电液伺服机构溢流阀节流口制造参数优化分析.pdf

第 40 卷 2023 年第 s1 期上海航天（中英文）AEROSPACE SHANGHAI（CHINESE&ENGLISH）电液伺服机构溢流阀节流口制造参数优化分析王朝阳1，2，唐庸1，2，夏忠1，李芳1，房成1，潘乐1（1.上海航天控制技术研究所，上海 201109；2.上海市伺服系统工程技术研究中心，上海 201109）摘要:电液伺服机构工作压力由溢流阀调定，其配套的溢流阀性能合格、稳定性对伺服机构整机性能有重要影响。针对溢流阀在研制过程中存在的压力超调、波动大和自振问题，为保证阀门开口稳定性，对节流口制造工艺参数展开优化分析。采用计算流体力学（CFD）计算流体力学的研究方法，建立圆形、方形节流口形式结构的溢流阀模型，采用航空液压油单相体系，选用 Reynolds应用模型，分析阀芯内的流场静态特性，检测到方形节流口处流体压力分布均匀。同时使用阀门综合试验台，对 2 种结构的启动压力和关闭流量进行试验研究。结果表明：槽宽0.3 mm 的节流口结构为方孔形式，有效地改善了溢流阀开启特性，确保伺服机构的工作压力平稳，性能稳定。关键词:电液伺服机构；溢流阀；节流口；优化；数值模拟；试验研究中图分类号:V 46 文献标志码:A DOI:10.19328/ki.20968655.2023.s1.025Optimization Analysis of Manufacturing Parameters for Relief Valve Throttle Port of Electro-hydraulic Servo MechanismWANG Chaoyang1，2，TANG Yong1，2，XIA Zhong1，LI Fang1，FANG Cheng1，PAN Le1（1.Shanghai Aerospace Control Technology Institute，Shanghai 201109，China；2.Shanghai Engineering Research Center of Servo Systems，Shanghai 201109，China）Abstract:The pressure of the servo mechanism can be adjusted by the relief valve.The qualification rate and stability of the relief valve performance have a significant impact on the overall performance of the servo mechanism.During production，there are problems with excessive pressure fluctuation and self-vibration in the relief valve.To secure a stable valve performance，it is necessary to conduct a throttling characteristic analysis based on the manufacturing process of throttling ports.The paper adopted the research method of CFD computational fluid dynamics；applied the fluid mechanics software Fluent with the aviation hydraulic oil single-phase system；and selected the turbulence model Reynolds application model.By analyzing the flow field inside the valve core，it was found that the fluid pressure distribution at the square orifice was uniform.The research was conducted on the relief valve with a circular opening and a square opening structure.Using the comprehensive valve test system，experimental research was conducted