訚耀保，張 鵬，岑 斌

（同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804）

偏轉(zhuǎn)板伺服閥采用射流技術(shù)，具有靜動(dòng)態(tài)性能良好、抗污染、壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，廣泛用于各種民用飛機(jī)和軍用飛機(jī)的操縱系統(tǒng)［1］.與射流管伺服閥相比較，偏轉(zhuǎn)板伺服閥的主要優(yōu)點(diǎn)在于不需要繞性供油管，消除了結(jié)構(gòu)上可能出現(xiàn)的振動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠；射流通過(guò)V形通道時(shí)，作用在偏轉(zhuǎn)板上的液流力小，可以用較小的力矩馬達(dá)來(lái)控制較大的輸出流量［2］.偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級(jí)是偏轉(zhuǎn)板伺服閥的關(guān)鍵部件，其加工質(zhì)量的好壞直接影響到伺服閥的動(dòng)靜態(tài)性能.中國(guó)航空工業(yè)第六一八研究所采用精細(xì)電加工方法和組合加工工藝技術(shù)加工偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級(jí)［3］.本文通過(guò)建立偏轉(zhuǎn)板射流伺服閥前置級(jí)流場(chǎng)模型，分析入口壓力、出口壓力以及接受器管路夾角對(duì)伺服閥流場(chǎng)特性的影響，探討伺服閥中的氣穴現(xiàn)象以及改善伺服閥氣穴現(xiàn)象的方法.

1 偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級(jí)工作原理

偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級(jí)由偏轉(zhuǎn)板和射流盤(pán)兩個(gè)零件組成.前置放大器盤(pán)件固定在上、下端封閉增壓室的罩和基座之間，偏轉(zhuǎn)板與反饋桿做成一體置于噴嘴和接收器之間，前置放大器盤(pán)件和偏轉(zhuǎn)板裝置如圖1所示［4］.

系統(tǒng)壓力通向前置放大器的噴嘴部分，在噴嘴出口形成自由噴射流.在零位時(shí)，它正對(duì)著兩個(gè)接收器的中點(diǎn).兩個(gè)接收器在前置放大器中被彼此分離，并分別通向各自的控制輸出端.噴嘴與接收器之間的空腔通往回油路.偏轉(zhuǎn)板導(dǎo)向裝置從放大器組件的頂端向下延伸到回油壓力空腔中，偏轉(zhuǎn)板導(dǎo)向裝置實(shí)際上是一個(gè)跨立在自由噴射流上的一條V形狹縫.偏轉(zhuǎn)板導(dǎo)向裝置的橫向運(yùn)動(dòng)使噴射流指向兩個(gè)接收器中的這個(gè)或另一個(gè).如果噴射流被移動(dòng)指向一個(gè)接收器，此接收器噴射流的壓力和流量恢復(fù)就增大.同樣，相對(duì)的另一個(gè)接收器的壓力和流量恢復(fù)就減少［5－6］.

偏轉(zhuǎn)板伺服閥的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2所示.其具體結(jié)構(gòu)尺寸為：噴嘴直徑0.12mm、接收孔直徑0.18mm、偏轉(zhuǎn)板厚度0.8mm、噴嘴至偏轉(zhuǎn)板上端的距離0.3mm、偏轉(zhuǎn)板下端至接收孔的距離0.3mm、接收孔夾角30°、尖劈寬度0mm（即兩接收孔圓相切），后續(xù)流場(chǎng)模型皆以此尺寸參數(shù)為建模原型.

