PIV射流管伺服阀啸叫问题的研究

黄增，金瑶兰，陈冬冬，渠立鹏

(1.中船重工集团第七〇四研究所，上海 200070；2.上海衡拓液压控制技术有限公司，上海 201612)

0 前言

射流管伺服阀作为一种典型的电液伺服阀，具有高抗污染性、高可靠性和高分辨率等突出优点，被广泛应用于各个领域。射流管伺服阀是一个非常精密而又复杂的伺服控制元件，射流前置级是其重要组成部分，对伺服阀的静动态特性都有重要影响。但近期，在飞机发动机、飞机刹车系统、飞控系统等伺服系统的使用过程中，常常会发生伺服阀啸叫现象，造成伺服阀性能改变、系统可靠性降低，甚至发生伺服阀弹簧管破裂的故障。因此，研究射流管伺服阀啸叫产生的机制以及如何消除啸叫，成为射流管伺服阀的研究重点。本文作者利用流体仿真软件Fluent对射流管伺服阀前置级流场进行仿真分析；在理论与仿真分析的基础上，通过试验验证理论分析的准确性，为解决射流管伺服阀啸叫问题提供了参考。

1 射流管伺服阀前置级流场数学模型

射流管伺服阀前置级主要由射流管、喷嘴和接收器等组成，其工作原理为射流管可以绕支承中心转动，接收器上有两个圆形的接收孔，两个接收孔分别与液压缸两腔相联，来自液压源的恒压力、恒流量的液流通过支承中心引入射流管，经射流管喷嘴向接收器喷射，压力油的液压能通过射流管的喷嘴转换为液流的动能(速度能)，液流被接收孔接收后，又将动能转换为压力能,如图1所示。

图1 射流管前置级工作原理

依据上述边界条件，在Fluent软件中对前置级流场进行仿真分析，得出前置级内部速度云图及流线图，如图4—图5所示。

射流管伺服阀前置级流场流速较高，为高雷诺数湍流运动，采用Realizable-湍流模型，利用标准壁面函数模型对壁面边界层进行处理。进口边界条件为压力进口，压力为21 MPa；出口边界条件为压力出口，压力为0.5 MPa；喷嘴与接收器接触表面为interface；接收孔出口边界为wall；流体与壁面接触的边界为wall。流体介质为15号航空液压油，其动力黏度为0.012 5 μ/Pa·s、密度为855 kg/m。

(1)

将PIV测量的区域1和区域2原始数据导入Tecplot软件中进行结果后处理，得到试验流线如图8所示。

通过仿真分析和实际PIV可视化图像都可以看到：当喷嘴高速射流冲击接收器时，产生的压力主要作用在阀芯两头，推动阀芯运动实现伺服阀控制作用。同时，喷嘴喷出的大部分流体都通过喷嘴到接收器的狭小空间流道流出，其流速高达162 m/s。在这一高速流体的作用下，整个接收器腔内形成一个高速涡流状态，即演化为管状物体的阻流模型。根据仿真和PIV试验结果可以看到在射流管管壁上出现了涡流，当喷嘴流速变化时，涡流的位置和大小都会变化，并不断地产生和消散，形成一连串涡流，即涡街现象。根据卡门涡街的相关论述，上述涡流可以参考卡门涡街的情况来理解：出现涡街时，流体对物体会产生一个周期性的交变横向作用力，如果力的频率与物体的固有频率接近，就会引起共振，甚至使物体损坏。该涡街会沿射流管向喷嘴方向扩散，在扩散过程中，由于附壁流影响形成流速差，造成局部真空，进而产生气液两相流。

(2)

1)如图6a所示情况，掘进机轴线与隧道设计轴线共线，此时不需要纠偏，控制支撑油缸伸缩量相等，保持稳定的运行姿态。

(3)

综上所述，本研究观察的是2种手术后早期各参数的变化，2种手术方式均会引起不同程度的干眼，但术后1个月各指标均已无显著性差异。同FLEx相比，SMILE的眼表损伤和炎症反应较小，是一种微创安全的治疗近视和散光的角膜屈光手术方式。

2 利用Fluent对射流管伺服阀前置级流场进行仿真分析

数学模型以试验模型为基础，对部分结构进行简化，目的是全部结构化网格。射流管伺服阀为轴对称结构，为尽可能降低计算代价，选取1/2流域进行计算。射流管伺服阀前置级三维流场模型如图2所示。

