偏转板伺服阀前置级压力特性数值模拟分析

2020-06-17 02:13黄锡海傅连东
武汉科技大学学报 2020年3期
关键词:圆角油液端面

黄锡海,傅连东

(1.武汉科技大学机械自动化学院,湖北 武汉,430081;2.武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室,湖北 武汉,430081)

由于电液伺服阀是电液伺服阀控制系统中的关键元件,它的性能对整个系统的控制精度、可靠度和响应速度均有较大影响,因此受到研究人员的广泛关注。刘增光等[1]研究了偏转板伺服阀不同喷嘴宽度与V形导流槽下端喷口宽度的比值对前置级射流效率的影响,得到喷嘴宽度与V形导流槽下端喷口宽度近似相等时,前置级射流流量效率最大;刘文可等[2]研究了偏转板伺服阀劈尖高度变化、劈尖宽度和高度同时变化对前置级静态特性的影响;董娜娜等[3]通过研究偏转板伺服阀V形槽的位置对前置级液流特性的影响,得出偏转板横向偏移应在零位附近,偏转板安装应避免偏向接收孔一侧;訚耀保等[4]通过研究偏转板伺服阀入口压力、出口压力和接收器管路夹角对前置级流场特性的影响,发现了前置级产生气穴的原因,并提出了降低入口压力和提高偏转板下端面圆角的精度等改善气穴现象的办法;冀宏等[5]研究了多种前置级结构参数与前置级冲蚀磨损的关系;康硕等[6]提出并合理性验证基于附壁射流理论的前置级流场模型,确定了影响前置级压力增益的关键结构参数;胡建军等[7]利用数值手段,得出不同伺服阀流量下前置级结构参数最合适的匹配范围;蒋大伟等[8]研究了偏转板伺服阀不同劈尖宽度、喷嘴宽度、偏转板V形槽角度与左右接收孔恢复压力以及压差的关系,得到了最佳劈尖宽度、喷嘴宽度、偏转板V形槽角度。目前对改变前置级接收孔处圆角大小、偏转板厚度及偏转板位置对偏转板伺服阀前置级压力特性影响的研究较少。为此,本文利用SolidWorks软件建立偏转板伺服阀前置级流场模型,运用ICEM和Fluent软件计算分析前置级接收孔处圆角大小、偏转板厚度以及偏转板位置对偏转板伺服阀前置级压力特性的影响,以期为偏转板伺服阀前置级结构参数的优化提供参考。

1 偏转板伺服阀前置级的结构和工作原理

偏转板伺服阀前置级结构示意图如图1所示。从图1中可以看出,偏转板伺服阀前置级由偏转板和射流盘组成,其中射流盘的上部有油液入口、下部有两个结构对称的左、右接收孔,左右两边设有油液出口,偏转板中部开有一定角度(θ2)的V形导流槽。偏转板伺服阀前置级的工作原理为:初始状态偏转板处于中位,高速高压的液压油从油液入口进入射流盘的内部流道,液压油经过偏转板后,一小部分从偏转板与射流盘所形成的间隙中流到油液出口,大部分均等地流入左、右接收孔,此时左、右接收孔的恢复压力相等,偏转板伺服阀的滑阀所受到的合力为零;当偏转板向左或向右偏移一定距离时,偏转板偏移方向上接收孔的恢复压力升高,而另一个接收孔的恢复压力下降,左、右接收孔恢复压力不等,此时,偏转板射流阀控制伺服阀的功率级滑阀运动[1]。

Fig.1 Schematic diagram of pre-stage structure of deflector servo valve

2 偏转板伺服阀前置级建模

偏转板伺服阀前置级主要结构参数为:接收孔处圆角半径R=0.10 mm,喷嘴锥角θ1=41°,偏转板V形导流槽夹角θ2=37°,左右接收孔的内侧夹角θ3=38°,左右接收孔的外侧夹角θ4=68°,喷嘴宽度L1=0.155 mm,V形导流槽下端喷口宽度L2=0.155 mm,劈尖宽度L3=0.100 mm,左、右接收孔两圆角圆心距离L4=1.08 mm,偏转板上端面到喷嘴端面的距离d1=0.20 mm,偏转板厚度d2=0.51 mm,偏转板下端面到接收孔端面的距离d3=0.20 mm。