圖1 偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級(jí)工作原理圖Fig.1 Principle diagram of the deflector jet servo valve preamplifier

圖2 偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級(jí)截面圖Fig.2 Section of the deflector jet servo valve preamplifier

2 偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級(jí)流場(chǎng)模型

2.1 偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級(jí)三維模型

液壓油通過(guò)柔性供油管進(jìn)入射流管后，通過(guò)收縮噴嘴將油液射入偏轉(zhuǎn)板V形槽內(nèi)，流出V形槽的油液進(jìn)入接收器的兩接收孔內(nèi)，多余的油液從噴嘴與接收器之間的縫隙流回偏轉(zhuǎn)板伺服閥的回油口［6］.油液分別流過(guò)柔性供油管、射流管、噴嘴、偏轉(zhuǎn)板V形槽、接收孔以及后部連接閥芯的流道，其中最復(fù)雜的流動(dòng)區(qū)域?yàn)閲娮熘两邮湛字g的流場(chǎng).因此，選取收縮噴嘴前段適當(dāng)距離作為進(jìn)油口，利用SolidWorks將偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級(jí)模型簡(jiǎn)化為如圖3所示的模型.

圖3 偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級(jí)三維模型Fig.3 Three dimensional model

2.2 網(wǎng)格劃分與參數(shù)設(shè)置

網(wǎng)格生成是數(shù)值計(jì)算的一項(xiàng)準(zhǔn)備工作，在工程數(shù)值模擬中，所生成的網(wǎng)格和所采用的算法對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的精度及計(jì)算過(guò)程效率有很大影響.將上面建立的三維模型導(dǎo)入Workbench中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在Workbench中進(jìn)行網(wǎng)格劃分的流程如圖4所示.

圖4 流道的Workbench網(wǎng)格劃分流程Fig.4 Meshing process

噴嘴流道模型以及接收孔流道模型形狀比較規(guī)則，采用結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，可以減少網(wǎng)格數(shù)量、提高計(jì)算速度；噴嘴與接收孔之間的流場(chǎng)流動(dòng)復(fù)雜，采用非結(jié)構(gòu)化混合體網(wǎng)格進(jìn)行局部細(xì)化，偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級(jí)網(wǎng)格模型如圖5所示.

偏轉(zhuǎn)板伺服閥流場(chǎng)流速較高，為高雷諾數(shù)湍流運(yùn)動(dòng)，采用RNGk－ε湍流模型，利用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)模型對(duì)壁面邊界層進(jìn)行處理.將進(jìn)油口設(shè)為壓力入口邊界條件，出油口設(shè)置為壓力出口邊界條件，油液密度850kg·m－3，油液動(dòng)力黏度0.021 25Pa·s.各項(xiàng)殘差收斂精度設(shè)為10－7.

圖5 偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級(jí)網(wǎng)格模型Fig.5 Mesh model

3 流場(chǎng)模型結(jié)果分析

3.1 偏轉(zhuǎn)板伺服閥主要參數(shù)對(duì)其靜態(tài)特性的影響

完成參數(shù)設(shè)置，利用Fluent求解器進(jìn)行計(jì)算，讀取計(jì)算結(jié)果中的數(shù)據(jù)，研究偏轉(zhuǎn)板伺服閥主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)靜態(tài)特性的影響，圖6所示為一組工作平面壓力分布與速度分布圖.

3.1.1 進(jìn)出口壓力

通過(guò)流場(chǎng)分析，可得出如圖6所示的不同條件下的壓力與速度分布云圖，從圖中可得到不同條件下對(duì)應(yīng)的壓力值與速度值，由此可繪制閥的特性曲線.偏轉(zhuǎn)板射流伺服閥的進(jìn)出口壓力變化會(huì)影響靜態(tài)特性，假設(shè)偏轉(zhuǎn)板進(jìn)口壓力為10，15，20MPa，出口壓力為0MPa時(shí)，給出噴嘴位移分別為0，±0.01，±0.02，±0.03mm（以向左偏移為正）時(shí)的靜態(tài)特性變化曲線，見(jiàn)圖7a，b.圖7a中，曲線1，1′為進(jìn)口壓力20 MPa時(shí)左、右接收孔的恢復(fù)壓力；曲線2，2′為口進(jìn)壓力15 MPa時(shí)左、右接收孔的恢復(fù)壓力；曲線3，3′為口進(jìn)壓力10 MPa時(shí)左、右接收孔的恢復(fù)壓力.圖7b中，曲線1為口進(jìn)壓力20 MPa時(shí)的負(fù)載壓力；曲線2為口進(jìn)壓力15 MPa時(shí)的負(fù)載壓力；曲線3為口進(jìn)壓力10 MPa時(shí)的負(fù)載壓力.

