零位间隙及温度变化对喷嘴挡板阀的影响.pdf

年月 第卷 第期 机 床 与 液 压 收 稿 日 期 作 者 简 介林 阳 阳男硕 士 研 究 生主 要 研 究 方 向 为 武 器 系 统 仿 真 与 自 动 检 测 零位间隙及温度变化对喷嘴挡板阀的影响 林 阳 阳李 锋马 承 利刘 杰 第 二 炮 兵 工 程 大 学 二 系陕 西 西 安 摘 要双 喷 嘴 挡 板 阀 的 零 位 工 作 特 性 是 衡 量 阀 静 态 性 能 的 重 要 指 标当 喷 嘴 内 径 一 定 时阀 的 零 位 系 数 主 要 与 喷 嘴 挡 板 的 零 位 间 隙 有 关同 时 油 液 黏 度 随 温 度 变 化也 会 对 阀 性 能 产 生 影 响利 用 对 不 同 初 始 温 度 下 不 同 喷 嘴 挡 板 零 位 间 隙 的 阀 内 流 场 进 行 解 析通 过 对 比 分 析 找 到 适 应 大 温 度 范 围 的 最 佳 零 位 间 隙结 果 表 明适 当 增 大 喷 嘴 挡 板 零 位 间 隙可 以 降 低 油 液 黏 度 随 温 度 变 化 对 阀 静 态 特 性 造 成 的 影 响 关 键 词喷 嘴 挡 板 阀零 位 间 隙温 度流 场 中 图 分 类 号 文 献 标 志 码 文 章 编 号 前 言 双 喷 嘴 挡 板 式 两 级 电 液 伺 服 阀 是 电 液 伺 服 机 构 的 核 心 元 件已 广 泛 应 用 于 航 空航 天舰 船冶 金 机 床 等 行 业 的 液 压 伺 服 控 制 系 统 随 着 液 压 系 统 向 高 压大 流 量 方 向 发 展 对 电 液 伺 服 阀 工 作 的 温 度 稳 定 性 的 要 求 越 来 越 高而 作 为 前 置 级 的 双 喷 嘴 挡 板 阀其 在 大 温 度 范 围 内 的 可 靠 性 与 稳 定 性 直 接 决 定 了 伺 服 阀 的 温 度 性 能 喷 嘴 挡 板 阀 经 常 工 作 在 压 力流 量 曲 线 的 原 点 的 附 近此 时 阀 的 流 量 增 益 和 系 统 开 环 增 益 最 大阀 的 流 量压 力 系 数 及 系 统 阻 尼 比 最 小因 此原 点 对 系 统 稳 定 性 来 说 是 最 关 键 的 一 点 一 个 系 统 在 这 一 点 能 稳 定 工 作则 在 其 他 工 作 点 也 能 稳 定 工 作因 此 在 分 析 时通 常 以 原 点 的 系 数零 位 系 数作 为 阀 的 性 能 系 数 当 喷 嘴 内 径 一 定 时阀 的 零 位 系 数 主 要 与 喷 嘴 挡 板 的 零 位 间 隙 有 关因 此喷 嘴 挡 板 的 零 位 间 隙 对 于 阀 的 静 态 特 性 有 着 重 要 影 响以 往 都 只 是 用 解 析 法 或 者 实 验 求 得 零 位 间 隙 的 作 用本 文 作 者 运 用 流 场 仿 真 软 件 对 不 同 零 位 间 隙 下 的 喷 嘴 挡 板 阀 流 场 进 行 解 析同 时 通 过 分 析 不 同 温 度 条 件 下 的 流 场以 此 求 得 使 阀 在 大 温 度 范 围 内 正 常 工 作 的 最 佳 零 位 间 隙 喷 嘴 挡 板 阀 的 结 构 原 理 及 静 态 特 性 结 构 原 理 喷 嘴 挡 板 阀 是 电 液 伺 服 阀 的 液 压 前 置 放 大 器如 图所 示它 主 要 由 固 定 节 流 孔喷 嘴 和 挡 板 组 成 喷 嘴 与 挡 