根据前置级的主要结构参数,利用SolidWorks软件对偏转板伺服阀前置级流场进行三维建模,如图2所示。

图2 偏转板伺服阀前置级流场三维模型

Fig.2 3D model of flow field in the pre-stage of deflector servo valve

3 网格划分及计算条件设置

将偏转板伺服阀前置级流场的三维几何模型保存为Parasolid格式,并导入到ICEM软件进行网格划分,为了进一步提高模型在Fluent软件中的计算速度,采用结构化六面体网格对模型进行划分,网格间距设为0.024,前置级模型的网格数约为一百万个。在Fluent软件中打开已划分好网格的模型,在进行求解和后处理前,需对各边界条件进行设置。由于油液在前置级内部的流道内处于高速与高压状态,内部流动十分复杂,因此采用RNGk-ε湍流模型进行计算,利用标准壁面条件对壁面边界进行处理,将压力油入口边界条件设为压力入口,并将压力值设为21.0 MPa,将压力油出口边界条件设为压力出口,并将压力值设为0.3 MPa,油液的密度为850 kg/m3,油液的动力黏度为0.031 Pa·s,为保证精度,在前置级左右接收孔的底面设立监测面,对左右接收孔内的压力进行监测,当各项残差的数值低于10-7且残差曲线趋向于稳定时,则可认为计算的结果收敛。

4 仿真结果分析

4.1 网格无关性验证

由于网格数量会对前置级模型的计算精度产生一定的影响,因此对偏转板伺服阀前置级模型的网格无关性进行验证。取偏转板伺服阀前置级模型的网格数分别为984 120、1 003 110、1 013 064、1 028 732、1 055 900 个,不同网格数下前置级左接收孔压力恢复曲线如图3所示。从图3中可以看出,在不同的网格数下,前置级左接收孔的恢复压力相差不大,满足网格无关性要求。

图3 不同网格数下左接收孔压力恢复曲线

Fig.3 Pressure recovery curve of left receiving hole of pre-stage with different grid numbers

4.2 接收孔处圆角的大小对前置级压力特性的影响

前置级左右接收孔处圆角大小变化示意图如图4所示, 圆角的大小变化通过改变其半径进行调节,分别取圆角半径(R)为0.05、0.10、0.15、0.20 mm。接收孔处圆角大小对前置级压力特性的影响如图5所示。从图5中可以看出,前置级左接收孔压力恢复曲线和左右接收孔的压力差曲线基本呈线性,随着偏转板向左偏移量的增加,左接收孔的恢复压力和左右接收孔的压力差不断增大;随着接收孔处圆角半径的减小,左接收孔的恢复压力和左右接收孔的压力差不断增加,其中当R=0.05 mm时,左接收孔压力恢复曲线和左右接收孔的压力差曲线的线性度最好,且斜率最大,表明此时偏转板伺服阀的灵敏度最高,这是因为,在两接收孔的油液分配存在一定比例的前提下,改变接收孔处圆角大小,即改变接收孔处油液入口面积,接收孔处圆角越小,则接收孔处油液入口面积越小,油液进入接收孔的速度就越大,即油液的动能越大,最终油液的动能转换为油液的压力能相应增多,导致左右接收孔的压差增大[4]。

图4 接收孔处圆角大小变化示意图

Fig.4 Schematic diagram of fillet change at the receiving hole

(a)左接收孔恢复压力曲线

(b)左右接收孔压力差曲线

Fig.5 Effect of the fillet size at the receiving hole on the pressure characteristics of pre-stage

