基于FLUENT的電液射流偏轉(zhuǎn)板伺服閥仿真

馬銳軍

（1：北京中冶設(shè)備研究設(shè)計(jì)總院有限公司 北京 100029；2：中冶金屬板帶表面處理工程技術(shù)中心 北京 100029；3：中冶長(zhǎng)材軋鋼工程技術(shù)中心 北京 100029）

1 前言

近年來(lái)，電液伺服系統(tǒng)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用到生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域。而電液伺服閥作為電液伺服系統(tǒng)中將電控信號(hào)轉(zhuǎn)換成液壓功率的關(guān)鍵元件，直接決定了電液伺服系統(tǒng)的性能。電液射流偏轉(zhuǎn)板伺服閥作為一種新型伺服閥，通過(guò)移動(dòng)偏轉(zhuǎn)板來(lái)改變兩接收口的流量，使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，具有抗污染能力高、失效對(duì)中的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還提高了動(dòng)態(tài)特性，使頻率特性達(dá)到上百赫茲，應(yīng)用范圍十分廣闊。但目前電液射流偏轉(zhuǎn)板伺服閥的核心成熟技術(shù)基本由美國(guó)Moog公司掌握，國(guó)內(nèi)在這方面尚無(wú)十分成熟完善的產(chǎn)品，對(duì)該伺服閥的工作特性和機(jī)理也沒(méi)有深入的研究。對(duì)該閥進(jìn)行系統(tǒng)的分析和研究對(duì)我國(guó)高端伺服閥領(lǐng)域不受制于人有著重要意義。

2 電液射流偏轉(zhuǎn)板伺服閥的基本工作原理

電液射流偏轉(zhuǎn)板伺服閥工作原理圖如圖1所示，當(dāng)輸入控制電流時(shí)，銜鐵在電磁場(chǎng)作用下旋轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)偏轉(zhuǎn)板向左或向右移動(dòng)，兩接收口內(nèi)流量不同引起壓力差ΔP，此時(shí)壓差ΔP推動(dòng)閥芯向左或向右運(yùn)動(dòng)。閥的輸出流量與控制電流成正比。

圖1 伺服閥結(jié)構(gòu)原理圖

其中射流片部分是整個(gè)伺服閥最關(guān)鍵的部位。如圖2所示，高壓油液從閥體中的管道以及下壓塊流向射流片，從射流口射出，經(jīng)過(guò)偏轉(zhuǎn)板中部V型槽的導(dǎo)向作用分別流向左右兩個(gè)接收口。兩個(gè)接收口分別連接閥體內(nèi)部閥芯的兩端，當(dāng)偏轉(zhuǎn)板處于中位時(shí)，高壓油液平均流向兩個(gè)接收口，其在閥芯兩端產(chǎn)生的壓力相等，伺服閥不工作。當(dāng)伺服閥得到一個(gè)工作信號(hào)，則偏轉(zhuǎn)板向左或向右移動(dòng)一個(gè)微小的位移，導(dǎo)致流入左右兩個(gè)接收口的油液不等，于是在閥芯的兩端產(chǎn)生一個(gè)壓力差帶動(dòng)閥芯工作。具體油道如圖3所示，油液在進(jìn)入射流片時(shí)流動(dòng)方向變化了90°，在高壓高速狀態(tài)下易造成流動(dòng)馬赫數(shù)提高，故在后續(xù)的計(jì)算中采用湍流模型。

圖2 射流部分三維模型

圖3 射流部分流域模型

參照在制造過(guò)程中產(chǎn)生的問(wèn)題，主要將基于以下幾個(gè)方面的分析計(jì)算：偏轉(zhuǎn)板受力，不同射流片厚度、接收口間距以及射流道長(zhǎng)度和寬度對(duì)靜態(tài)特性的影響以及流體的時(shí)間動(dòng)態(tài)脈動(dòng)等。

3 伺服閥內(nèi)部流域的建模

為了得到射流偏轉(zhuǎn)板伺服閥的各項(xiàng)工作特性，需要對(duì)伺服閥進(jìn)行流場(chǎng)仿真。這就需要在伺服閥模型的基礎(chǔ)上建立一個(gè)流域的模型，也就是閥體內(nèi)部空腔的模型。流域模型的搭建利用了SolidWorks軟件，各部分的尺寸均以Moog公司伺服閥零件尺寸為藍(lán)本，具體如圖4所示

