偏转板射流伺服阀前置级流场分析

訚耀保，张 鹏，岑 斌

（同济大学 机械与能源工程学院，上海 201804）

偏转板伺服阀采用射流技术，具有静动态性能良好、抗污染、寿命长、稳定可靠的特点，广泛用于各种民用飞机和军用飞机的操纵系统［1］.与射流管伺服阀相比较，偏转板伺服阀的主要优点在于不需要绕性供油管，消除了结构上可能出现的振动，结构简单、工作可靠；射流通过V形通道时，作用在偏转板上的液流力小，可以用较小的力矩马达来控制较大的输出流量［2］.偏转板伺服阀前置级是偏转板伺服阀的关键部件，其加工质量的好坏直接影响到伺服阀的动静态性能.中国航空工业第六一八研究所采用精细电加工方法和组合加工工艺技术加工偏转板伺服阀前置级［3］.本文通过建立偏转板射流伺服阀前置级流场模型，分析入口压力、出口压力以及接受器管路夹角对伺服阀流场特性的影响，探讨伺服阀中的气穴现象以及改善伺服阀气穴现象的方法.

1 偏转板伺服阀前置级工作原理

偏转板伺服阀前置级由偏转板和射流盘两个零件组成.前置放大器盘件固定在上、下端封闭增压室的罩和基座之间，偏转板与反馈杆做成一体置于喷嘴和接收器之间，前置放大器盘件和偏转板装置如图1所示［4］.

系统压力通向前置放大器的喷嘴部分，在喷嘴出口形成自由喷射流.在零位时，它正对着两个接收器的中点.两个接收器在前置放大器中被彼此分离，并分别通向各自的控制输出端.喷嘴与接收器之间的空腔通往回油路.偏转板导向装置从放大器组件的顶端向下延伸到回油压力空腔中，偏转板导向装置实际上是一个跨立在自由喷射流上的一条V形狭缝.偏转板导向装置的横向运动使喷射流指向两个接收器中的这个或另一个.如果喷射流被移动指向一个接收器，此接收器喷射流的压力和流量恢复就增大.同样，相对的另一个接收器的压力和流量恢复就减少［5－6］.

偏转板伺服阀的主要结构参数如图2所示.其具体结构尺寸为：喷嘴直径0.12mm、接收孔直径0.18mm、偏转板厚度0.8mm、喷嘴至偏转板上端的距离0.3mm、偏转板下端至接收孔的距离0.3mm、接收孔夹角30°、尖劈宽度0mm（即两接收孔圆相切），后续流场模型皆以此尺寸参数为建模原型.

图1 偏转板伺服阀前置级工作原理图Fig.1 Principle diagram of the deflector jet servo valve preamplifier

图2 偏转板伺服阀前置级截面图Fig.2 Section of the deflector jet servo valve preamplifier

2 偏转板伺服阀前置级流场模型

2.1 偏转板伺服阀前置级三维模型

液压油通过柔性供油管进入射流管后，通过收缩喷嘴将油液射入偏转板V形槽内，流出V形槽的油液进入接收器的两接收孔内，多余的油液从喷嘴与接收器之间的缝隙流回偏转板伺服阀的回油口［6］.油液分别流过柔性供油管、射流管、喷嘴、偏转板V形槽、接收孔以及后部连接阀芯的流道，其中最复杂的流动区域为喷嘴至接收孔之间的流场.因此，选取收缩喷嘴前段适当距离作为进油口，利用SolidWorks将偏转板伺服阀前置级模型简化为如图3所示的模型.

图3 偏转板伺服阀前置级三维模型Fig.3 Three dimensional model

2.2 网格划分与参数设置

网格生成是数值计算的一项准备工作，在工程数值模拟中，所生成的网格和所采用的算法对数值计算结果的精度及计算过程效率有很大影响.将上面建立的三维模型导入Workbench中进行网格划分，在Workbench中进行网格划分的流程如图4所示.

图4 流道的Workbench网格划分流程Fig.4 Meshing process

喷嘴流道模型以及接收孔流道模型形状比较规则，采用结构化四面体网格，可以减少网格数量、提高计算速度；喷嘴与接收孔之间的流场流动复杂，采用非结构化混合体网格进行局部细化，偏转板伺服阀前置级网格模型如图5所示.

偏转板伺服阀流场流速较高，为高雷诺数湍流运动，采用RNGk－ε湍流模型，利用标准壁面函数模型对壁面边界层进行处理.将进油口设为压力入口边界条件，出油口设置为压力出口边界条件，油液密度850kg·m－3，油液动力黏度0.021 25Pa·s.各项残差收敛精度设为10－7.

