基于CFD的伺服阀衔铁组件啸叫分析.pdf

2 0 1 3年 3月 第4 1 卷 第 5期 机床与液压 MACHI NE T0OL HYDRAULI CS Ma r ． 2 01 3 V0 l _ 41 No ． 5 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 0 5 ． 0 1 9 基于 C F D的伺服阀衔铁组件啸叫分析 陈元章 南京机 电液压工程研 究中心航空机电系统综合航 空科技重点实验 室，江苏南京 2 1 0 0 6 1 摘要利用G a m b i t 和F l u e n t 对伺服阀衔铁组件的啸叫问题进行 C F D分析，模拟计算产品内部油路结构的流固耦合，发 现在伺服阀衔铁组件啸叫时，流体在产品内部产生了卡门涡。改变产品的内部结构再次进行 C F D模拟计算，卡门涡消除； 对该结构的产品进行实际的同压通液测试，伺服阀啸叫的问题得到解决。 关键词C F D分析；电液伺服阀；啸叫 中图分类号T P 3 9 1 ． 9 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 5 0 7 0 5 An a l y s i s o n W h i s t l i n g o f t h e Ar ma t u r e Co mp o n e n t o f S e r v o v a l v e B a s e d o n C FD CHE N Yu a n z h a n g A v i a t i o n K e y L a b o r a t o r y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o n A e r o E l e c t r o m e c h a n i c a l S y s t e m I n t e g r a t i o n ， N a n j i n g E n g i n e e r i n g I n s t i t u t e o f A i r c r a f t S y s t e ms ，N a n j i n g J i a n g s u 2 1 0 0 6 1 ，C h i n a Ab s t r a c t B y u s i n g G a m b i t a n d F l u e n t t o c a r r y o n t h e c o m p u t e r f l o w d y n a mi c s C F Da n a l y s i s f o r t h e w h i s t l i n g p r o b l e m o f s e r V O v a l v e a r ma t u r e mo d u l e．t h e f l o w a n d s o l i d c o u p l i n g i n t h e i n t e r i o r o i l d u c t s t r u c t u r e w a s s i mu l a t e d ． I t w a s f o u n d t h a t C a r me n wh o r l w a s p r o d u c e d i n t h e p r o d u c t i n t e r i o r wh e n s e I v 0 v a l v e a r ma t u r e mo d u l e wh i s t l e s ． B y c h a n g i n g p r o d u c t i n t e r n a l s t ruc t u r e a n d c a r r y i n g o n C F D a n a l o g c o mp u t a t i o n o n c e mo r e ，t h e C a r me n wh o r l wa s e l i mi n a t e d ．