on the starting pressure and closing flow rate of two structures.The results show that the square orifice structure with a groove width of 0.3mm effectively improves the opening characteristics of the relief valve，securing stable working pressure of the valve and the performance of the electro-hydraulic servo mechanism.Key words:electro-hydraulic servo mechanism；relief valve；throttling port；optimize；numerical simulation；experimental research0引言 电液伺服机构作为实现运载火箭各级发动机推力方面矢量控制的重要组成部分，需保证在接受系统信号后，准确、及时地推动发动机完成相应的动作。伺服机构配套的零部件较多，其中溢流阀作为 机 构 重 要 件，具 有 调 节 伺 服 阀 入 口 压 力 的 功能1-2。液压系统向高压、大功率化方向发展的同时，液压系统配套溢流阀在实际运行过程中出现的收稿日期：20230413；修回日期：20230609作者简介：王朝阳（1991），男，工程师，主要研究方向为现役运载火箭配套伺服机构精密装配工艺技术研究。171第 40 卷 2023 年第 s1 期上海航天（中英文）AEROSPACE SHANGHAI（CHINESE&ENGLISH）压力超调、波动大和振动频繁问题日趋严重。以我国某典型运载火箭液压伺服机构配套溢流阀为例，该溢流阀为直动式滑阀型溢流阀，阀芯零件加工精度要求高，其节流口为圆形节流口形式，存在加工周期冗长、关键环节装调试验反复多、过程质量管控难、性能可靠性不足等问题3-4。杨旭等5将均匀设计实验法应用于溢流阀阀体流场结构优化试验方案，优化了阀腔流场结构。董文勇等6针对高压大流量插装式先导型溢流阀展开仿真分析和优化设计，采用排序遗传算法，求解得到一定范围内溢流阀的最优结构参数。党堃原等7针对航天伺服系统高压大流量的特点，采用仿真与迭代优化的段，设计凸缘结构改进了溢流阀，提高了稳压精度。陈炳兴等8优化阻尼孔直径参数，改进阀内流道，减少气蚀、液压冲击等现象的发生。但各直动式溢流阀的零件尺寸和结构差异较大，基于节流特性对溢流阀节流口的制造参数优化的研究还处于初步阶段。对溢流阀阀芯节流口由圆形开口改进为相同流通面积的方形开口展开比对研究，计算流体力学（Computational Fluid Dynamic，CFD）模拟阀芯内流场，分析其流体速度梯度和压力梯度，并结合试验研究节流口结构，改善对初开压力、关闭流量和入口压力稳定性的影响。1制造工艺参数优化及数值模拟 上述典型运载火箭液压伺服机构配套溢流阀结构如图 1 所示。该结构的工作原理为：伺服机构定量泵所排出的油液通过堵塞小孔进入并作用于溢流阀阀芯，当作用力大于弹簧预紧力、摩擦力及液动力之和时，将推动阀芯在阀套内向右做轴向运动；当油液压力所产生的作用力高于溢流阀调定的初开压力时，阀芯上的节流孔具有一定的开口量，油液通过阀芯阻尼孔溢流回油箱，保证系统工作压力基本维持额定值。当系统油液的工作压力降低至溢流阀的关闭压力时，弹簧所产生的弹性力大于油液压力对阀芯的作用力、摩擦力及液动力之和，推动阀芯在阀套内向左做轴向运动，直至溢流阀的溢流小孔窗口关闭，即溢流阀关闭。1.1物理模型构建及网格划分本文采用三维软件 Solidworks，对方形、圆形阀芯内流体经过区域建模，然后导入 ICEM CFD 进行网格拓扑。网格经无关性验证后，最终确认保证计算收敛、计算精度的最优数为 8.74104个，网格质量在 0.73 以上，动量、能量和连续性方程收敛曲线均降至 105数量级以下，且进出口液相质量的差值与出口对应液相的比值小于 104级，满足本研究质量守恒要求，可进行后续 CFD 求解，网格划分情况如图 2所示。1.2边界条件及数值解法采用 10号航空液压油作为液相，设置液压油为图 1溢流阀组件结构Fig.1Structural diagram of relief valve components图 2网格划分Fig.2Grid division172第 40 卷 2023 年第 s1 期王朝阳，等：电液伺服机构溢流阀节流口制造参数优化分析不可压缩的牛顿流体，油液密度为 850 kg m3，设置50 时该液压油对应的动力黏度。