图2 前置级流场简化模型

式中：为液体相变压力；为油液质量分数；为油液蒸汽质量分数；为油液密度；为油液蒸汽密度；为液体表面张力系数；为湍流动能；为蒸发率系数；为冷凝率系数。

图3 前置级网格划分细节

考虑前置级内发生气穴时存在油液、油液蒸气和气体，主要通过气体输运方程对气体体积和质量分数进行计算：

图4 前置级流体仿真速度云图及流线图

图5 前置级局部放大速度云图及流线图

当<时，有：

利用Gambit对射流管伺服阀前置级模型进行网格划分，喷嘴以及接收孔流道模型形状较为规则，采用结构化六面体网格，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，采用结构化网格进行局部细化。模型总网格数约为680万，网格划分细节如图3所示。

3 射流管伺服阀前置级流场可视化试验验证

试验以射流管伺服阀中心平面作为拍摄平面，由于射流管伺服阀为轴对称结构，故取其中1/2的区域进行PIV流场测量。为得到高质量的图像，考虑模型的尺寸以及相机的拍摄比例，将射流管伺服阀前置级分成2个区域进行试验拍摄(如图6—图7所示)。

图6 PIV试验模型剖面图

图7 PIV试验原始图像

式中：为气液混合密度；为气体质量分数；为气体速度；为气体有效交换系数；、均为气体产生率(源项)，与油源瞬时压力有关。

图8 Tecplot处理后的流线

由图4—图5可知：射流管前置级流场中主要存在四处漩涡，分别位于4个不同的区域；左侧上腔内漩涡呈现逆时针旋转且涡核位置靠近射流管；右侧上腔内漩涡呈现顺时针旋转且涡核位置靠近壁面；左侧下腔内漩涡位于喷嘴与接收器形成的间隙左侧附近；右侧下腔内漩涡位于喷嘴与接收器形成的间隙右侧附近。

卡门涡街频率计算公式：

=()

(4)

式中：为斯特劳哈尔数，主要与雷诺数有关；为流速(m/s)；为射流管直径(mm)。

当雷诺数为3×10～3×10时，近似于常数值(0.21)；当雷诺数为3×10～3×10时，有规则的涡街便不再存在；当雷诺数大于3×10时，卡门涡街又会自动出现，这时约为0.27。通过计算某型伺服阀的涡街频率，当雷诺数取0.21、流速取16 m/s、射流管直径取2.6 mm时，得到涡街频率为1 292 Hz。通过计算出的结果可知：伺服阀产生啸叫的根本原因是喷嘴喷出液流的高速流动在狭小容腔内形成的涡流作用在射流管上，涡流扩散形成了涡街，涡街的产生/泯灭使射流管受交变横向力，当这一交变力的频率和衔铁组件固有频率耦合时，就会产生啸叫。

4 射流管伺服阀前置级结构改进

某型伺服阀因射流管喷嘴直径为0.55 mm、射流管长度加长30%，导致经常发生啸叫问题，长期困扰生产。经分析相关尺寸情况发现，由于喷嘴加大，流速增加，使得涡街频率加大；经过计算发现，涡街频率接近该型伺服阀衔铁组件的2阶固有频率，所以产生啸叫。为了防止涡街振动直接作用在射流管上，需采取措施防止涡流顺着射流管壁向喷嘴方向扩散，因此采用套筒结构，套筒固接在阀体上，如图9所示。

图9 前置级套筒结构

采用新结构后，啸叫问题得以解决，也大幅改善了射流管受力情况，伺服阀空载流量曲线得到大幅改善，滞环得以减小，抖动得以消除，整个流量曲线较为平滑。

5 结论

本文作者利用Fluent软件和PIV可视化试验的方式，对射流管伺服阀啸叫问题进行了研究，提出啸叫主要是由于液压放大级产生的气液两相流在射流管壁上形成涡流，涡流的产生和消失形成了交变作用力，该作用力造成射流管振动，又因此交变作用力的频率与伺服阀衔铁组件固有频率相近，造成了共振，从而产生了啸叫现象。依据理论与试验分析结果，采用在前置级增加套管的方式，来消除交变作用力。采用新结构解决了射流管伺服阀啸叫问题，大大改善了伺服阀在工作过程中的抖动现象，为解决伺服阀啸叫问题、优化射流管伺服阀前置级结构提供了参考。