基于CFD的伺服閥銜鐵組件嘯叫分析

陳元章

(南京機(jī)電液壓工程研究中心航空機(jī)電系統(tǒng)綜合航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210061)

電液伺服閥因其控制精度高、響應(yīng)速度快而最初應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，隨著液壓伺服技術(shù)的發(fā)展，電液伺服閥的應(yīng)用已經(jīng)擴(kuò)展到冶金、化工、機(jī)械制造、地質(zhì)勘探、工程機(jī)械等需要精確控制的領(lǐng)域。電液伺服閥作為液壓伺服系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，它把機(jī)械、電子和液壓技術(shù)緊密結(jié)合在一起，其性能直接影響到整個(gè)液壓伺服系統(tǒng)的性能，而銜鐵組件又是電液伺服閥的核心部件，通過它才能把控制信號(hào)的典型號(hào)與系統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)、流體系統(tǒng)串聯(lián)起來，所以其性能直接影響了整個(gè)伺服閥的性能。但在實(shí)際的使用中，偶爾會(huì)發(fā)生伺服閥嘯叫現(xiàn)象，從而使伺服閥性能改變，系統(tǒng)性能降低，甚至?xí)l(fā)生伺服閥銜鐵組件破裂漏油、系統(tǒng)失控的故障。

所以，研究伺服閥彈簧管嘯叫問題就顯得尤為重要，但由于伺服閥嘯叫的偶發(fā)性和隨機(jī)性，伺服閥的嘯叫很難復(fù)現(xiàn)。并且伺服閥嘯叫不僅僅是伺服閥本身的問題，它往往跟系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、使用工況、工作環(huán)境等因素相關(guān)聯(lián)，所以很多時(shí)候是系統(tǒng)發(fā)生了伺服閥嘯叫問題，但在生產(chǎn)廠家的試驗(yàn)室根本不能復(fù)現(xiàn)，這就進(jìn)一步增加了伺服閥嘯叫機(jī)制分析的難度，所以從實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)上很難進(jìn)行伺服閥嘯叫的機(jī)制分析。同時(shí)，由于伺服閥內(nèi)部油路的復(fù)雜性，僅僅從理論流體力學(xué)等進(jìn)行理論上的分析難度更大。近年來，隨著高速數(shù)字計(jì)算機(jī)的發(fā)展，以及為使用計(jì)算機(jī)解決物理問題而發(fā)展起來的精確算法，一門介于實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)和理論流體力學(xué)之間的計(jì)算流體力學(xué) (Computational Fluent Dynamics，CFD)得到了長足發(fā)展，它既克服了理論流體力學(xué)問題中諸如非線性等一系列復(fù)雜問題的理論解計(jì)算問題，又克服了實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)中模型尺寸、流場擾動(dòng)、人為因素和測(cè)量精度的限制。所以，計(jì)算流體力學(xué)已經(jīng)成為流體力學(xué)研究中的第3種方法，目前在分析和解決流體力學(xué)問題的時(shí)候，計(jì)算流體力學(xué)已經(jīng)成為與理論和實(shí)驗(yàn)平等的角色，CFD方法與傳統(tǒng)的理論分析方法、實(shí)驗(yàn)量測(cè)方法組成了研究流體流動(dòng)的完整體系。

作者基于CFD技術(shù)，就某型伺服閥在研制過程中發(fā)生的彈簧管批次性嘯叫問題進(jìn)行分析，并利用CFD技術(shù)提出相應(yīng)的解決方法。

1 試驗(yàn)過程

文中提及的銜鐵組件結(jié)構(gòu)見圖1，圖中銜鐵起伺服閥驅(qū)動(dòng)控制作用，彈簧管起彈性支撐并隔離流體和電信號(hào)作用，偏轉(zhuǎn)板起分配液流作用。彈簧管是彈性元件，在微小的電信號(hào)作用下需要發(fā)生彎曲變形，所以壁厚一般只有0.06～0.09 mm，因而其剛度不能太大。因此，彈簧管既是伺服閥銜鐵組件中的關(guān)鍵部件，也是其中的薄弱環(huán)節(jié)，伺服閥嘯叫很多時(shí)候就是由彈簧管的振動(dòng)引起的，而且，因?yàn)閺椈晒艿谋诤裣喈?dāng)薄，在振動(dòng)嘯叫的時(shí)候，彈簧管往往會(huì)發(fā)生破裂。