4.3 偏转板的厚度对前置级压力特性的影响

偏转板厚度变化示意图如图6所示,其厚度(h)分别为0.71、0.61、0.51、0.41 mm。偏转板厚度对前置级压力特性的影响如图7所示。从图7(a)中可以看出,左接收孔压力恢复曲线均呈线性,当偏转板厚度为0.71 mm时,接收孔的恢复压力最高,且其压力恢复曲线的线性度较好,这是因为,在两接收孔的油液分配存在一定比例的前提下,增大偏转板的厚度,即减小偏转板上端面到喷嘴端面的距离与偏转板下端面到接收孔端面的距离,增加V形导流槽的长度,从而减少从偏转板喷射到接收孔处圆角附近壁面的油液,使更多油液进入到接收孔中,导致接收孔的恢复压力增大。从图7(b)中可以看出,随着偏转板向左偏移量的增加,左右接收孔的压差值逐渐变大,当偏转板厚度为0.41 mm时,前置级的压力差曲线的线性度最好,优于偏转板厚度为0.71 mm时前置级的压力差曲线线性度,且斜率最大,表明偏转板厚度为0.41 mm时,偏转板伺服阀工作时的灵敏度最高,偏转板厚度为0.71 mm时,偏转板伺服阀工作时的灵敏度有所下降,由此表明,虽然增加偏转板厚度有利于提高偏转板伺服阀前置级接收孔的恢复压力,但会降低伺服阀的灵敏度,因此偏转板厚度不宜增加太多。

图6 偏转板厚度变化示意图

(a)左接收孔恢复压力曲线

(b)左右接收孔压力差曲线

Fig.7 Effect of deflector thickness on the pressure characteristics of pre-stage

4.4 偏转板位置对前置级压力特性的影响

偏转板向左上偏转一定角度(β)示意图如图8所示,分别取β为0°、0.2°、0.4°、0.6°。偏转板向左上偏转不同角度对前置级压力特性的影响如图9所示。从图9中可以看出,随着偏转板向左上偏转角度的增大,左接收孔的恢复压力逐渐增大, 左右接收孔的压力差也越来越大,这是因为,偏转板向左上偏转的角度越大,越多的油液进入左接收孔,进入到右接收孔的油液越少,导致左右接收孔的压力差增大。从图9(a)中可以看出,前置级左接收孔的四条恢复压力曲线基本呈线性,但当β为0.6°时,左接收孔恢复压力曲线的线性度最差,当β为0.4°时,左接收孔恢复压力曲线的线性度最好。从图9(b)中可以看出,左右接收孔的压力差曲线的斜率随着偏转板向左上偏转角度的增加而逐渐减小,其中偏转板位于中位时,压力差曲线的线性度最好,由此表明,偏转板向左上偏转一定角度时,左右接收孔存在压力差,导致作用于偏转板伺服阀滑阀的合力不为零,不利于阀芯运动的控制。

图8 偏转板向左上偏转一定角度示意图

Fig.8 Schematic diagram of deflector deflecting to the upper left at a certain angle

(a)左接收孔恢复压力曲线

(b)左右接收孔压力差曲线

图9 偏转板向左上偏转不同角度对前置级压力特性的影响

Fig.9 Effect of deflector deflecting to the upper left at different angles on the pressure characteristics of pre-stage

5 结论

(1)适当减小偏转板伺服阀前置级接收孔处圆角半径,有利于提高偏转板伺服阀的灵敏度,当接收孔处圆角半径为0.05 mm时,前置级恢复压力曲线和压力差曲线的线性度最好,且斜率最大,偏转板伺服阀的灵敏度最高。

(2)增加偏转板厚度有利于提高偏转板伺服阀前置级接收孔的恢复压力,但会降低偏转板伺服阀的灵敏度。

(3)偏转板向左上偏转一定角度时,将导致更多油液进入左接收孔,使前置级左右接收孔产生压力差,会导致作用于滑阀的合力不为零,不利于阀芯运动的控制。

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