CFD下的伺服阀衔铁部件啸叫研究

孟少杰 葛鹏翼

摘 要：本文对伺服阀衔铁部件啸叫问题开展研究，在分析伺服阀工作原理、介绍啸叫问题基础上，开展伺服阀啸叫试验，通过试验结果分析衔铁部件啸叫的现象，并以CFD——Fluent软件包内的Gambit进行模型网格划分，将网格导入软件，运用有限体积法下的SIMPLE算法开展离散方程求解，利用获得的压力流线、压力云图等内容分析啸叫的机理，最后提出解决啸叫问题的改造策略，并利用试验证明改造策略的可行性。

关键词：伺服阀;衔铁部件;啸叫;高频振动

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

飞机液压系统下的伺服阀，直接关联着飞机的刹车功能，作为液压系统常见故障，伺服阀衔铁啸叫，会严重影伺服阀性能与可靠性，严重情况下衔铁的高频振动会造成弹簧管破裂油液外漏，带来飞机刹车系统瘫痪的隐患，故开展伺服阀衔铁啸叫问题研究，对于飞机安全运行保障至关重要。

1 伺服阀工作原理与啸叫问题介绍

1.1 伺服阀工作原理

压力伺服阀结构原理图如图1：

压力伺服阀，主要应用于飞机的刹车液压系统，如图1，压力伺服阀的结构包括喷嘴挡板、永磁动铁力矩马达、滑阀放大级等部件，压力伺服阀工作原理主要包括两大工况：

（1）伺服阀输入控制电流=0的情况下，伺服阀的左喷嘴墙压力相比右侧喷嘴压力较小，滑阀此刻处于左极限位置，回油口开启后，敷在压力等于回油的压力;

（2）在输入控制电流持续增加的工况下，挡板会向左侧偏转运动，左侧喷嘴腔的压力上升，滑阀此刻向右侧移动，回油边关闭，此刻进油边逐渐呈现开启状态，有压力经过接流寇向负载强输出压力，此刻敷在压力作用至阀芯反馈断面，在阀芯外力逐渐达到平衡状态期间，滑阀停止运行，同时输出负载和输入电流信号关系为正比，在该过程下，敷在压力作为负反馈变量从而形成闭环控制输出压力[1]。

1.2 伺服阀啸叫问题介绍

伺服阀啸叫，始终是国内外航空领域难以攻克、解决的技术难关，据有关资料统计，我国飞机系统故障中，超过30%为液压系统故障，而电液伺服阀当属液压系统中最容易发生故障的部件，当飞机飞行期间，发动机、刹车系统、导弹飞控系统都处于工作状态，一旦伺服阀出现高频啸叫，就会严重影响伺服阀的性能，伺服阀啸叫阶段，力矩马达下的衔铁部件进入高频自激正当状态，谐振频率最高可达上千赫兹，同时会伴随尖利刺耳的响声，严重情况下，衔铁部件的巨大振动幅值会造成弹框开裂，伺服阀遭到破坏、油液露出，此刻伺服阀的输出压力将处于失控状态，飞机刹车系统就会进入瘫痪状态。

2 基于CFD的伺服阀衔铁啸叫研究

2.1 实验部分

准备1现衔铁组建，将其安装于试验夹具上进行剖面，流体从部件射流片的入射口进入衔铁部件，基于偏转板中间的缝隙进入到射流片接收口部位，制备实验工作也——12号航空液压油，在试验阶段逐渐提升进油压力，当压力提升至21MPa，发现衔铁部件进入高频自激振动，发出刺耳啸叫，用手遏制振动，一定程度降低啸叫，但仍然无法彻底消除。在实验台卸下第一个实验件，更换第二个衔铁部件，先后共计进行3个衔铁部件试验，均在油压提升至20～25MPa范围内产生高频自激振荡伴随啸叫。