由圖7a可以看出，在出口壓力恒定的情況下，進(jìn)口壓力增大，左右接收孔的恢復(fù)壓力增大；由圖7b可以看出，在出口壓力恒定的情況下，增大進(jìn)口壓力，負(fù)載壓力曲線斜率增大.主要原因：進(jìn)口壓力增大，整體的壓力能提高，在左右接收孔分配比例一定的情況下，偏移一定的位移，兩孔的壓差增大，即負(fù)載壓力隨偏轉(zhuǎn)板的位移變化增大，所以適度增大進(jìn)口壓力有助于提高偏轉(zhuǎn)板伺服閥的靈敏度.

圖6 工作平面壓力分布與速度分布Fig.6 Pressure distribution and the velocity distribution

圖7 進(jìn)口壓力對(duì)偏轉(zhuǎn)板伺服閥靜態(tài)特性的影響Fig.7 Inlet pressure effects on the static characteristics of deflector servo valve

3.1.2 出口壓力

當(dāng)進(jìn)口壓力定為15MPa，出口壓力為0，0.5，1，1.5MPa時(shí)，給出噴嘴位移分別為0，±0.01，±0.02，±0.03mm（以向左偏移為正）時(shí)的靜態(tài)特性變化曲線，見(jiàn)圖8a，b.圖8a中，曲線1，1′為出口壓力1.5 MPa時(shí)左、右接收孔的恢復(fù)壓力；曲線2，2′為出口壓力1.0MPa時(shí)左、右接收孔的恢復(fù)壓力；曲線3，3′為出口壓力0.5 MPa時(shí)左、右接收孔的恢復(fù)壓力；曲線4，4為出口壓力0時(shí)左、右接收孔的恢復(fù)壓力.圖8b中，曲線1為出口壓力1.5 MPa時(shí)的負(fù)載壓力；曲線2為出口壓力1.0MPa時(shí)的負(fù)載壓力；曲線3，3為出口壓力0.5 MPa時(shí)的負(fù)載壓力；曲線4，4為出口壓力0時(shí)的負(fù)載壓力.

圖8a所示，在進(jìn)口壓力保持恒定的情況下，出口壓力增大，左右接受孔的恢復(fù)壓力增大，這與進(jìn)口壓力對(duì)左右接收孔恢復(fù)壓力影響是一致的；如圖圖8b所示，在進(jìn)口壓力保持恒定的情況下，出口壓力增大，負(fù)載壓力曲線斜率減小，即負(fù)載壓力隨偏轉(zhuǎn)板位移變化減小，這與進(jìn)口壓力對(duì)負(fù)載壓力的影響相反，所以過(guò)高的出口壓力會(huì)降低偏轉(zhuǎn)板伺服閥的靈敏度.

圖8 出口壓力對(duì)偏轉(zhuǎn)板伺服閥靜態(tài)特性的影響Fig.8 Outlet pressure effects on the static characteristics of deflector servo valve

3.1.3 接收孔夾角

偏轉(zhuǎn)板伺服閥接收孔與接收器端面的相交區(qū)域?yàn)榫匦危邮湛讑A角的變化（如圖9a所示）改變了接收孔入口處的矩形面積.

當(dāng)接收孔夾角增大時(shí)，矩形的寬度不變，長(zhǎng)度增加，接收孔的入口面積增大；接收孔夾角為20°，30°，40°，50°時(shí)，接收孔的入口面積分別對(duì)應(yīng)圖9b中矩形1，2，3，4的面積.