圖1 銜鐵組件結(jié)構(gòu)圖

把銜鐵組件安裝在如圖2所示的實(shí)驗(yàn)夾具上，在圖示A－A的位置處做剖面，剖面結(jié)構(gòu)見圖3。流體從射流片的入射口流入，通過偏轉(zhuǎn)板中間的縫隙進(jìn)入到射流片的兩個(gè)接收口。

圖2 銜鐵組件實(shí)驗(yàn)安裝圖

圖3 射流結(jié)構(gòu)剖面圖

把圖2所示的試驗(yàn)夾具和銜鐵組件試驗(yàn)件安裝在試驗(yàn)臺(tái)上，試驗(yàn)臺(tái)使用的工作液為12號(hào)航空液壓油，試驗(yàn)進(jìn)油壓力為21 MPa，回油壓力約為0。試驗(yàn)中，在把試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)油壓力升到21 MPa的時(shí)候，銜鐵組件發(fā)出刺耳的嘯叫聲，觸摸銜鐵組件能感到明顯的高頻振蕩，更換試驗(yàn)件，更換的5個(gè)銜鐵組件均發(fā)生了高頻振蕩嘯叫。

針對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行分析。

2 CFD 模擬求解

試驗(yàn)中的銜鐵組件在流體作用下產(chǎn)生的振動(dòng)嘯叫，屬于典型的流致振動(dòng)問題，流致振動(dòng)基本方程可用如下算子形式來描述:

式中:x(X，t)為響應(yīng)矢量;

X、t分別是空間、時(shí)間變量;

f(X，t)為激勵(lì)矢量，通過求解流場方程來獲得。

在動(dòng)力學(xué)及有限元中的形式為:

由于結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)會(huì)影響流場從而改變流場對(duì)結(jié)構(gòu)的作用力，所以，式 (1)是非線性體系，不易求解，因此，將式(1)右端分解為:

式中:fs(X，t)是非線性項(xiàng)，與結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)有關(guān)，稱為運(yùn)動(dòng)相關(guān)的流體力;

ff(t)與結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)無關(guān)，僅與流體運(yùn)動(dòng)有關(guān)，稱為流體激振力。

試驗(yàn)中作為結(jié)構(gòu)部件的銜鐵組件本身是靜止部件，不會(huì)因?yàn)樽陨淼臋C(jī)械運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生振動(dòng)激勵(lì)，所以式(3)中的非線性項(xiàng)fs(X，t)可以忽略，僅考慮流體激振力ff(t)的作用。

流體激振力ff(t)可以通過CFD 計(jì)算流場的壓力獲得。文中即使用Fluent軟件包的前處理軟件Gambit進(jìn)行網(wǎng)格劃分，再把劃分好的網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent 求解器進(jìn)行求解。

把圖3所示的結(jié)構(gòu)圖抽取成Gambit 和Fluent模型，見圖4。因?yàn)槌槿〉哪Ｐ蜑閷?duì)稱結(jié)構(gòu)，所以為減少計(jì)算量、加快計(jì)算效率，取一半的結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖5。利用Gambit 劃分網(wǎng)格，因?yàn)殚y口存在明顯的銳邊，對(duì)閥口進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，劃分網(wǎng)格詳見圖6，共計(jì)79 924個(gè)網(wǎng)格(圖6為計(jì)算結(jié)束后在Fluent中取的整體視圖)。

圖4 液壓放大器模型

圖5 簡化后的液壓放大器模型

圖6 劃分的網(wǎng)格圖

把劃分好網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent 進(jìn)行計(jì)算，在數(shù)值求解的過程中，首先進(jìn)行以下的設(shè)定:

(1)流體介質(zhì)是液壓油。因?yàn)镕luent 中沒有適合的流體，所以按12號(hào)航空液壓油的屬性定義材料的特性:

ρ=850 kg/m3。

ν=0.010 2 kg/(m·s)。

(2)流體為牛頓流體。

(3)流體流態(tài)。由雷諾方程得:

所以，流體流態(tài)為湍流，選取Fluent模型為標(biāo)準(zhǔn)型k－ε模型。

(4)數(shù)值計(jì)算方法采用有限體積法中常用的SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)算法求解離散方程組。

(5)為保證計(jì)算精度，選取二階模型。

設(shè)定后對(duì)模型進(jìn)行求解計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見圖7—11。

圖7為流體的壓力云圖，可以看出偏轉(zhuǎn)板前后有一定的壓差，選取偏轉(zhuǎn)板左側(cè)的區(qū)域可得此區(qū)域的壓力為25.50～29.01 MPa，選取偏轉(zhuǎn)板右側(cè)的區(qū)域可得此區(qū)域的壓力為18.49～22.00 MPa。

圖8為流體的速度云圖，圖9為速度矢量圖，可以看出偏轉(zhuǎn)板出口與射流片結(jié)合處存在明顯的渦流渦旋。圖10為速度矢量圖的局部放大圖，更能清晰地看到渦旋的形式和方向。

圖11為流體沿軸線方向的壓力曲線圖，從圖中所做的輔佐線可以看出從－0.000 25～0.000 5 m的位移范圍內(nèi)，即從偏轉(zhuǎn)板入口處到射流片接收口處，壓力從2.13×107Pa 急劇上升到3.0×107Pa。

圖7 壓力云圖

圖8 速度云圖

圖9 速度矢量圖

圖10 局部的速度矢量圖

圖11 沿軸線方向的壓力曲線圖

從圖7—11可以看出:這種結(jié)構(gòu)下的模型在偏轉(zhuǎn)板出口處和射流片接收口處存在明顯的卡門渦，偏轉(zhuǎn)板內(nèi)的抹茶切應(yīng)力和漩渦運(yùn)動(dòng)消耗了大量能量，使尾流區(qū)的壓強(qiáng)降低，使偏轉(zhuǎn)板左右兩側(cè)的壓差變大，形成壓差阻力，且此卡門渦產(chǎn)生一定的流體激振力，偏轉(zhuǎn)板在此激振力的作用下產(chǎn)生了受迫振動(dòng)，因?yàn)槠饛椥詳_動(dòng)的彈簧管彈性模量低、剛度小，從而帶動(dòng)整個(gè)銜鐵組件做高頻振蕩，產(chǎn)生嘯叫。銜鐵組件的高頻振蕩又會(huì)影響油路內(nèi)部流場的重新分布，流體流動(dòng)與偏轉(zhuǎn)板和射流片之間構(gòu)成一種強(qiáng)烈的流固耦合關(guān)系，從而加劇了流體的壓力脈動(dòng)，使銜鐵組件的振動(dòng)進(jìn)一步加劇。

圖12 液壓放大器模型

為驗(yàn)證以上分析，改變偏轉(zhuǎn)板的結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行模擬計(jì)算和實(shí)際測(cè)試。改變后的結(jié)構(gòu)剖面見圖12，對(duì)其重新進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，共計(jì)80 546個(gè)網(wǎng)格，詳見圖13。

圖13 劃分的網(wǎng)格圖

把劃分好的網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent 進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見圖14—17。

圖14 壓力云圖

圖15 速度云圖

圖16 速度矢量圖

圖17 沿軸線方向的壓力曲線圖

圖14為流態(tài)的壓力云圖，圖15為速度云圖，圖16為速度矢量圖，圖17為沿對(duì)稱軸方向的壓力變化圖?？梢钥闯?產(chǎn)生的渦流渦旋消失，且偏轉(zhuǎn)板左右兩側(cè)的壓力基本相等;從對(duì)稱軸方向的壓力變化圖中也可以看出:在－0.000 4～0.000 5 m 內(nèi)，即在射流片進(jìn)出口之間的壓力波動(dòng)很小。

把更改結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)件安裝在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試，5件銜鐵組件試驗(yàn)件均未產(chǎn)生振動(dòng)嘯叫，并且在整個(gè)伺服閥的安裝調(diào)試試驗(yàn)過程中也未出現(xiàn)伺服閥高頻嘯叫現(xiàn)象。

3 結(jié)論

(1)文中所做的實(shí)驗(yàn)?zāi)M再現(xiàn)了伺服閥彈簧管嘯叫現(xiàn)象，為理論分析提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ);

