CFD下的伺服閥銜鐵部件嘯叫研究

孟少杰 葛鵬翼

摘 要：本文對伺服閥銜鐵部件嘯叫問題開展研究，在分析伺服閥工作原理、介紹嘯叫問題基礎上，開展伺服閥嘯叫試驗，通過試驗結(jié)果分析銜鐵部件嘯叫的現(xiàn)象，并以CFD——Fluent軟件包內(nèi)的Gambit進行模型網(wǎng)格劃分，將網(wǎng)格導入軟件，運用有限體積法下的SIMPLE算法開展離散方程求解，利用獲得的壓力流線、壓力云圖等內(nèi)容分析嘯叫的機理，最后提出解決嘯叫問題的改造策略，并利用試驗證明改造策略的可行性。

關鍵詞：伺服閥;銜鐵部件;嘯叫;高頻振動

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.18.005

飛機液壓系統(tǒng)下的伺服閥，直接關聯(lián)著飛機的剎車功能，作為液壓系統(tǒng)常見故障，伺服閥銜鐵嘯叫，會嚴重影伺服閥性能與可靠性，嚴重情況下銜鐵的高頻振動會造成彈簧管破裂油液外漏，帶來飛機剎車系統(tǒng)癱瘓的隱患，故開展伺服閥銜鐵嘯叫問題研究，對于飛機安全運行保障至關重要。

1 伺服閥工作原理與嘯叫問題介紹

1.1 伺服閥工作原理

壓力伺服閥結(jié)構(gòu)原理圖如圖1：

壓力伺服閥，主要應用于飛機的剎車液壓系統(tǒng)，如圖1，壓力伺服閥的結(jié)構(gòu)包括噴嘴擋板、永磁動鐵力矩馬達、滑閥放大級等部件，壓力伺服閥工作原理主要包括兩大工況：

（1）伺服閥輸入控制電流=0的情況下，伺服閥的左噴嘴墻壓力相比右側(cè)噴嘴壓力較小，滑閥此刻處于左極限位置，回油口開啟后，敷在壓力等于回油的壓力;

（2）在輸入控制電流持續(xù)增加的工況下，擋板會向左側(cè)偏轉(zhuǎn)運動，左側(cè)噴嘴腔的壓力上升，滑閥此刻向右側(cè)移動，回油邊關閉，此刻進油邊逐漸呈現(xiàn)開啟狀態(tài)，有壓力經(jīng)過接流寇向負載強輸出壓力，此刻敷在壓力作用至閥芯反饋斷面，在閥芯外力逐漸達到平衡狀態(tài)期間，滑閥停止運行，同時輸出負載和輸入電流信號關系為正比，在該過程下，敷在壓力作為負反饋變量從而形成閉環(huán)控制輸出壓力[1]。

1.2 伺服閥嘯叫問題介紹

伺服閥嘯叫，始終是國內(nèi)外航空領域難以攻克、解決的技術難關，據(jù)有關資料統(tǒng)計，我國飛機系統(tǒng)故障中，超過30%為液壓系統(tǒng)故障，而電液伺服閥當屬液壓系統(tǒng)中最容易發(fā)生故障的部件，當飛機飛行期間，發(fā)動機、剎車系統(tǒng)、導彈飛控系統(tǒng)都處于工作狀態(tài)，一旦伺服閥出現(xiàn)高頻嘯叫，就會嚴重影響伺服閥的性能，伺服閥嘯叫階段，力矩馬達下的銜鐵部件進入高頻自激正當狀態(tài)，諧振頻率最高可達上千赫茲，同時會伴隨尖利刺耳的響聲，嚴重情況下，銜鐵部件的巨大振動幅值會造成彈框開裂，伺服閥遭到破壞、油液露出，此刻伺服閥的輸出壓力將處于失控狀態(tài)，飛機剎車系統(tǒng)就會進入癱瘓狀態(tài)。

2 基于CFD的伺服閥銜鐵嘯叫研究

2.1 實驗部分

準備1現(xiàn)銜鐵組建，將其安裝于試驗夾具上進行剖面，流體從部件射流片的入射口進入銜鐵部件，基于偏轉(zhuǎn)板中間的縫隙進入到射流片接收口部位，制備實驗工作也——12號航空液壓油，在試驗階段逐漸提升進油壓力，當壓力提升至21MPa，發(fā)現(xiàn)銜鐵部件進入高頻自激振動，發(fā)出刺耳嘯叫，用手遏制振動，一定程度降低嘯叫，但仍然無法徹底消除。在實驗臺卸下第一個實驗件，更換第二個銜鐵部件，先后共計進行3個銜鐵部件試驗，均在油壓提升至20～25MPa范圍內(nèi)產(chǎn)生高頻自激振蕩伴隨嘯叫。

2.2 CFD模擬求解

基于上述試驗部分，證明銜鐵部件在流態(tài)作用下會產(chǎn)生高頻自激振動伴隨嘯叫，該問題隸屬于典型流致振動[2]，可由如下方程式表達：

式1中：表示相應矢量，為空間變量、時間變量，代表時間變量、空間變量線性微分算子，而則為求解流暢方程得出的激勵矢量，在動力學與有限元中表達形式如式2：

式2內(nèi)，為結(jié)構(gòu)算子，因流場會受結(jié)構(gòu)運動的影響而改變流程對于結(jié)構(gòu)的作用力，故式1為求解難度較大非常線性體系，將式1右側(cè)進行分解，即：