圖4 伺服閥流域模型

從圖上可以看到，在整個(gè)閥的內(nèi)部流域中，閥芯兩端部分的尺寸最大，直徑可以達(dá)到3mm～4mm，而射流片的射流口通道部分的尺寸僅有0.1mm～0.2mm，兩個(gè)尺寸的差距達(dá)到了20多倍，在后續(xù)的網(wǎng)格劃分中會(huì)導(dǎo)致不同部分的網(wǎng)格尺寸差異較大。為了保證后續(xù)網(wǎng)格劃分和迭代計(jì)算的精度，一般整個(gè)模型中網(wǎng)格的最小尺寸為模型最小尺寸的十到二十分之一，即0.01mm左右。若以該尺寸為整個(gè)模型劃分網(wǎng)格的話，則整個(gè)模型的網(wǎng)格數(shù)將會(huì)達(dá)到一個(gè)天文數(shù)字，以現(xiàn)有的計(jì)算水平來(lái)看計(jì)算時(shí)間將十分長(zhǎng)，不符合時(shí)間及效率的要求，所以必須在模型的不同部分應(yīng)用不同尺寸的網(wǎng)格，以減少模型的尺寸以及后續(xù)的計(jì)算量。為了方便不同部分尺寸的劃分，故將流域模型分割成多個(gè)實(shí)體，不同實(shí)體分別以不同的尺寸劃分網(wǎng)格。

三維網(wǎng)格在計(jì)算工作特性時(shí)能夠得到較為真實(shí)的數(shù)據(jù)，也能夠?qū)λ欧y的閥內(nèi)狀態(tài)進(jìn)行立體全面的觀察，但相對(duì)二維模型（如圖5）來(lái)說(shuō)計(jì)算量要大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。在進(jìn)行接收口間距、射流道長(zhǎng)度和寬度這些與三維關(guān)系不大的參數(shù)對(duì)伺服閥工作特性影響的仿真分析時(shí)，使用二維模型能夠減少極大的計(jì)算量，并且在設(shè)定不同參數(shù)時(shí)，能夠很快地完成，后續(xù)的網(wǎng)格劃分工作也簡(jiǎn)便很多，而三維模型則相對(duì)復(fù)雜麻煩很多而且容易出錯(cuò)。雖然二維模型沒(méi)有三維模型的結(jié)果精確，但在對(duì)結(jié)果的定量要求不高情況下能夠較好地得到參數(shù)對(duì)特性的定性影響，即某個(gè)參數(shù)的變化對(duì)于工作特性的影響趨勢(shì)，這對(duì)于實(shí)際的生產(chǎn)研發(fā)已能夠起到一定的指導(dǎo)作用。

圖5 射流部分二維模型

4 Fluent建模

為了讓建立的模型能夠進(jìn)行后續(xù)的流場(chǎng)計(jì)算，必須先對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格的劃分需要遵循幾個(gè)基礎(chǔ)原則，首先要保證網(wǎng)格質(zhì)量。保證網(wǎng)格質(zhì)量主要是靠保證關(guān)鍵部位的網(wǎng)格尺寸必須足夠小，有足夠的分辨率，另外選擇合適的網(wǎng)格類型也能夠提高網(wǎng)格的質(zhì)量。除了網(wǎng)格質(zhì)量，其次要注意的是網(wǎng)格的數(shù)量，雖然網(wǎng)格尺寸越小最后能得到的結(jié)果越精確，但是也要掌握度，尺寸過(guò)小反而會(huì)使網(wǎng)格單元的數(shù)量大大增加而獲得精度不成比例。在網(wǎng)格尺寸小到一定程度后，再縮小尺寸對(duì)結(jié)果的影響十分小，但這樣做卻會(huì)成倍成十倍地增加計(jì)算量，最后得不償失。按照經(jīng)驗(yàn)和嘗試的結(jié)果來(lái)看，網(wǎng)格最佳的最小尺寸是模型最小尺寸十至十五分之一左右。而在非關(guān)鍵部位，網(wǎng)格的尺寸設(shè)置為模型尺寸的五分之一左右都不會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生太大的影響。根據(jù)這幾個(gè)基礎(chǔ)原則，最后劃分完畢的網(wǎng)格如圖6所示。