(2)通過Gambit、Fluent 等軟件模擬了伺服閥銜鐵組件流場的流固耦合現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)伺服閥銜鐵組件發(fā)生高頻嘯叫時(shí)，銜鐵組件內(nèi)部流態(tài)產(chǎn)生了卡門渦，并伴隨著很大的壓差阻力和流體激振;

(3)通過改變產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，再次進(jìn)行流體流態(tài)的CFD 模擬，消除了銜鐵組件內(nèi)部流態(tài)的卡門渦，并在實(shí)際的產(chǎn)品試驗(yàn)中消除了伺服閥彈簧管嘯叫現(xiàn)象。

(4)文中只是定性分析了伺服閥銜鐵組件嘯叫的原因，并未定量分析伺服閥銜鐵組件嘯叫的原因。并不是流體中一旦產(chǎn)生渦流渦旋就會(huì)引起伺服閥的嘯叫，只有當(dāng)產(chǎn)生的流體激振力達(dá)到一定的數(shù)量級(jí)，克服銜鐵組件的綜合剛度，從而迫使伺服閥銜鐵組件做受迫運(yùn)動(dòng);或者當(dāng)流體的卡曼渦旋脫落頻率與伺服閥銜鐵組件在流體中的固有頻率接近，引起伺服閥銜鐵組件共振的時(shí)候，伺服閥銜鐵組件才會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，甚至產(chǎn)生嘯叫。清華大學(xué)的陳佐一教授更是開宗明義地提出:任何一種工程構(gòu)件，在外界各種干擾的影響下，總會(huì)存在各種微小的振動(dòng)，即使對(duì)于定常來流，這種微小振動(dòng)也會(huì)使流經(jīng)振動(dòng)物體的流場產(chǎn)生振蕩，而振蕩流又進(jìn)一步作用于振動(dòng)物體。所以，自激振動(dòng)的穩(wěn)定性取決于物體振動(dòng)過程中振蕩流場與物體之間能量交換的性質(zhì)。在振動(dòng)過程中，振蕩流場對(duì)振動(dòng)物體做正功，則使振動(dòng)加劇而導(dǎo)致不穩(wěn)定;否則流體起了阻尼作用，振動(dòng)是穩(wěn)定的。這也是下一步需要繼續(xù)研究的方向。

(5)雖然產(chǎn)品內(nèi)部流態(tài)產(chǎn)生卡門渦未必一定會(huì)引起伺服閥的振動(dòng)嘯叫，但尾渦的存在畢竟增大了伺服閥嘯叫的隱患。相關(guān)文獻(xiàn)指出:渦旋脫落時(shí)候產(chǎn)生的振動(dòng)影響比尾渦本身的影響更大。當(dāng)結(jié)構(gòu)件運(yùn)動(dòng)時(shí)，式(3)中的運(yùn)動(dòng)相關(guān)的流體力fs(X，t)不能再忽略，非線性項(xiàng)fs(X，t)的存在會(huì)引起渦的脫落頻率和分離特性、激振力的大小和相位、近尾跡的結(jié)構(gòu)和湍流場，甚至對(duì)遠(yuǎn)尾跡帶來影響，使產(chǎn)品內(nèi)部流場更加復(fù)雜，振動(dòng)嘯叫產(chǎn)生的可能性更大。而且，在伺服閥的實(shí)際使用中，伺服閥使用單位為了提高伺服閥的靈敏度經(jīng)常會(huì)對(duì)伺服閥施加幾百赫茲頻率的激勵(lì)，使伺服閥銜鐵組件處于一定頻率的振動(dòng)，更激化了伺服閥嘯叫的可能性。在伺服閥使用工作環(huán)境惡劣的時(shí)候，如飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)開車，飛機(jī)、導(dǎo)彈在空中飛行的時(shí)候，伺服閥嘯叫的隱患就更為突出。

(6)傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)只能從理論和經(jīng)驗(yàn)上盡量避免引起伺服閥振動(dòng)嘯叫結(jié)構(gòu)的存在，但是很難從實(shí)際上避免。作者利用CFD技術(shù)提供了一種避免伺服閥振動(dòng)嘯叫的方法，降低了產(chǎn)生伺服閥嘯叫的可能性。

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