板 间 的 环 形 面 积 构 成 了 可 变 节 流 孔双 喷 嘴 挡 板 阀 就 是 通 过 调 节 两 对 固 定 节 流 孔 与 可 变 节 流 孔 之 间 的 差 动 关 系 来 实 现 对 油 液 压 力 的 控 制 图双 喷 嘴 挡 板 阀 原 理 图 阀 的 静 态 特 性 及 零 位 阀 系 数 液 压 阀 的 静 态 特 性 即 压 力流 量 特 性 是 指 稳 态 情 况 下阀 的 负 载 流 量 负 载 压 力 和 阀 芯 位 移 三 者 之 间 的 关 系即 它 表 示 阀 的 工 作 能 力 和 性 能对 伺 服 系 统 的 静动 态 特 性 计 算 具 有 重 要 意 义 阀 的 静 态 特 性 可 用 压 力 增 益流 量 增 益 以 及 流 量压 力 系 数 来 表 示这个 系 数 对 于 确 定 系 统 的 稳 定 性响 应 性 和 稳 态 误 差 非 常 重 要 阀 在 原 点 处 零 位 阀 系 数 可 用 以 下 公 式 计 算 求 得 槡 槡 式 中 分 别 为 阀 在 零 位 时 的 流 量 增 益 压 力 增 益流 量压 力 系 数 为 喷 嘴 可 变 节 流 孔 处 的 流 量 系 数 为 喷 嘴 内 径 为 供 油 压 力 为 喷 嘴 挡 板 零 位 间 隙 由 此 可 见当 喷 嘴 内 径 一 定 时 阀 的 零 位 系 数 主 要 与 喷 嘴 挡 板 的 零 位 间 隙 有 关因 此研 究 喷 嘴 挡 板 零 位 间 隙 对 阀 零 位 特 性 的 影 响对 于 提 高 阀 的 静 态 特 性 和 工 作 稳 定 性 有 重 要 意 义此 前 对 于 此 类 问 题 时只 采 用 解 析 法 或 者 进 行 实 验且 仅 仅 局 限 于 常 温 条 件 下然 而 当 温 度 变 化 时油 液 黏 度 的 改 变 将 对 阀 的 静 态 特 性 及 工 作 稳 定 性 造 成 影 响随 着 液 压 系 统 的 发 展现 代 液 压 元 件 越 来 越 需 要 在 大 温 度 范 围 内 仍 能 正 常 工 作因 此本 文 作 者 采 用 流 场 仿 真 软 件通 过 调 节 油 液 初 始 温 度 边 界 条 件研 究 不 同 零 位 间 隙 的 阀 内 流 场 分 布从 而 找 到 适 应 大 温 度 范 围 工 作 的 喷 嘴 挡 板 间 隙为 喷 嘴 挡 板 阀 的 优 化 设 计 提 供 参 考 依 据 模 型 建 立 及 参 数 设 置 喷 嘴 流 场 模 型 建 立 由 于 双 喷 嘴 挡 板 阀 两 侧 的 流 场 是 完 全 对 称 的为 了 简 化 计 算只 对 一 侧 进 行 建 模 分 析在 中 建 立 喷 嘴 挡 板 二 维 流 场 模 型见 图 具 体 结 构 参 数 为喷 嘴 内 径 长 度 喷 嘴 体 外 径 喷 嘴 端 面 凸 缘 厚 度 固 定 节 流 孔 孔 径 长 度 喷 嘴 挡 板 间 隙 为 喷 嘴 背 压 腔 直 径 为 图喷 嘴 简 化 流 场 二 维 模 型 网 格 划 分 及 边 界 条 件 设 置 针 对 二 维 流 场 模 型分 析 其 拓 扑 结 构运 用 划 分 并 建 立 相 应 的 映 射 关 系设 置 网 格 参 数生 成 平 面 结 构 化 网 格网 格 数 量 为 节 点 个 数 为 如 图所 示 图网 格 局 部 放 大 图 进 口 边 界 条 件 选 