T h r o u g h ma k i n g a c t u a l p a s s i n g f l u i d t e s t u n d e r s a me p r e s s u r e t o t h i s s t ruc t u r e ’ S p r o d u c t ．t h e w h i s t l i n g p r o b l e m o f t h e s e I v 0 v a l v e i s s o l v e d ． Ke y wo r d s C F D a n a l y s i s ； S e o v alv e ；W h i s t l i n g 电液伺服阀因其控制精度高、响应速度快而最初 应用于航空航天领域 ，随着液压伺服技术的发展 ，电 液伺服阀的应用已经扩展到冶金、化工、机械制造、 地质勘探、工程机械等需要精确控制的领域。电液伺 服 阀作为液压伺服系统中的关键部件 ，它把机械 、电 子和液压技术紧密结合在一起，其性能直接影响到整 个液压伺服系统的性能，而衔铁组件又是电液伺服阀 的核心部件 ，通过它才能把控制信号的典型号与系统 的机械系统、流体系统串联起来，所以其性能直接影 响了整个伺服阀的性能。但在实际的使用中，偶尔会 发生伺服阀啸叫现象，从而使伺服阀性能改变，系统 性能降低 ，甚至会发生伺服阀衔铁组件破裂漏油、系 统失控 的故 障。 所以，研究伺服阀弹簧管啸叫问题就显得尤为重 要 ，但 由于伺 服阀啸叫的偶发性和随机性 ，伺 服阀的 啸叫很难复现。并且伺服阀啸叫不仅仅是伺服阀本身 的问题 ，它往往跟系统的结构、使用工况、工作环境 等因素相关联 ，所以很多时候是系统发生了伺服阀啸 叫问题，但在生产厂家的试验室根本不能复现，这就 进一步增加了伺服阀啸叫机制分析的难度，所以从实 验流体力学上很难进行伺服阀啸叫的机制分析。同 时，由于伺服阀内部油路的复杂性 ，仅仅从理论流体 力学等进行理论上的分析难度更大。近年来，随着高 速数字计算机的发展 ，以及为使用计算机解决物理问 题而发展起来的精确算法 ，一门介于实验流体力学和 理论流体力学之 间的计算流体力学 C o m p u t a t i o n a l F l u e n t D y n a m i c s ，C F D得到 了长足 发展 ，它 既克 服 了理论流体力学问题中诸如非线性等一系列复杂问题 的理论解计算问题，又克服了实验流体力学中模型尺 寸、流场扰动、人为因素和测量精度的限制。所以， 计算流体力学已经成为流体力学研究 中的第 3种方 法，目前在分析和解决流体力学问题的时候 ，计算流 体力学 已经 成 为与理 论 和实验 平等 的角 色 ，C F D方 法与传统的理论分析方法、实验量测方法组成了研究 流体流动的完整体系。 作者基于 C F D技术 ，就 某 型伺 服 阀在研 制过 程 中发生的 弹簧 管批次 性 啸叫 问题进行 分 析 ，并利 用 C F D技术提 出相应 的解决方法 。 1 试验过程 文 中提及的衔铁组件结构见 图 1 ，图 中衔铁 起伺 服阀驱动控制作用，弹簧管起弹性支撑并隔离流体和 电信号作用，偏转板起分配液流作用。弹簧管是弹性 收稿 日期 2 0 1 2 0 2 2 7 作者简介陈元章 1 9 8 1 一 ，男，学士，工程师 ，主要研究方向为伺服阀产品设计 。Ema i l y u a n z h a n g O 6 0 9 第 5期 陈元章基于 C F D的伺服阀衔铁组件啸叫分析 7 1 元件，在微小的电信 号作用下需要发生弯 曲变形，所 以壁厚一 般 只 有 0 ． 0 6 0 ． 0 9 m m，因而其刚度不能 太大。因此，弹簧管 既是伺服阀衔铁组件 中的关键部件 ，也是 其 中的薄弱环节 ，伺 服阀啸叫很 多时候就 是 由弹簧管的振动引 起 的，而且 ，因 为 弹 簧管 的壁 厚 相 当薄， 图 1 衔铁组件结构图 在振动啸叫的时候，弹簧管往往会发生破裂 。 把衔铁组件安装在如图2所示的实验夹具上，在 图示A A的位置处做剖面，剖面结构见图 3 。流体 从射流片的入射 口流入 ，通过偏转板中间的缝隙进入 到射流片的两个接收口。 。 ； 广 ／ ／ ／ l ／ ／ 7 ／ ． 