行左右平移,一般情況下滑閥會(huì)留有正搭接量,所以曲線會(huì)向右平移,搭接量的數(shù)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(shí)際搭接量

此為分析三種因素對(duì)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(shí)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(duì)8種不同的組合進(jìn)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(jù)閥芯閥套實(shí)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(guī)律,即當(dāng)閥芯圓角與閥芯閥套實(shí)際搭接量的值相同時(shí),曲線線性度較好,若閥芯圓角大,流量會(huì)突然下降一些,反之會(huì)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(lái)看,流量受閥芯閥套實(shí)際搭接量影響較大,多數(shù)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(jié)果

3 小結(jié)

本文首先建立了閥芯閥套模型并進(jìn)行網(wǎng)格的劃分及閥芯圓角處網(wǎng)格局部加密,完成了仿真分析時(shí)條件假設(shè)和邊界條件的設(shè)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(shí)際搭接量x0)對(duì)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(duì)空載流量特性曲線進(jìn)行了分析。根據(jù)仿真數(shù)據(jù),獲得了各影響參數(shù)對(duì)電液伺服閥流量特性曲線中特征量的影響大小,也為后續(xù)模型優(yōu)化及壓力特性曲線和內(nèi)泄漏特性曲線仿真分析打下基礎(chǔ)。