圖9 接收孔夾角對(duì)偏轉(zhuǎn)板伺服閥靜態(tài)特性的影響Fig.9 Angle of receiving holes effects on the static characteristics of deflector servo valve

接收孔入口面積的變化影響偏轉(zhuǎn)板伺服閥靜態(tài)特性，圖10a，b為不同接收孔夾角下，偏轉(zhuǎn)板伺服閥壓力特性與偏轉(zhuǎn)板位移關(guān)系圖.圖10a中，曲線1，1′為接收孔夾角50°時(shí)左右接收孔的恢復(fù)壓力；2，2′為接收孔夾角40°時(shí)左右接收孔的恢復(fù)壓力；3，3′為接收孔夾角30°時(shí)左右接收孔的恢復(fù)壓力；4，4′為接收孔夾角20°時(shí)左右接收孔的恢復(fù)壓力；圖10b中，曲線1為接收孔夾角20°時(shí)的負(fù)載壓力；2為接收孔夾角30°時(shí)的負(fù)載壓力；3為接收孔夾角40°時(shí)的負(fù)載壓力；4為接收孔夾角50°時(shí)的負(fù)載壓力.

圖10a所示，當(dāng)偏轉(zhuǎn)板處于中位右側(cè)時(shí)，接收孔的夾角變化對(duì)左接收孔的恢復(fù)壓力影響較大，而對(duì)右接收孔的恢復(fù)壓力影響很??；同樣，偏轉(zhuǎn)板處于中位左側(cè)時(shí)，接收孔夾角的變化對(duì)右接收孔的恢復(fù)壓力影響較大，而對(duì)左接收孔的恢復(fù)壓力影響很小.極限情況：當(dāng)偏轉(zhuǎn)板完全處于右位時(shí)，接收孔夾角的變化不影響右接收孔的恢復(fù)壓力，因?yàn)閵A角的變化不影響油液的分配.

圖10b所示，接收孔夾角增大，曲線斜率減小，即負(fù)載壓力隨位移變化率減小.夾角增大，左右接收孔入口面積增大，進(jìn)入接收口的流速降低，即流體的動(dòng)能減小，最終完全轉(zhuǎn)化為流體的壓力能相應(yīng)減小，由于左右接收孔的分配比例是一定的，導(dǎo)致左右接收孔的壓差（負(fù)載壓力）減小，所以在工藝條件允許的條件下，適當(dāng)減少接收孔夾角有利于提高偏轉(zhuǎn)板伺服閥的靈敏度.

圖10 不同接受孔夾角時(shí)的壓力特性Fig.10 Pressure characteristics with different angles of receiving holes

3.2 偏轉(zhuǎn)板伺服閥氣穴現(xiàn)象及改善措施

偏轉(zhuǎn)板伺服閥中工作液體液壓油在某處的壓力低于相應(yīng)溫度的空氣分離壓時(shí)，液體中的空氣將會(huì)析出，產(chǎn)生大量氣泡，出現(xiàn)氣穴現(xiàn)象.大量氣泡隨著液流流到壓力較高的部位時(shí)，因承受不了高壓而破滅，產(chǎn)生局部的液壓沖擊，發(fā)出噪聲并引起振動(dòng).當(dāng)附著在金屬表面上的氣泡破滅時(shí)，它所產(chǎn)生的局部高溫和高壓會(huì)使金屬剝落，使表面粗糙，或出現(xiàn)海綿狀小洞穴，這種現(xiàn)象稱為氣蝕現(xiàn)象.

3.2.1 氣穴模型

氣穴模型屬于多項(xiàng)流模型之一，針對(duì)兩相可以互相滲透的流體，模擬當(dāng)局部壓力低于分離壓力時(shí)氣泡的形成，所以存在兩相間的質(zhì)量轉(zhuǎn)移.氣穴模型解決一個(gè)混合物的動(dòng)量方程和氣相的體積比方程.體積比方程是由連續(xù)性方程推導(dǎo)出來(lái)的，氣相A的體積比方程為

式中：αA為氣相體積百分比；t為時(shí)間；mi為平均流速；ui為平均流速；xi為位置；ρA為氣相密度，為1.225kg·m－3；m·AB為氣相與液相之間的質(zhì)量轉(zhuǎn)換率.