图2 衔铁组件实验安装图 射 流 片 接 收 口 图3 射流结构剖面图 把图2所示的试验夹具和衔铁组件试验件安装在 试验台上，试验台使用的工作液为 1 2号航空液压油 ， 试验进油压力为 2 1 M P a ，回油压力约为 0 。试验中， 在把试验台进油压力升到 2 1 M P a的时候，衔铁组件 发出刺耳的啸叫声，触摸衔铁组件能感到明显的高频 振荡，更换试验件，更换的5个衔铁组件均发生了高 频振荡啸叫。 针对该现象进行分析。 2 C F D模拟求解 试验中的衔铁组件在流体作用下产生的振动啸 叫 ，属 于典 型的流致振动 问题 ，流致振动基本方 程可 用如下算子形式来描述 X， t ， X， t 1 式中 x， t 为响应矢量 ； X 、t 分别是空间、时间变量 ； 为时间、空间变量的线性微分算子； ．厂 X， t 为激励矢量 ，通过求解流场方程来获 得 。 在动力学及有限元中的形式为 m O t 2 c 击 2 式中 为结构算子 ，其具体形式取决于结构的形状 与运动形 式。 由于结构的运动会影响流场从而改变流场对结构 的作用力 ，所以，式 1 是非线性体 系，不易求 解，因此，将式 1 右端分解为 ．e，x X， t ， g ， t t 3 式中 ， 是非线性项，与结构运动有关，称为 运动相关的流体力； t 与结构的运动无关，仅与流体运动有关， 称为流体激振力。 试验中作为结构部件 的衔铁组件本身是静止部 件，不会因为 自身的机械运动而产生振动激励 ，所以 式 3 中的非线性项 X， t 可以忽略，仅考虑流 体激振力 的作用。 流体激振力 t 可以通过 C F D计算流场的压力 获得。文中即使用 F l u e n t 软件包的前处理软件 G a m b i t 进行网格划分，再把划分好的网格导人 F l u e n t 求解器 进行求解。 把图 3 所 示 的结构 图抽取 成 G a m b i t 和 F l u e n t 模 型，见图4 。因为抽取的模型为对称结构 ，所以为减 少计算量、加快计算效率，取一半的结构进行网格划 分，如图5 。利用 G a m b i t 划分网格，因为阀口存在明 显的锐边，对 阀口进行网格细化，划分网格详见 图 6 ，共计 7 9 9 2 4个网格 图 6为计算结束后在 F l u e n t 中取的整体视图 。 图4 液压放大 器模型 图 5 简化后的液压 放大器模型 7 4 机床与液压 第4 1卷 服衔铁组件的综合刚度，从而迫使伺服阀衔铁组件做 受迫运动；或者当流体的卡曼涡旋脱落频率与伺服阀 衔铁组件在流体中的固有频率接近 ，引起伺服阀衔铁 组件共振的时候 ，伺服阀衔铁组件才会产生振动，甚 至产生啸叫。清华大学 的陈佐一教授更是开宗 明义地 提出任何一种工程构件，在外界各种干扰的影响 下，总会存在各种微小的振动，即使对于定常来流， 这种微小振动也会使流经振动物体的流场产生振荡， 而振荡流又进一步作用于振动物体。所以，自激振动 的稳定性取决于物体振动过程中振荡流场与物体之间 能量交换的性质。在振动过程中，振荡流场对振动物 体做正功 ，则使振动加剧而导致不稳定 ；否则流体起 了阻尼作用，振动是稳定的。这也是下一步需要继续 研究的方 向。 5 虽然产 品内部流态产生卡门涡未必一定会 引起伺服阀的振动啸叫，但尾涡的存在毕竟增大了伺 服阀啸叫的隐患。相关文献指出涡旋脱落时候产生 的振动影 响 比尾涡 本身 的影 响更 大。当结 构件 运动 时 ，式 3 中的运动相 关 的流体 力 X， t 不能再 忽略，非线性项 X， t 的存在会引起涡的脱落频率 和分离特性 、激振力的大小和相位、近尾迹的结构和 湍流场，甚至对远尾迹带来影响，使产品内部流场更 加复杂，振动啸叫产生的可能性更大。而且，在伺服 阀的实际使用中，伺服阀使用单位为了提高伺服阀的 灵敏度经常会对伺服阀施加几百赫兹频率的激励，使 伺服阀衔铁组件处于一定频率的振动，更激化了伺服 阀啸叫的可 能性 。在 伺服 阀使 用工 作环 境恶 劣 的时 候，如飞机发动机开车，飞机 、导弹在空中飞行的时 候，伺服阀啸叫的隐患就更为突出。 6 传统 的机械设计只能从理论和经验上尽量 避免引起伺服阀振动啸叫结构的存在，但是很难从实 际上避免。作者利用 C F D技术提供了一种避免伺服 阀振动啸叫的方法，降低 了产生伺服阀啸叫的可能 性 。 