图5 偏转板伺服阀前置级网格模型Fig.5 Mesh model

3 流场模型结果分析

3.1 偏转板伺服阀主要参数对其静态特性的影响

完成参数设置，利用Fluent求解器进行计算，读取计算结果中的数据，研究偏转板伺服阀主要结构参数对静态特性的影响，图6所示为一组工作平面压力分布与速度分布图.

3.1.1 进出口压力

通过流场分析，可得出如图6所示的不同条件下的压力与速度分布云图，从图中可得到不同条件下对应的压力值与速度值，由此可绘制阀的特性曲线.偏转板射流伺服阀的进出口压力变化会影响静态特性，假设偏转板进口压力为10，15，20MPa，出口压力为0MPa时，给出喷嘴位移分别为0，±0.01，±0.02，±0.03mm（以向左偏移为正）时的静态特性变化曲线，见图7a，b.图7a中，曲线1，1′为进口压力20 MPa时左、右接收孔的恢复压力；曲线2，2′为口进压力15 MPa时左、右接收孔的恢复压力；曲线3，3′为口进压力10 MPa时左、右接收孔的恢复压力.图7b中，曲线1为口进压力20 MPa时的负载压力；曲线2为口进压力15 MPa时的负载压力；曲线3为口进压力10 MPa时的负载压力.

由图7a可以看出，在出口压力恒定的情况下，进口压力增大，左右接收孔的恢复压力增大；由图7b可以看出，在出口压力恒定的情况下，增大进口压力，负载压力曲线斜率增大.主要原因：进口压力增大，整体的压力能提高，在左右接收孔分配比例一定的情况下，偏移一定的位移，两孔的压差增大，即负载压力随偏转板的位移变化增大，所以适度增大进口压力有助于提高偏转板伺服阀的灵敏度.

图6 工作平面压力分布与速度分布Fig.6 Pressure distribution and the velocity distribution

图7 进口压力对偏转板伺服阀静态特性的影响Fig.7 Inlet pressure effects on the static characteristics of deflector servo valve

3.1.2 出口压力

当进口压力定为15MPa，出口压力为0，0.5，1，1.5MPa时，给出喷嘴位移分别为0，±0.01，±0.02，±0.03mm（以向左偏移为正）时的静态特性变化曲线，见图8a，b.图8a中，曲线1，1′为出口压力1.5 MPa时左、右接收孔的恢复压力；曲线2，2′为出口压力1.0MPa时左、右接收孔的恢复压力；曲线3，3′为出口压力0.5 MPa时左、右接收孔的恢复压力；曲线4，4为出口压力0时左、右接收孔的恢复压力.图8b中，曲线1为出口压力1.5 MPa时的负载压力；曲线2为出口压力1.0MPa时的负载压力；曲线3，3为出口压力0.5 MPa时的负载压力；曲线4，4为出口压力0时的负载压力.

图8a所示，在进口压力保持恒定的情况下，出口压力增大，左右接受孔的恢复压力增大，这与进口压力对左右接收孔恢复压力影响是一致的；如图图8b所示，在进口压力保持恒定的情况下，出口压力增大，负载压力曲线斜率减小，即负载压力随偏转板位移变化减小，这与进口压力对负载压力的影响相反，所以过高的出口压力会降低偏转板伺服阀的灵敏度.

图8 出口压力对偏转板伺服阀静态特性的影响Fig.8 Outlet pressure effects on the static characteristics of deflector servo valve

3.1.3 接收孔夹角

偏转板伺服阀接收孔与接收器端面的相交区域为矩形，接收孔夹角的变化（如图9a所示）改变了接收孔入口处的矩形面积.

当接收孔夹角增大时，矩形的宽度不变，长度增加，接收孔的入口面积增大；接收孔夹角为20°，30°，40°，50°时，接收孔的入口面积分别对应图9b中矩形1，2，3，4的面积.

图9 接收孔夹角对偏转板伺服阀静态特性的影响Fig.9 Angle of receiving holes effects on the static characteristics of deflector servo valve

接收孔入口面积的变化影响偏转板伺服阀静态特性，图10a，b为不同接收孔夹角下，偏转板伺服阀压力特性与偏转板位移关系图.图10a中，曲线1，1′为接收孔夹角50°时左右接收孔的恢复压力；2，2′为接收孔夹角40°时左右接收孔的恢复压力；3，3′为接收孔夹角30°时左右接收孔的恢复压力；4，4′为接收孔夹角20°时左右接收孔的恢复压力；图10b中，曲线1为接收孔夹角20°时的负载压力；2为接收孔夹角30°时的负载压力；3为接收孔夹角40°时的负载压力；4为接收孔夹角50°时的负载压力.

图10a所示，当偏转板处于中位右侧时，接收孔的夹角变化对左接收孔的恢复压力影响较大，而对右接收孔的恢复压力影响很小；同样，偏转板处于中位左侧时，接收孔夹角的变化对右接收孔的恢复压力影响较大，而对左接收孔的恢复压力影响很小.极限情况：当偏转板完全处于右位时，接收孔夹角的变化不影响右接收孔的恢复压力，因为夹角的变化不影响油液的分配.