總的氣體質(zhì)量mA為

式中：R為氣泡半徑；n為單位體積的氣泡數(shù)。

氣體形成的質(zhì)量轉(zhuǎn)換率為

忽略氣化產(chǎn)生的熱量，把氣穴流做等溫處理.氣泡內(nèi)的壓力保持不變，氣泡半徑的變化近似為一個(gè)簡(jiǎn)化的雷諾方程

式中：pv為空氣分離壓；ρB為液相密度；p為對(duì)應(yīng)處壓力.

結(jié)合式（3），（4），得到由于氣穴而產(chǎn)生的兩相間的質(zhì)量轉(zhuǎn)換率為

由式（5）可知，影響偏轉(zhuǎn)板伺服閥氣穴模型的主要因素為壓力以及氣相體積百分比.

3.2.2 偏轉(zhuǎn)板伺服閥氣穴現(xiàn)象分析

液流由噴嘴噴出進(jìn)入偏轉(zhuǎn)板最后進(jìn)入左右接收孔的過(guò)程中，以氣穴系數(shù)K表征氣穴發(fā)生傾向，氣穴系數(shù)K被定義為下游壓力p2與上、下游壓力差Δp＝p1－p2之比值，即：

K值越小，越容易發(fā)生氣穴現(xiàn)象.偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級(jí)結(jié)構(gòu)尺寸較小，液壓油流速較高，在結(jié)構(gòu)突變處易形成旋渦，產(chǎn)生負(fù)壓現(xiàn)象，P2急劇減小，K值減小，發(fā)生氣穴現(xiàn)象，如圖11所示.

圖11 偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級(jí)空氣體積分?jǐn)?shù)Fig.11 Air volume fraction

空氣體積分?jǐn)?shù)為流體中空氣所占的體積比，該參數(shù)的大小反映了氣穴現(xiàn)象的嚴(yán)重程度.如圖11所示，在噴嘴與偏轉(zhuǎn)板之間、偏轉(zhuǎn)板與接收孔之間的間隙處易形成氣穴.圖中1，2處，由于產(chǎn)生旋渦導(dǎo)致能量損失，壓力p2降低，K值減小，故而形成氣穴.圖11中3處，由于平衡狀態(tài)時(shí)接收孔末端封死，流入接收孔內(nèi)的油液彈回下端出油口，導(dǎo)致一部分流體流速急劇增大，但由于黏性作用，接近壁面的流體流速較低高速流體層與低速流體層之間產(chǎn)生較大剪切作用力，導(dǎo)致能量損失，高速層與低速層之間產(chǎn)生較大的壓力差Δp，同樣K值減小，形成氣穴現(xiàn)象.

圖12 偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級(jí)速度矢量圖Fig.12 Velocity vector diagram

3.2.3 進(jìn)口壓力對(duì)氣穴現(xiàn)象的影響

改變偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級(jí)進(jìn)口壓力，對(duì)噴嘴與偏轉(zhuǎn)板之間的漩渦影響不大，故圖12中1處的氣穴現(xiàn)象在不同進(jìn)口壓力下幾乎沒(méi)有變化.但增大進(jìn)口壓力，液壓油壓力能增大，由接收孔回彈到下端回油口的流體流速增大.圖12中2處的漩渦增強(qiáng)，壓力p2減?。ㄟM(jìn)口壓力為10MPa，p2＝0.112 3 MPa；進(jìn)口壓力為15MPa，p2＝0.1087MPa），K值減?。ㄟM(jìn)口壓力為10MPa，K＝0.73；進(jìn)口壓力為15MPa，K＝0.41），氣穴現(xiàn)象增強(qiáng)；圖12中3處的壓力差Δp增大（進(jìn)口壓力為10MPa，Δp＝1.542 0MPa；進(jìn)口壓力為 15MPa，Δp＝1.783 MPa），K值減?。ㄟM(jìn)口壓力為10MPa，K＝0.21；進(jìn)口壓力為15MPa，K＝0.068），氣穴現(xiàn)象增強(qiáng).圖13a—c即為不同進(jìn)口壓力下，偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級(jí)的氣穴現(xiàn)象.