结合液压溢流阀的实际工况，进口边界采用进口压力，总压为21.5 MPa，节 流 口 处 均 采 用 出 口 速 度 边 界，将1.55L min1油液经过 2 种节流口的流速设置为出口速度，并采用无滑移壁面。本研究采用 Reynolds Stress 湍流模型，促使 N-S方程封闭，模型中摄入雷诺压力，处理完善耗散速率方面产生的不封闭问题，因此从模型中增加到处理三维流动行动方程9-12。求解器方面采用压力基求解器隐式求解，并选择 Simple 压力-速度修正算法进行稳态运算。对于稳态的不可压缩流体，连续性方程如下：u1x1=0（1）动量方程如下：xj(uiuj)=-pxi+xj|uixj-ui-uj|（2）式中：x1、x2和 x3为笛卡尔坐标分量；u1、u2和 u3为速度分量；p为各点压力，MPa；为流体密度，kg/m3；为分子黏度，Pa s。其中，i，j=1，2，3。整理后的雷诺应力方程如下：t(-ui-uj)+xk(uk-ui-uj)=Dij+Pij+ij+ij（3）式中：（补充说明）xk为位置分量；uk为对流项；-ui-uj为雷诺应力的时间变化率；Dij为扩散项；Pij为剪力项；ij为压力应变再分配项；ij为耗散项。2项积分式分别为应力随着时间的变化项和对流项。扩散项表达式如下：Dij=xk|tk-ui-ujxk|（4）式中：k为应力分量；t为湍流黏度。1.3阀芯开口形式设计计算所述直动式溢流阀节流口形式为沿圆周均匀分布的 4 个孔径 为 0.8 mm 的圆孔。根据设计指标，复算阀芯的工作情况。电液伺服机构配套溢流阀正常工作状态下，溢流阀节流口初开时，油液受力 F1表达式如下：F1=P1A1（5）式中：P1为初开压力，20.3 MPa，A1为受力面积，4 mm2。溢流阀节流口全开时，流量为 1.55 L，油液所产生的力 F2表达式如下：F2=P2A2（6）式中：P2为初开压力，21.5 MPa，A2为受力面积，4 mm2。由此可计算从初开到最大开度时油液可产生的力差值为F=F-F1（7）则此时阀芯所产生的过流面积为q=CdA2*P（8）式中：q为阀门流量 1.55 L min1；Cd为流量系数，取0.72；P 为开口压差，21.5 MPa。为油液密度，850 kg/m3。可计算阀芯在全开时产生的过流面积为 A3=0.160 mm2；如按 4 个圆孔全开时，则流通面积为 A4=4 0.42=2.01 mm2。节流口节流面积如图 3所示。由图 3 可知，根据圆形弧度计算出阀芯移动所形成扇形对应的弧度为0.5R2-0.5R2sinR2=0.1602.01（9）式中：为节流口对应角度，（）；R 为节流圆直径，mm。由式（9）求得 为 1.496 rad。扇形移动距离的表达式为L=R(1-COS(1.492)=0.107 mm（10）可得到 1.55 L min1流量阀芯的节流长度仅为0.107 mm。图 3节流口节流面积Fig.3Throttle area diagram of the throttle orifice173第 40 卷 2023 年第 s1 期上海航天（中英文）AEROSPACE SHANGHAI（CHINESE&ENGLISH）综上所述，溢流阀的工作行程仅约为 0.1 mm，工作行程较短。随机挑选 10 套溢流阀阀芯进行截流口共面度检测，检测结果见表 1。由表 1可知，10件溢流阀阀芯中，仅有 2件满足共面度要求。4 个阀芯节流口对称分布，在加工过程中，需翻转零件，二次加工成形，因此较难保证阀芯节流口的共面度。综上所述，可得如下结论。1）溢流阀阀芯节流口共面度较差。溢流阀阀芯节流口为沿周向均匀分布的 4 个 0.8 mm 的小孔，在加工过程中，小孔需二次加工成型，较难保证4个小孔的共面度；2）2 个 0.8 mm小孔的节流边宽度较大，溢流阀阀芯的工作位移较小，造成溢流阀阀芯在全行程工作中，弹簧的压缩量较小，在油温变化、泵出口压力脉动等工况下，不利于溢流阀保持稳定性。1.4优化阀芯节流口形式的计算确定溢流阀阀芯的更改方案为：将4个 0.8 mm的节流孔改为 2个对称分布、宽度为 0.3 mm 的方形节流孔，更改后的溢流阀节流孔形式如图 4 所示。经优化，节流口的共面度较好，且其在加工过程中可得到保证，降低溢流阀阀芯加工难度，提高溢流阀调试合格率，增加溢流阀阀芯的工作行程。从而使溢流阀在工作过程中弹簧的压缩量增大，增强溢流阀的稳定性。方形小孔使用线切割加工而成，0.4 mm小孔为工艺孔，用于放置线切割丝，其本身不在阀芯的工作行程内，方形孔宽度为 0.30.01 mm。