图10b所示，接收孔夹角增大，曲线斜率减小，即负载压力随位移变化率减小.夹角增大，左右接收孔入口面积增大，进入接收口的流速降低，即流体的动能减小，最终完全转化为流体的压力能相应减小，由于左右接收孔的分配比例是一定的，导致左右接收孔的压差（负载压力）减小，所以在工艺条件允许的条件下，适当减少接收孔夹角有利于提高偏转板伺服阀的灵敏度.

图10 不同接受孔夹角时的压力特性Fig.10 Pressure characteristics with different angles of receiving holes

3.2 偏转板伺服阀气穴现象及改善措施

偏转板伺服阀中工作液体液压油在某处的压力低于相应温度的空气分离压时，液体中的空气将会析出，产生大量气泡，出现气穴现象.大量气泡随着液流流到压力较高的部位时，因承受不了高压而破灭，产生局部的液压冲击，发出噪声并引起振动.当附着在金属表面上的气泡破灭时，它所产生的局部高温和高压会使金属剥落，使表面粗糙，或出现海绵状小洞穴，这种现象称为气蚀现象.

3.2.1 气穴模型

气穴模型属于多项流模型之一，针对两相可以互相渗透的流体，模拟当局部压力低于分离压力时气泡的形成，所以存在两相间的质量转移.气穴模型解决一个混合物的动量方程和气相的体积比方程.体积比方程是由连续性方程推导出来的，气相A的体积比方程为

式中：αA为气相体积百分比；t为时间；mi为平均流速；ui为平均流速；xi为位置；ρA为气相密度，为1.225kg·m－3；m·AB为气相与液相之间的质量转换率.

总的气体质量mA为

式中：R为气泡半径；n为单位体积的气泡数。

气体形成的质量转换率为

忽略气化产生的热量，把气穴流做等温处理.气泡内的压力保持不变，气泡半径的变化近似为一个简化的雷诺方程

式中：pv为空气分离压；ρB为液相密度；p为对应处压力.

结合式（3），（4），得到由于气穴而产生的两相间的质量转换率为

由式（5）可知，影响偏转板伺服阀气穴模型的主要因素为压力以及气相体积百分比.

3.2.2 偏转板伺服阀气穴现象分析

液流由喷嘴喷出进入偏转板最后进入左右接收孔的过程中，以气穴系数K表征气穴发生倾向，气穴系数K被定义为下游压力p2与上、下游压力差Δp＝p1－p2之比值，即：

K值越小，越容易发生气穴现象.偏转板伺服阀前置级结构尺寸较小，液压油流速较高，在结构突变处易形成旋涡，产生负压现象，P2急剧减小，K值减小，发生气穴现象，如图11所示.

图11 偏转板伺服阀前置级空气体积分数Fig.11 Air volume fraction

空气体积分数为流体中空气所占的体积比，该参数的大小反映了气穴现象的严重程度.如图11所示，在喷嘴与偏转板之间、偏转板与接收孔之间的间隙处易形成气穴.图中1，2处，由于产生旋涡导致能量损失，压力p2降低，K值减小，故而形成气穴.图11中3处，由于平衡状态时接收孔末端封死，流入接收孔内的油液弹回下端出油口，导致一部分流体流速急剧增大，但由于黏性作用，接近壁面的流体流速较低高速流体层与低速流体层之间产生较大剪切作用力，导致能量损失，高速层与低速层之间产生较大的压力差Δp，同样K值减小，形成气穴现象.

图12 偏转板伺服阀前置级速度矢量图Fig.12 Velocity vector diagram

3.2.3 进口压力对气穴现象的影响

改变偏转板伺服阀前置级进口压力，对喷嘴与偏转板之间的漩涡影响不大，故图12中1处的气穴现象在不同进口压力下几乎没有变化.但增大进口压力，液压油压力能增大，由接收孔回弹到下端回油口的流体流速增大.图12中2处的漩涡增强，压力p2减小（进口压力为10MPa，p2＝0.112 3 MPa；进口压力为15MPa，p2＝0.1087MPa），K值减小（进口压力为10MPa，K＝0.73；进口压力为15MPa，K＝0.41），气穴现象增强；图12中3处的压力差Δp增大（进口压力为10MPa，Δp＝1.542 0MPa；进口压力为 15MPa，Δp＝1.783 MPa），K值减小（进口压力为10MPa，K＝0.21；进口压力为15MPa，K＝0.068），气穴现象增强.图13a—c即为不同进口压力下，偏转板伺服阀前置级的气穴现象.

比较图13a—c可知，减小偏转板伺服阀进口压力，有利于改善偏转板与接收孔之间气穴现象，但降低进口压力会影响偏转板伺服阀的灵敏度，故需要根据实际需要选择合适的进口压力.