2.2 CFD模拟求解

基于上述试验部分，证明衔铁部件在流态作用下会产生高频自激振动伴随啸叫，该问题隶属于典型流致振动[2]，可由如下方程式表达：

式1中：表示相应矢量，为空间变量、时间变量，代表时间变量、空间变量线性微分算子，而则为求解流畅方程得出的激励矢量，在动力学与有限元中表达形式如式2：

式2内，为结构算子，因流场会受结构运动的影响而改变流程对于结构的作用力，故式1为求解难度较大非常线性体系，将式1右侧进行分解，即：

式3内，为非线性项，是与运动相关的流体力，仅同流体运动有关，为流体激振力，在本次试验中，衔铁部件试验中为静置状态，自身无机械运动产生振动，故忽略式3内的非线性项，仅对流体激振力开展分析，对使用CFD计算流场压力获取，CFD基本思想是使用有限个离散点上的变量值集合代替，基于一定的方式与原则建立变量间的流体关系方程组，随后对方程组进行求解获取变量近似值。本次研究使用CFD——Flunet软件包下的Gambit开展网络划分，随后将完成划分的网格导入Fluent求解器进行求解。首先，将液压放大器模型抽取称为Gambit模型与Fluent模型，进行Gambit网格划分[3]，液压放大器划分前后对比。

网格划分后，网格数量共计2 401 944个，将网格导入luent计算，并开展如下设定工作，流体介质按12号航空液压油属性进行参数设定，黏度设为0.0102kg/m·s，密度设置850kg/m?，牛顿流体，基于雷诺方程获取流体的Re流态为串流，Fluent模型选择模型，选择有限体积法下的SIMPLE计算方式进行离散方程组求解，获取模型压力流线图、压力流线放大图、局部压力云图等，如图2所示。

观察图2A压力流线，可发现在偏转板入射口部位，流线存在突变现象，观察图2B局部放大可发现偏转板入射口部位疑似有负压区域存在，随后观察图2C、图2D局部压力云图，可发现偏转板入射口部位有一条狭长形状的负压区域，pascal值高达[-10 682 262，-9 099 011]，图2E和2F为速度矢量。

在温度恒定基础上，液体的高速流动会将其绝对压力降低，在压力<液体饱和蒸汽压p阶段，液体内会产生大量气穴（蒸汽泡），在气穴产生的这一过程下，液体的流通特性会变坏出现流量不稳，这是造成衔铁部件振动、啸叫的主要因素，特别是下游相对高压区，一旦进入含气泡的液体，气泡受高压作用快速破灭，就会产生极高的温度与压力冲击，基于CFD计算出的结果图可以发现，偏转板孔口的局部速度较大，同时偏转班板部位出现了负压区域，此刻必然产生气穴造成孔口液流啸叫，且该区域产生的局部压力冲击会持续作用于偏转板，偏转板就会造成受迫振动，而其弹性扰动的弹簧管刚度较小且弹性模量很低，所以就会带动整个衔铁高频振动，油路流场因振动被重新分布，形成流体流动——偏转板——射流片三者流固耦合关系，加剧流体压力的脉动，衔铁部件振动加剧，综上分析，试验中听到的衔铁啸叫，源自于液流流经偏转板孔口产生液流啸叫，结合衔铁部件高品振动帶动空气振动而产生的综合啸叫，且衔铁带动空气振动是主要啸叫源头。

3 结语

伺服阀啸叫不仅影响飞机液压系统的稳定性，同时伴随着飞机刹车系统瘫痪风险，本次以CFD为基础技术，通过伺服阀衔铁部件实体试验的形式，基于一系列试验参数的设置，重现衔铁部件啸叫，分析啸叫产生的原因，随后利用CFD技术，基于模型计算获取伺服阀衔铁啸叫的极力，在衔铁啸叫机理分析基础上，尝改造偏转板，改造后再次进行CFD计算与实际操作实验，计算结果下的速度矢量图、压力云图、压力流线图以及与实体实验结果均表明改造偏转板状态，可以解决伺服阀啸叫问题。

参考文献：

[1]陈元章.基于CFD的电液伺服阀衔铁部件啸叫研究[J].液压气动与密封，2012，32（09）：9-12.

[2]彭敬辉.伺服阀衔铁部件的自激振动特性及磁流体的抑振研究[D].2016.

[3]李松晶，彭敬辉，张亮.伺服阀力矩马达衔铁部件的振动特性分析[J].兰州理工大学学报，2010，36（03）：38-41.