取 压 力 入 口供 油 压 力 为 出 口 边 界 条 件 设 为 压 力 出 口回 油 压 力 为 为 分 析 不 同 初 始 温 度 下 的 流 场作 以 下 假 设 工 作 介 质 为号 航 空 液 压 油其 在 不 同 温 度 下 的 特 性 参 数 见 表 表号 航 空 液 压 油 主 要 性 能 参 数 密 度 运 动 黏 度 油 液 为 不 可 压 缩 恒 定 牛 顿 流 体流 速 变 化 时 黏 度 不 发 生 变 化同 时 仅 考 虑 温 度 变 化 对 油 液 黏 度 的 影 响动 力 黏 度 与 运 动 黏 度 的 对 应 关 系 为 壁 面 光 滑 无 滑 移不 考 虑 壁 面 粗 糙 度 对 流 动 状 态 的 影 响 雷 诺 数 计 算 公 式 式 中 为 流 体 平 均 速 度 为 管 径 为 运 动 黏 度 由 公 式及 流 体 流 态 判 定 准 则 可 知低 温 和 时 为 层 流 和 时 为 湍 流 层 流 时 采 用 模 型 直 接 进 行 流 动 模 拟考 虑 流 动 过 程 中 的 能 量 转 换 和 损 失求 解 时 采 用 流 体 流 动 质 量 守 恒 方 程动 量 守 恒 方 程 和 能 量 方 程 湍 流 时 采 用 湍 流 模 型湍 流 动 能 为 湍 流 能 量 耗 散 为 式 中 为 入 口 速 度 为 湍 流 强 度 为 系 数 一 般 取 为 为 湍 流 长 度 机 床 与 液 压第卷 流 场 仿 真 结 果 分 析 将 导 出 的 网 格 文 件 导 入 中 根 据 流 体 控 制 方 程 进 行 计 算当 残 差 小 于 时可 判 定 计 算 收 敛并 导 出 流 场 分 布 图图分 别 为 喷 嘴 挡 板 整 体固 定 节 流 孔 及 喷 嘴 挡 板 处 的 压 力速 度 云 图 图喷 嘴 挡 板 阀 整 体 压 力速 度 云 图间 隙 初 始 温 度 图固 定 节 流 孔 处 压 力速 度 云 图间 隙 初 始 温 度 图喷 嘴 节 流 孔 处 压 力速 度 云 图间 隙 初 始 温 度 由 压 力 云 图 可 以 看 出阀 腔 可 以 固 定 节 流 孔 与 喷 嘴 挡 板 间 隙 为 分 界 点将 流 场 分 为个 压 力 区即 入 口 处 压 力 为 喷 嘴 前 背 压 腔即 控 制 腔压 力 约 为 经 过 喷 嘴 挡 板 间 隙 节 流 孔 后压 力 逐 步 降 至 固 定 节 流 孔 处 前 后 压 差 约 这 样 不 仅 可 以 使 喷 嘴 前 背 压 腔 的 压 力 保 持 稳 定保 证 到 达 喷 嘴 处 的 油 液 压 力 不 会 太 高而 且 还 能 降 低 油 液 压 力 脉 动 对 伺 服 阀 精 度 造 成 的 影 响 在 喷 嘴 挡 板 处由 于 挡 板 的 阻 挡 作 用在 挡 板 中 心 形 成 局 部 高 压 区压 力 约 为 油 液 转 向 经 过 喷 嘴 挡 板 间 隙 后油 液 压 力 逐 步 降 低 至 同 时 在 喷 嘴 端 面 出 现 了 负 压 区压 力 最 低 处 约 这 是 由 空 蚀 现 象 造 成 的 观 察 图速 度 云 图油 液 在 固 定 节 流 孔 处 流 速 急 剧 上 升最 高 速 度 达 到 在 进 入 背 压 腔 后流 束 脱 离 节 流 孔 壁 面 约 束逐 渐 扩 散因 此 油 液 流 速 逐 渐 降 低到 达 喷 嘴 挡 