参考文献 【 l 】梅里特 H E ． 液压控制系统[ M] ． 陈燕庆， 译． 北京 科学 出版社 ， 1 9 7 6 ． 【 2 】田源道． 电液伺服阀技术[ M] ． 北京 航空工业出版社， 20 08． 【 3 】A N D E R S O N J o h n D ． 计算流体力学基础及其应用 [ M] ． 吴颂平 ， 刘赵淼， 译． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 7 ． 【 4 】陈佐一． 流体激励[ M] ． 北京 清华大学出版社， 1 9 9 8 ． 【 5 】 王福军． 计算流体动力力学分析[ M] ． 北京 清华大学出 版 ， 2 0 0 4 ． 【 6 】 周俊杰， 徐 国权 ， 张华俊． F l u e n t 工程技术与实例分析 [ M] ． 北京 中国水利水电出版社， 2 0 1 0 ． 【 7 】雷天觉． 液压工程手册 [ M] ． 北京 机械工业出版社， 1 9 91． 【 8 】 刘明侯， Z H O U Y ， 陈义 良， 等． 结构振动对湍流近尾迹的 影响[ J ] ． 力学学报， 2 0 0 1 ， 3 3 2 1 6 31 7 2 ． 【 9 】席志德， 陈炳德， 李鹏洲． 弱耦合体系流致振动计算方法 [ J ] ． 原子能科学技术， 2 0 0 8 ， 4 2 s 2 4 4 4 4 4 7 ． 【 1 0 】 毛庆， 姜乃斌． 孔板诱发管道流致振动响应的计算方法 [ J ] ． 核动力工程 ， 2 0 0 9 ， 3 0 3 2 2 2 6 ． 上接第 1 5 3页 4伸出接近控制信号位置时，电液比例换向阀阀口开 度减小 ，伸出速度减 小 ，此 时 流进前 支腿 1 、2无杆 腔的流量开始增大，当前支腿 1 、2伸出接近控制信 号位置时其伸出速度减小，到 t 2 S 时4个支腿基本 同时到位，随后的 0 ． 5 S中超调量较小满足精度要 求，第一阶段调平结束。进入调平第二阶段后，由图 1 1 、图 1 2可知流进 4个支腿的流量相同，4个支腿 的伸 出速度也 相 同 ，t 4 s 后 4个 支腿 同时 伸 出到 位 。 5 结束语 通过联合仿真表明文中提出的基于模糊 P I D控 制的车载设备平台动态调平控制系统可以有效解决传 统调平控制系统存在的调平时间长、调平控制精度 低 、系统稳定性差等问题，对同类设备多液压缸调平 控制系统具有一定的借鉴和指导作用。 参考文献 【 1 】陆作其． 车载雷达车座平台全 自 动调平系统的设计与实 现[ D ] ． 镇江 江苏大学， 2 0 0 9 1 3 2 3 ． 【 2 】郭晓松， 占金春， 冯永保， 等． 导弹发射台新型通用调平 系统设计[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 7 ， 3 5 2 1 1 41 1 6 ． 【 3 】邓飙， 邱义， 张宝生． 基于电液比例技术的快速自动调平 系统[ J ] ． 兵工 自动化， 2 0 0 9 ， 2 8 1 7 0 7 5 ． 【 4 】 卢朝双． 高精度、 机电式车载雷达平台调平控制系统的 研发[ D] ． 成都 电子科技大学， 2 0 0 7 1 9 2 2 ． 【 5 】 江玲玲， 张俊俊． 基于 A M E S i m与 S i m u l i n k 联合仿真技 术的接口与应用研究 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 8 ， 3 6 9 9 91 01 ． 【 6 】 汪伟． 重型车辆液压 自动调平模糊 P I D控制研究[ D ] ． 武汉 武汉理工大学， 2 0 0 9 ． 【 7 】 张远深， 张园成， 刘晓光， 等． 基于 A M E S i m与 S i m u l i n k 的柔性负载试验台变频式电液控制系统建模与仿真研 究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 1 ， 3 9 7 1 2 11 2 3 ．