方形溢流阀阀芯全开开口量如图5所示，优化后的溢流阀全开节流面积不变，按双边方形孔计算，可得此时溢流阀全开工作行程为L=0.266 mm。2数值模拟结果与分析 2.1节流口形式对出口压力的影响圆形节流口的阀芯通入 21.5 MPa的油相时，阀芯内轴向压力除在节流口处有变化外，各处压力一致，如图 6所示。在节流口横截面上，边壁附近压力约为 16.80 MPa，远离边界处最小约为 8.21 MPa，但边壁两端附近压力可达 21.50 MPa。在节流口初开至全开行程中，该压力剧变现象将影响阀芯在阀体内运动的顺畅度，在一定程度上引起伺服机构入口压力曲线的突跳13。表 1溢流阀阀芯节流口共面度测量表Tab.1Measurement table for coplanarity of valve core and throttling port编号H1611 2H1612 2H1611 1H1612 5H1613 9共面度要求0.01实测值0.010.020.030.020.02编号H1613 8H1611 7H1610 4H1610 6H1611 9共面度要求0.01实测值0.010.020.030.020.02图 4方形节流孔形式Fig.4Rectangular orifice type图 5不同节流口时的全开状态对比Fig.5Comparison diagram of different throttle fully open states174第 40 卷 2023 年第 s1 期王朝阳，等：电液伺服机构溢流阀节流口制造参数优化分析方形节流口的阀芯通入相同油压时，阀芯内轴向压力除节流口处外，各处压力一致，如图 7 所示。在方形节流口横截面的 4个端角附近，压力最大约为18.0 MPa，边壁附近压力约为 17.3 MPa，最低处约为12.5 MPa。方形开口阀芯在相同通过面积时，节流口各处油液压差较平缓，阀芯在阀体内的运动更顺畅，使得经溢流阀调压后进入伺服阀的油压更平稳，减少伺服系统压力波动。同时，在节流口初开至全开行程中，在边壁处未出现明显的局部压差，该部分稳定的压力变化可保证阀芯在阀体内顺畅的运动。2.2节流口形式对出口速度的影响圆 形 节 流 口 的 阀 芯 在 通 过 21.5 MPa 的 油 相时，阀芯内轴向流速一致，油液流速在节流口处变化明显，如图 8 所示。圆形节流口横截面上，流速最大约 161 ms1，在边壁附近则迅速减小至零。在节流口初开至全开行程中，该流速占据约 60%的范围。由于在该范围附近，速度突变明显，将影响阀芯在阀体内运动的顺畅度，在一定程度上引起 伺 服 机 构 入 口 压 力 曲 线 的 突 跳 和 流 量变化14-15。方形节流口的阀芯在通入相同油压时，除节流口阀芯内外，轴向流速处均一致，如图 9所示。方形节流口阀芯的出口横截面，流速最高达约 162 m s1，随后降至 72 ms1，边壁附近为零。方形节流口阀芯油流速变化更为平缓，使得油液更稳定进入伺服阀。2.3方形节流口机构对开口行程的影响分析结果显示，方形节流口形式的溢流阀在通入相等压力值的液压油时，行程内液压油压力在方形边壁向中心呈递减趋势，液相压力在方形边壁向中心呈递增趋势，如图 10（a）所示。在节流口初开至全开行程中，边壁处不再出现明显的局部压差，阀芯受稳态压力梯度的影响较小，调压后的液压油能更平稳地进入伺服系统。方形开口的阀芯出口处流速变化更为平缓，可起到降低柱塞泵能耗、减缓入口压力曲线突跳的作用，如图 10（b）所示16。图 7方形节流口溢流阀压力云图Fig.7Pressure cloud diagram of square throttle relief valve图 6圆形节流口溢流阀压力云图Fig.6Pressure cloud diagram of circular throttle relief valve175第 40 卷 2023 年第 s1 期上海航天（中英文）AEROSPACE SHANGHAI（CHINESE&ENGLISH）3试验情况 3.1试验条件伺服机构工作压力由溢流阀调定。定量泵排出的油液进入溢流阀阀芯后，当作用力大于弹簧预紧力、摩擦力及液动力之和时，将推动阀芯运动；当油液压力所产生的作用力高于溢流阀调定的初开压力时，油液通过节流口回油箱，从而保证系统工作压力维持在额定值附近。根据上文的模型，将溢流阀阀芯 0.8 mm的节流孔改为宽度为 0.3 mm 的相同最大流通面积的方形节流孔，并在试验台进行试验。更改前、后的溢流阀节流孔形式如图 11所示。溢流阀在试验台的测试原理如图 12 所示。