板 处 时油 液 从 喷 嘴 射 出与 挡 板 碰 撞 后向 四 周 溅 射在 间 隙 处 再 次 加 速最 高 速 度 达 到 由 此 可 以 得 出仿 真 得 到 的 油 液 压 力速 度 分 布 第期林 阳 阳 等零 位 间 隙 及 温 度 变 化 对 喷 嘴 挡 板 阀 的 影 响 合 理与 理 论 分 析 相 吻 合仿 真 时 所 设 边 界 条 件 及 相 关 参 数 合 理可 以 进 入 下 一 步 的 研 究 计 算 改 变 油 液 初 始 温 度 当 油 液 温 度 变 化 时油 液 黏 度 发 生 变 化从 而 对 阀 的 压 力速 度 特 性 产 生 影 响根 据 上 面 的 模 型参 考 表设 置 油 液 参 数 及 边 界 条 件 时初 始 化 后重 新 计 算将 结 果 导 入 中 进 行 后 处 理以 喷 嘴 中 轴 线 为 基 准得 到 不 同 初 始 温 度 影 响 下 的 压 力 速 度 变 化 曲 线如 图图所 示 图不 同 初 始 温 度 下 压 力 速 度 变 化 曲 线 图不 同 初 始 温 度 下 压 力 速 度 变 化 曲 线 由 图可 以 看 出初 始 温 度 与 的 压 力 变 化 曲 线 基 本 一 致同 时 与 时 的 压 力 变 化 也 保 持 一 致但 在 节 流 孔 处 的 变 化 幅 度 前 两 者 要 大 于 后 两 者而 在 图速 度 变 化 曲 线 中 和 时 的 速 度 曲 线 大 致 吻 合两 个 节 流 孔 处 速 度 变 化 因 此 当 喷 嘴 挡 板 间 隙 时 在 及 时 压 力速 度 特 性 基 本 一 致而 在 低 温 时油 液 黏 度 将 近 时 的 几 十 倍 到 几 百 倍已 经 超 越 了 其 他 因 素成 为 影 响 阀 特 性 的 主 要 因 素 改 变 喷 嘴 挡 板 初 始 间 隙 根 据 上 面 的 模 型将 喷 嘴 挡 板 间 隙 分 别 取 和 其 他 参 数 不 变 同 时在 中 按 照 表中 的 油 液 参 数 设 置 相 应 的 流 体 参 数 及 边 界 条 件将 所 计 算 的 结 果 导 入 中 进 行 后 处 理得 到 中 轴 线 处 不 同 零 位 间 隙 在 不 同 初 始 温 度 下 的 油 液 压 力速 度 特 性图分 别 是 为 和 时油 液 在 不 同 初 始 温 度 下 喷 嘴 中 轴 线 处 的 压 力速 度 变 化 曲 线 图不 同 初 始 温 度 下 压 力 速 度 变 化 曲 线 机 床 与 液 压第卷 图不 同 初 始 温 度 下 压 力 速 度 变 化 曲 线 由 图 中 可 以 得 出当 时 其 压 力 速 度 变 化 趋 势 与 时 大 致 相 同而 与 时 的 压 力 速 度 变 化 趋 势 也 大 致 相 同此 外在 喷 嘴 挡 板 间 隙 确 定 后初 始 温 度 和 时 的 压 力速 度 曲 线 基 本 一 致只 是 间 隙 较 小 时节 流 孔 处 的 压 降 及 最 高 流 速 较 小这 说 明在 和 时油 液 黏 度 由 于 相 差 较 小 对 阀 零 位 性 能 的 影 响 相 对 较 小而 此 时 油 液 在 节 流 孔 处 的 压 降 随 着 喷 嘴 挡 板 间 隙 的 增 大 而 增 大 当 喷 嘴 挡 板 间 隙 为 及 时油 液 初 始 温 度 为 时 的 压 力 变 化 保 持 正 常 趋 势但 此 