基于CFD的不同工作介质下射流管伺服阀流场特性仿真研究

　　据统计, 80% ~90%伺服阀故障是由工作介质污染引起的。伺服阀抗污染能力一般由其最小通流尺寸决定,射流管伺服阀最小通流尺寸为0.2~0.4 mm,喷嘴挡板伺服阀最小流通尺寸为0.03~0.05 mm,因此射流管伺服阀抗污染能力强、可靠性高[1-3]。同时,射流管伺服阀的压力和容积效率达70%,而喷嘴挡板伺服阀约为50%,故射流管伺服阀可以产生较大控制压力和流量,功率滑阀的直径和行程可以取得更大,从而提高了功率滑阀的驱动力,增大了抗污染能力。射流管伺服阀的前置级磨蚀对称,不会引起零漂,具有/失效对中0的特点,不会造成/满舵0靠性高、寿命长的特点,在工程上得到了广泛应用。

　　作者以商业化CFD仿真计算软件为工具,重点研究射流管伺服阀在几种不同工作介质下,结构尺寸对其流场特性的影响。

　　1 射流管伺服阀的基本结构及工作原理

　　射流管伺服阀主要由力矩马达、射流管放大器、功率滑阀、反馈弹簧杆组件及过滤器组成[4-5]。图1为射流管伺服阀结构示意图。其中:进口压力ps,出口压力pt,功率滑阀两个负载口压力分别是pa和pb,A是射流接收器两个接收管的夹角,b是射流管与接收器之间的间隙。图2为某型射流管伺服阀实物照片。

　　射流管伺服阀工作原理:当伺服控制电流加至力矩马达磁轭上绕制的控制线圈,力矩马达给磁轭输出相应的控制转矩,该转矩使磁轭及与之相连的弹簧管组件绕其旋转中心转动一个角度。射流管也转过相同的角度,因而在两个接收管腔中形成一定的压力差,并驱动功率滑阀阀芯在阀套内移动。同时,滑阀芯的移动使反馈弹簧杆产生弯曲变形,反馈力作用在与射流管固连的弹簧管组件上,导致射流管偏转角减小,从而减小阀芯两端的压力差。当作用在射流管上的马达转矩与反馈杆产生的转矩相等时,射流管将保持固定偏转角,也将使阀芯在阀套中处于相对固定位置,从而产生控制负载的压力或者流量。在一定压力下,阀芯位移与控制电流基本成比例,这正是射流管伺服控制所需要达到的目的。

　　2 流场特性仿真的边界条件

　　运用CFD的GAM-BIT软件对射流管伺服阀建立三维模型,总网格数为800000~1000 000,见图3。

　　作者运用CFD中的FLUENT软件进行射流管伺服阀流场仿真分析,边界条件:进口压力10MPa、出口压力0.5MPa。选取的工作介质分别为水、煤油和液压油,密度分别为99812、889、780kg/m³,黏度分别为0.001003、1.7894X10^-5、0.0024Pa#s。

　　3 流场特性仿真结果

　　3.1 射流管直径d1对流场特性的影响

　　选取:射流接收孔直径d₂为0.3 mm、射流管喷嘴端面间隙b为0.5 mm、射流接收管夹角α为45b、射流管偏转角φ为0.4b;进口压力ps为10MPa、背压p_t为0.5MPa、工作介质温度t为300K。射流管直径d₁分别取为0.2、0.3、0.4 mm,仿真结果如图4示。