图13 不同进口压力下气穴现象Fig.13 Cavitation in different inlet pressures

3.2.4 圆角对偏转板伺服阀气穴现象的影响

偏转板伺服阀在实际使用过程中，由于“滴水石穿”的高速流体冲蚀使得偏转板V形槽（夹角为20°，上、下端距离为0.4mm）上、下端出现圆角，因为圆角处液流不收缩，压力不下降，不易产生气穴，所以研究圆角对偏转板伺服阀气穴现象的影响有一定的实际意义.图14a—c为其他条件不变的情况下，改变V形槽上、下端圆角对偏转板伺服阀气穴现象的影响.图14a为V型槽上下端均无圆角的情况；图14b为上端有圆角0.05mm，下端无圆角的情况；图14c为上下端均有圆角的情况，上端圆角为0.05mm，下端圆角0.03mm.

对比图14a—c，偏转伺服阀在经过一段时间磨合后，V形槽上端与下端出现圆角，气穴现象得到改善.研究发现，V形槽上端的圆角对改善偏转伺服阀气穴现象影响不大，但是适当增大下端的圆角，气穴现象显著改善，所以在实际的线切割加工过程中，要优先保证偏转板伺服阀前置级V型槽下端圆角的加工质量.

图14 圆角对偏转板伺服阀气穴的影响Fig.14 Effects of fillets on the cavitation of deflector jet servo valve

4 结论

（1）由于偏转板伺服阀前置级尺寸较小，其实际加工采用线切割，根据实际加工工艺可建立全新的偏转板伺服阀前置级三维模型.

（2）进口压力、出口压力以及接收孔管路夹角影响偏转板伺服阀静态特性；适当增大进口压力、降低出口压力以及减小接收孔管路夹角有利于提高偏转板伺服阀的灵敏度.当偏转板处于中位右侧时，接收孔夹角变化对左接收孔的恢复压力影响较大，而对右接收孔的恢复压力影响很小.同样，偏转板处于中位左侧时，接收孔夹角变化对右接收孔的恢复压力影响较大，而对左接收孔的恢复压力影响很小.

（3）由于高速流体冲蚀使得偏转板V形槽上下端出现圆角，本研究发现该圆角对偏转板伺服阀气穴现象有一定的影响.V形槽上端的圆角对改善偏转伺服阀气穴现象影响不大，但是适当增大V形槽下端圆角时气穴现象显著改善.建议在实际线切割加工过程中，要优先保证偏转板伺服阀前置级V型槽下端圆角的加工质量.

［1］赵振厚，张继义.关于电液伺服阀的简要调查情况［J］.舰船辅助机电设备，1975（6）：1－11.ZHAO Zhenhou，ZHANG Jiyi.A brief survey on the situation of electro－hydraulic servo valve［J］.Mechanical and Electrical Equipment，1975（6）：1－11.

［2］訚耀保.极端环境下的电液伺服控制理论及应用技术［M］.上海：上海科学技术出版社，2012.YIN Yaobao.Hydraulic servo control theory and application under extreme environment［M］.Shanghai：Shanghai Science and Technology Press，2012.

［3］杨强强，王文汉.偏转板射流伺服阀射流放大器加工工艺探索［C］∥第二届民用飞机制造技术及装备高层论坛资料汇编，西安：航空工业第六一八研究所，2010：1－8.YANG Qiangqiang，WANG Wenhan.Exploration of the processing techniques on the Jet－pine amplifier in a servo valve［C］.The Second Civil Aircraft Manufacturing Technology ＆ Equipment Forum，Xián：618Institute of Aviation Industry，2010：1－8.

［4］刘金香.偏转板射流伺服阀［J］.科学与情报，1976（6）：47－54.LIU Jinxiang.Deflector jet－pine servo valve［J］.Information Science，1976（6）：47－54.

［5］訚耀保，张鹏，张阳.偏转板伺服阀压力特性研究［J］.流体传动与控制，2014（4）：10－15.YIN Yaobao，ZHANG Peng，ZHANG Yang.Analysis of the pressure characteristics of deflector jet servo valve［J］.Fluid Power Transmission ＆ Control，2014（4）：10－15.

［6］IGOR L.K.Optimization of performance characteristics of electropneumatic（two－stage）servo valve［J］.Transactions of the ASME，2004，126：416－420.

［7］黄增，候保国，方群，等.射流管式与喷嘴挡板式电液伺服阀之比较［J］.流体传动与控制，2007（4）：43－45.HUANG Zeng，Hou Baoguo，FANG Qun，et al.Comparison of electro－hydraulic servo valves between jet－pipe type and nozzle－flapper type［J］.Fluid Power Transmission ＆ Control，2007（4）：43－45.