圖6 劃分網(wǎng)格后合并的模型實(shí)體

在開(kāi)始進(jìn)行迭代計(jì)算以后，如果設(shè)置了顯示殘差，則會(huì)在計(jì)算的過(guò)程中同步顯示計(jì)算的殘差值，如圖7所示當(dāng)殘差縮小達(dá)到預(yù)設(shè)的值或計(jì)算達(dá)到了預(yù)設(shè)的步數(shù)則計(jì)算完畢。殘差的變化趨勢(shì)一般穩(wěn)步下降，但在網(wǎng)格單元數(shù)目比較大的時(shí)候常出現(xiàn)波動(dòng)，需要設(shè)置比較多的計(jì)算步數(shù)直到波動(dòng)消失殘差穩(wěn)定。殘差穩(wěn)定后，即代表本次的求解計(jì)算完畢，此時(shí)及時(shí)保存數(shù)據(jù)結(jié)果。

圖7 迭代計(jì)算中的殘差

在求解結(jié)果收斂后，可以通過(guò)Fluent求解器自帶的后處理功能觀察模型中的壓力分布、速度分布、速度矢量等參數(shù)的等高線分布情況。通過(guò)菜單欄中的Display→Contours可以設(shè)置要觀察的面和參數(shù)。在三維模型中，為了觀察模型內(nèi)部某個(gè)面的流場(chǎng)情況，需要先通過(guò)菜單欄中的Surface→Plane設(shè)置新的平面。需要通過(guò)設(shè)定三個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)確定一個(gè)平面，設(shè)置完平面后即可在Contours中的Surfaces里選取。顯示出來(lái)的流場(chǎng)內(nèi)部情況如圖8所示，這是二維模型中流場(chǎng)內(nèi)部的壓力分布。Fluent自帶的求解器能夠直觀地顯示壓力分布、速度分布等情況，但從圖上并得不到精確的數(shù)據(jù)，得到定量的數(shù)據(jù)需要其他的方法。

圖8 流場(chǎng)二維壓力分布

5 仿真數(shù)據(jù)處理

射流道長(zhǎng)度與偏轉(zhuǎn)板位移方向在一個(gè)平面上，故采用二維模型即可得到工作曲線。按照射流道長(zhǎng)度0.4mm、0.9mm、1.4mm分別修改二維模型，網(wǎng)格劃分如圖9所示，在每個(gè)模型調(diào)整偏轉(zhuǎn)板的位移，一組共20個(gè)模型，最后得到三組伺服閥工作壓力關(guān)于偏轉(zhuǎn)板位移的工作曲線，如圖10所示。從射流閥的工作曲線可以看出，在偏轉(zhuǎn)板位移為0mm～0.05mm區(qū)間時(shí)，伺服閥工作壓力與偏轉(zhuǎn)板位移大致呈線性關(guān)系，斜率約為100MPa／mm～140MPa／mm。同時(shí)射流道長(zhǎng)度越短，斜率越低，即在同等偏轉(zhuǎn)板位移的情況下，射流道較短的伺服閥能夠獲得比較大的工作壓力。

圖9 不同射流道長(zhǎng)度的二維網(wǎng)格

圖10 不同射流道長(zhǎng)度的工作曲線

與射流道長(zhǎng)度的仿真類似，設(shè)立三組射流道寬度分別為0.1mm、0.15mm、0.20mm的二維網(wǎng)格，如圖11所示。每組網(wǎng)格包含20個(gè)不同偏轉(zhuǎn)板位移的模型，分別進(jìn)行仿真后得到的工作曲線如圖12所示。

圖11 不同射流道寬度的二維模型

圖12 不同射流道寬度的工作曲線

從射流閥的工作曲線可以看出，在偏轉(zhuǎn)板位移為0mm～0.05mm區(qū)間時(shí)，伺服閥工作壓力與偏轉(zhuǎn)板位移大致呈線性關(guān)系，斜率約為120MPa／mm。射流道寬度為0.1mm的工作曲線的線性區(qū)間相對(duì)較窄，在偏轉(zhuǎn)板位移為0.02mm時(shí)即開(kāi)始變緩，而射流道寬度為0.2mm時(shí)的工作曲線則穩(wěn)定性和線性都比較好。