式3內(nèi)，為非線性項，是與運動相關的流體力，僅同流體運動有關，為流體激振力，在本次試驗中，銜鐵部件試驗中為靜置狀態(tài)，自身無機械運動產(chǎn)生振動，故忽略式3內(nèi)的非線性項，僅對流體激振力開展分析，對使用CFD計算流場壓力獲取，CFD基本思想是使用有限個離散點上的變量值集合代替，基于一定的方式與原則建立變量間的流體關系方程組，隨后對方程組進行求解獲取變量近似值。本次研究使用CFD——Flunet軟件包下的Gambit開展網(wǎng)絡劃分，隨后將完成劃分的網(wǎng)格導入Fluent求解器進行求解。首先，將液壓放大器模型抽取稱為Gambit模型與Fluent模型，進行Gambit網(wǎng)格劃分[3]，液壓放大器劃分前后對比。

網(wǎng)格劃分后，網(wǎng)格數(shù)量共計2 401 944個，將網(wǎng)格導入luent計算，并開展如下設定工作，流體介質(zhì)按12號航空液壓油屬性進行參數(shù)設定，黏度設為0.0102kg/m·s，密度設置850kg/m?，牛頓流體，基于雷諾方程獲取流體的Re流態(tài)為串流，F(xiàn)luent模型選擇模型，選擇有限體積法下的SIMPLE計算方式進行離散方程組求解，獲取模型壓力流線圖、壓力流線放大圖、局部壓力云圖等，如圖2所示。

觀察圖2A壓力流線，可發(fā)現(xiàn)在偏轉(zhuǎn)板入射口部位，流線存在突變現(xiàn)象，觀察圖2B局部放大可發(fā)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)板入射口部位疑似有負壓區(qū)域存在，隨后觀察圖2C、圖2D局部壓力云圖，可發(fā)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)板入射口部位有一條狹長形狀的負壓區(qū)域，pascal值高達[-10 682 262，-9 099 011]，圖2E和2F為速度矢量。

在溫度恒定基礎上，液體的高速流動會將其絕對壓力降低，在壓力<液體飽和蒸汽壓p階段，液體內(nèi)會產(chǎn)生大量氣穴（蒸汽泡），在氣穴產(chǎn)生的這一過程下，液體的流通特性會變壞出現(xiàn)流量不穩(wěn)，這是造成銜鐵部件振動、嘯叫的主要因素，特別是下游相對高壓區(qū)，一旦進入含氣泡的液體，氣泡受高壓作用快速破滅，就會產(chǎn)生極高的溫度與壓力沖擊，基于CFD計算出的結(jié)果圖可以發(fā)現(xiàn)，偏轉(zhuǎn)板孔口的局部速度較大，同時偏轉(zhuǎn)班板部位出現(xiàn)了負壓區(qū)域，此刻必然產(chǎn)生氣穴造成孔口液流嘯叫，且該區(qū)域產(chǎn)生的局部壓力沖擊會持續(xù)作用于偏轉(zhuǎn)板，偏轉(zhuǎn)板就會造成受迫振動，而其彈性擾動的彈簧管剛度較小且彈性模量很低，所以就會帶動整個銜鐵高頻振動，油路流場因振動被重新分布，形成流體流動——偏轉(zhuǎn)板——射流片三者流固耦合關系，加劇流體壓力的脈動，銜鐵部件振動加劇，綜上分析，試驗中聽到的銜鐵嘯叫，源自于液流流經(jīng)偏轉(zhuǎn)板孔口產(chǎn)生液流嘯叫，結(jié)合銜鐵部件高品振動帶動空氣振動而產(chǎn)生的綜合嘯叫，且銜鐵帶動空氣振動是主要嘯叫源頭。

3 結(jié)語

伺服閥嘯叫不僅影響飛機液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時伴隨著飛機剎車系統(tǒng)癱瘓風險，本次以CFD為基礎技術，通過伺服閥銜鐵部件實體試驗的形式，基于一系列試驗參數(shù)的設置，重現(xiàn)銜鐵部件嘯叫，分析嘯叫產(chǎn)生的原因，隨后利用CFD技術，基于模型計算獲取伺服閥銜鐵嘯叫的極力，在銜鐵嘯叫機理分析基礎上，嘗改造偏轉(zhuǎn)板，改造后再次進行CFD計算與實際操作實驗，計算結(jié)果下的速度矢量圖、壓力云圖、壓力流線圖以及與實體實驗結(jié)果均表明改造偏轉(zhuǎn)板狀態(tài)，可以解決伺服閥嘯叫問題。

參考文獻：

[1]陳元章.基于CFD的電液伺服閥銜鐵部件嘯叫研究[J].液壓氣動與密封，2012，32（09）：9-12.

[2]彭敬輝.伺服閥銜鐵部件的自激振動特性及磁流體的抑振研究[D].2016.

[3]李松晶，彭敬輝，張亮.伺服閥力矩馬達銜鐵部件的振動特性分析[J].蘭州理工大學學報，2010，36（03）：38-41.