时 速 度 变 化 及 初 始 温 度 为 时 的 压 力速 度 变 化 已 经 变 得 不 规 则说 明 在 和 时由 于 油 液 黏 度 增 大流 动 状 态 由 湍 流 变 为 层 流此 时 流 层 间 的 摩 擦 力 起 主 要 作 用这 样 油 液 在 经 过 固 定 节 流 孔 时 两 侧 流 层 受 阻 后 速 度 反 向由 于 流 层 间 的 摩 擦 力 作 用使 得 流 入 节 流 孔 的 中 间 流 层 速 度 减 小而 中 间 流 层 通 过 节 流 孔 后带 动 节 流 孔 后 侧 流 层 运 动同 时 此 时 油 液 与 壁 面 之 间 的 黏 附 作 用 加 大从 而 在 节 流 孔 前 后 两 侧 就 容 易 形 成 漩 涡造 成 系 统 能 量 损 失效 率 降 低如 图所 示因 此在 这 种 情 况 下喷 嘴 挡 板 阀 已 经 不 能 正 常 工 作 图 温 度 为 时 的 速 度 矢 量 图 综 上 所 述当 及 时喷 嘴 挡 板 阀 在 范 围 内 可 以 正 常 工 作当 及 时在 低 温 环 境 下阀 的 工 作 性 能 将 受 到 影 响由 于 较 大 时 阀 的 零 位 泄 漏 流 量 也 将 增 大进 而 降 低 了 系 统 效 率因 此 在 文 中 所 采 用 的 零 位 间 隙 中 是 保 持 阀 在 范 围 内 正 常 工 作 的 最 佳 选 择 结 束 语 利 用 流 场 仿 真 软 件 对 不 同 初 始 温 度 下 不 同 喷 嘴 挡 板 零 位 间 隙 的 伺 服 阀 前 置 级 流 场 进 行 解 析得 到 以 下 结 论 利 用 对 所 建 立 的 二 维 模 型 进 行 流 场 解 析 结 果 真 实 有 效 地 反 映 了 喷 嘴 挡 板 阀 内 流 场 的 变 化 在 喷 嘴 内 径 一 定 时适 当 地 增 大 喷 嘴 挡 板 零 位 间 隙可 以 降 低 油 液 黏 度 随 温 度 变 化 对 阀 静 态 特 性 的 影 响 在 设 计 大 温 度 范 围 内 工 作 的 伺 服 阀 时除 了 需 要 考 虑 液 压 油 的 黏 温 特 性 外建 议 根 据 适 用 的 温 度 范 围 合 理 设 计 喷 嘴 挡 板 的 零 位 间 隙 参 考 文 献 李 洪 人液 压 控 制 系 统北 京国 防 工 业 出 版 社 耀 保极 端 环 境 下 的 电 液 伺 服 控 制 理 论 及 应 用 技 术 上 海上 海 科 学 技 术 出 版 社 王 春 行液 压 控 制 系 统北 京机 械 工 业 出 版 社 中 国 航 空 材 料 手 册 编 辑 委 员 会中 国 航 空 材 料 手 册 北 京中 国 标 准 出 版 社 孙 春 耕罗瞡张 利水 压 双 喷 嘴 挡 板 阀 的 分 析 液 压 与 气 动 曹 玉 平阎 祥 安液 压 传 动 与 控 制天 津天 津 大 学 出 版 社 耀 保肖 其 新 闫 世 敏温 度 对 电 液 伺 服 阀 的 影 响 分 析 流 体 传 动 与 控 制 陆 向 辉高 殿 荣两 级 电 液 伺 服 阀 双 喷 嘴 挡 板 阀 内 流 场 计 算 与 分 析 中 国 机 械 工 程 水 清 皎 双 喷 嘴 挡 板 式 电 液 伺 服 阀 特 性 研 究 兰 州兰 州 理 工 大 学 第期林 阳 阳 等零 位 间 隙 及 温 度 变 化 对 喷 嘴 挡 板 阀 的 影 响