高压口 P 和回油口 T，分别与高压能源系统的 P、T 口连接好。通过比例调速阀 8 设定测试所需的流量。调节比例溢流阀 13 和 15，设定被试阀的阀前压力。溢流阀前接有温度、压力传感器 14和 7.1，通过压力传感器传回的信号处理后，可得压力损失 P。图 8圆形节流口溢流阀速度云图Fig.8Cloud chart of circular throttling port relief valve velocity图 9方形节流口溢流阀速度云图Fig.9Velocity cloud map of square throttle relief valve图 10方形节流口溢流阀行程内压力及流速变化Fig.10Changes of pressure and flow rate within the stroke of relief valve with square orifice176第 40 卷 2023 年第 s1 期王朝阳，等：电液伺服机构溢流阀节流口制造参数优化分析通过 10 流量计和调速阀 8 设定测试流量大于1.55 L min1，通过调节电比例溢流阀 15，将被试阀前压力由 0 Mpa 上升到 21.5 Mpa，再从 21.5 Mpa降到 0 Mpa，通过压力传感器 7.1结合流量传感器 10的输出，记录溢流阀的初开压力、全开压力，以及相应的全开流量和关闭压力等参数。如图 13所示。3.2试验结果与分析对 19 件阀芯为方形节流口的溢流阀分别进行试验，调试合格 16件，合格率达到 80%，超过改进前溢流阀调试平均合格率不足 20%的水平，调试合格率得到显著提升，从而缩短了零件齐套周期，提升了研制生产进度的可靠性。将优化后的方形节流口形式溢流阀装入伺服机构试验件，进行 10次空载性能及低温、高温、振动等项伺服机构整机试验项目，各项试验的伺服入口压力稳定在 21.2 MPa，波动P 在 0.2 MPa以内，测试过程中伺服机构工作压力如图 15 所示。试验证图 11不同节流形式的溢流阀阀芯Fig.11Relief valve cores with different throttling forms图 12溢流阀测试原理Fig.12Testing principle of a relief valve图 13溢流阀调试台Fig.13Relief valve debugging platform图 14方形节流口的溢流阀调试时初开压力、关闭流量Fig.14Initial opening pressure and closing flow during the commissioning of relief valve with square orifice177第 40 卷 2023 年第 s1 期上海航天（中英文）AEROSPACE SHANGHAI（CHINESE&ENGLISH）明，在油温变化、泵出口压力脉动的情况下，更改后溢流阀方形节流口阀芯的工作行程增大，即阀芯全开工作行程为更改前的 2.5 倍，确保伺服入口压力稳定，以及各项性能测试过程中工作正常，且一致性较好。4结束语 本文针对电液伺服机构溢流阀关键环节存在装调试验过程压力不稳定等问题，提出方形节流口溢流阀结构的制造工艺参数优化，并结合 CFD 仿真及试验验证，分析方形及圆形结构阀门的节流特性。结果表明，槽宽 0.3 mm 方孔结构的溢流阀，节流口压力分布均匀，有效地改善了溢流阀开启特性，使伺服机构的工作压力平稳，性能稳定。但本文未考虑细小槽宽的毛刺对溢流阀节流特性的影响，因此后续将研究阀芯节流口的锐边、毛刺对开启、闭合时性能的影响，以及线切割、增材制造等先进的零件加工方法的分析应用。参考文献1 夏忠，张双田，王朝阳，等.某型液压伺服机构工作压力脉动现象分析 J.飞控与探测，2018，1（2）：49-55.2 郑长松，范家辉，杜秋，等.基于 CFD 的液压滑阀流场特 性 与 稳 态 液 动 力 研 究 J.机 床 与 液 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analysis of axial piston pump leakage and output flow ripples J.Applied Mathematical Modelling，2012，36（4）：1731-1751.图 15方形溢流阀装入伺服机构机构的试验压力情况Fig.15Pressure situation at the inlet of the square relief valve installation mechanism178