與射流道長(zhǎng)度的仿真類似，設(shè)立三組接收口間距分別為0.02mm、0.06mm、0.10mm的二維網(wǎng)格，如圖13所示。每組網(wǎng)格包含20個(gè)不同偏轉(zhuǎn)板位移的模型，分別進(jìn)行仿真后得到的工作曲線如圖14所示。從圖中可以看到，不同接收口間距的工作壓力—偏轉(zhuǎn)板位移曲線基本一致，但是在不同接收口寬度的工作曲線中，兩接收口起始的壓力差別較大。接收口間距越小，則當(dāng)偏轉(zhuǎn)板處于中位的時(shí)候兩接收口的壓力越大。同時(shí)可以看出接收口間距越小則工作曲線越不穩(wěn)定，為伺服閥設(shè)置比較大的接收口間距有利于得到較好的工作特性。

圖13 不同接收口間距的二維模型

圖14 不同接收口間距時(shí)的工作曲線

射流片的厚度與射流片流域的平移運(yùn)動(dòng)不處在同一維度，故采用三維模型進(jìn)行計(jì)算，使用的三維模型為優(yōu)化過(guò)后的局部模型。其中射流片的厚度分別設(shè)置為0.4mm和0.2mm，并且使用滑移網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，如圖15所示。分別進(jìn)行仿真后得到的工作曲線如圖16所示。從圖上可以看到射流片厚度越大，則偏轉(zhuǎn)板位于中位時(shí)兩接收口的壓力越大。同時(shí)，同等偏轉(zhuǎn)板位移時(shí)，射流片厚度大的模型能夠輸出的工作壓力要比射流片厚度小的模型大，適當(dāng)增加射流片厚度能夠提高伺服閥的增益。

圖15 不同射流片厚度的三維模型

圖16 不同射流片厚度時(shí)的工作曲線

上述數(shù)據(jù)說(shuō)明了射流偏轉(zhuǎn)板伺服閥在各個(gè)不同參數(shù)下的工作特性，但圖像更能直觀地體現(xiàn)問(wèn)題，圖17所示是伺服閥在偏轉(zhuǎn)板位移0.05mm時(shí)內(nèi)部流域X-Y平面的壓力分布和速度分布情況。

圖17 X-Y平面的壓力分布和速度分布

從圖上可以看出壓力為18MPa的高壓油液從入口進(jìn)入，經(jīng)過(guò)射流道時(shí)速度增至最大，可達(dá)到120m／s，同時(shí)壓力大幅下降至3MPa～4MPa。在經(jīng)過(guò)V型槽時(shí)油液流動(dòng)受到約束，壓力提高，穿過(guò)V型槽后壓力下降。上述現(xiàn)象符合能量守恒原理，油液的壓力和速度成反比。油液到達(dá)接收口后受阻，分為兩股向兩面流去，最后進(jìn)入回流，而接收口后的壓力顯著提高，兩接收口的壓力差即為工作壓力作用于閥芯兩端。油液越偏向于一邊的接收口，則該接收口后接受的動(dòng)壓越大，即油液流向變化改變的動(dòng)量轉(zhuǎn)換為接收口后的壓力。

結(jié)合各參數(shù)的影響可以發(fā)現(xiàn)，接收口能夠得到的最大工作壓力和射流道的截面積成正比。射流道截面積越大，則油液通過(guò)射流道的壓降就越 小，能夠保持較大的能量到達(dá)接收口部分。

6 結(jié)論

通過(guò)Fluent流場(chǎng)仿真軟件，基于Moog公司伺服閥零件模型完成了電液射流偏轉(zhuǎn)板伺服閥的多個(gè)流域模型的建模和網(wǎng)格劃分工作，并利用Fluent求解器迭代計(jì)算出模型在各個(gè)不同參數(shù)的情況下內(nèi)部的壓力分布和速度分布等物理量。通過(guò)分析計(jì)算結(jié)果得到了伺服閥射流道長(zhǎng)度與寬度、射流片厚度、接收口間距等多個(gè)參數(shù)對(duì)伺服閥工作特性的影響趨勢(shì)，同時(shí)分析說(shuō)明了伺服閥流域內(nèi)的工作狀況。這些數(shù)據(jù)能對(duì)實(shí)際樣品的研發(fā)能起到一定的借鑒和指導(dǎo)作用。