比較圖13a—c可知，減小偏轉(zhuǎn)板伺服閥進(jìn)口壓力，有利于改善偏轉(zhuǎn)板與接收孔之間氣穴現(xiàn)象，但降低進(jìn)口壓力會(huì)影響偏轉(zhuǎn)板伺服閥的靈敏度，故需要根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的進(jìn)口壓力.

圖13 不同進(jìn)口壓力下氣穴現(xiàn)象Fig.13 Cavitation in different inlet pressures

3.2.4 圓角對(duì)偏轉(zhuǎn)板伺服閥氣穴現(xiàn)象的影響

偏轉(zhuǎn)板伺服閥在實(shí)際使用過(guò)程中，由于“滴水石穿”的高速流體沖蝕使得偏轉(zhuǎn)板V形槽（夾角為20°，上、下端距離為0.4mm）上、下端出現(xiàn)圓角，因?yàn)閳A角處液流不收縮，壓力不下降，不易產(chǎn)生氣穴，所以研究圓角對(duì)偏轉(zhuǎn)板伺服閥氣穴現(xiàn)象的影響有一定的實(shí)際意義.圖14a—c為其他條件不變的情況下，改變V形槽上、下端圓角對(duì)偏轉(zhuǎn)板伺服閥氣穴現(xiàn)象的影響.圖14a為V型槽上下端均無(wú)圓角的情況；圖14b為上端有圓角0.05mm，下端無(wú)圓角的情況；圖14c為上下端均有圓角的情況，上端圓角為0.05mm，下端圓角0.03mm.

對(duì)比圖14a—c，偏轉(zhuǎn)伺服閥在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間磨合后，V形槽上端與下端出現(xiàn)圓角，氣穴現(xiàn)象得到改善.研究發(fā)現(xiàn)，V形槽上端的圓角對(duì)改善偏轉(zhuǎn)伺服閥氣穴現(xiàn)象影響不大，但是適當(dāng)增大下端的圓角，氣穴現(xiàn)象顯著改善，所以在實(shí)際的線切割加工過(guò)程中，要優(yōu)先保證偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級(jí)V型槽下端圓角的加工質(zhì)量.

圖14 圓角對(duì)偏轉(zhuǎn)板伺服閥氣穴的影響Fig.14 Effects of fillets on the cavitation of deflector jet servo valve

4 結(jié)論

（1）由于偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級(jí)尺寸較小，其實(shí)際加工采用線切割，根據(jù)實(shí)際加工工藝可建立全新的偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級(jí)三維模型.

（2）進(jìn)口壓力、出口壓力以及接收孔管路夾角影響偏轉(zhuǎn)板伺服閥靜態(tài)特性；適當(dāng)增大進(jìn)口壓力、降低出口壓力以及減小接收孔管路夾角有利于提高偏轉(zhuǎn)板伺服閥的靈敏度.當(dāng)偏轉(zhuǎn)板處于中位右側(cè)時(shí)，接收孔夾角變化對(duì)左接收孔的恢復(fù)壓力影響較大，而對(duì)右接收孔的恢復(fù)壓力影響很小.同樣，偏轉(zhuǎn)板處于中位左側(cè)時(shí)，接收孔夾角變化對(duì)右接收孔的恢復(fù)壓力影響較大，而對(duì)左接收孔的恢復(fù)壓力影響很小.

（3）由于高速流體沖蝕使得偏轉(zhuǎn)板V形槽上下端出現(xiàn)圓角，本研究發(fā)現(xiàn)該圓角對(duì)偏轉(zhuǎn)板伺服閥氣穴現(xiàn)象有一定的影響.V形槽上端的圓角對(duì)改善偏轉(zhuǎn)伺服閥氣穴現(xiàn)象影響不大，但是適當(dāng)增大V形槽下端圓角時(shí)氣穴現(xiàn)象顯著改善.建議在實(shí)際線切割加工過(guò)程中，要優(yōu)先保證偏轉(zhuǎn)板伺服閥前置級(jí)V型槽下端圓角的加工質(zhì)量.

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