射流管式伺服阀前置级建模与仿真

射流管式伺服 阀前置级建模与仿真
王纪森 ，张晓娟 ，彭博
（ 北工业 大学 自动 化 学院 ，陕西西安 ７ ０７ ） 西 １０２
摘 要 ：利用 Ｆｕｎ 软 件进 行射流管式伺服 阀前置级 的三维流场分 析 ，获得射 流管在不 同偏转角度 、不同入 口压力 、不 ｌｅ ｔ 同回油压力 时的恢复压力 ；在 Ｍａａ ｔｂ中进行多元线性 回归 ，拟合 出恢复压力函数关系式 ；并在 Ａ Ｓｔ ｌ ＭＥ ｅ 中建立前 置级模 型 ，
网格 化 流场 模 型 ，网格 间
隔设 为 ｏ １ 网格 质 量 对 计 ．。
算精度 和 稳定 性 有很 大 的 影响 ，在 Ｇ ｍ ｉ 中生成 初 ａ ｔ ｂ 步 网 格 后 ，还 需 在 Ｆｕｎ ｌｅｔ 中，利用 其 网格 自适 应 功 能对局部进行 细化 （ 如喷嘴 和接 收孔处 ） 。图 ２为射流 图 ２ 偏转 ０ 的网格模 型 。 管偏 转 ０ 时 ，恢 复 压力 特 。 性（ 切断负载） 的流场 网格化模 型。
模型 ，用于射流伺服 阀整体 的 Ａ Ｅ ｉ Ｍ Ｓｍ建模 。
收 稿 日期 ：２ １ — ３—１ ０１ ０ ４
作者简 介 ：王纪森 （ ９ ６ ） １６ 一 ，男 ，教授 ，博 士生导师 ，主要研究方 向为非线性控制 、机动 车防爆 制动控制 、电液 控制系统 及 工 业 过 程 控 制 。Ｅ— ｉ ｈｎｘａｊａ９ ８ １３ ｃｒ。 ｍａ ：ｚａ ｇｉ ｕｎ ０ ＠ ６ ．ｏ ｌ ｏ ｎ
Ｋｅ ｗｏ ｄ ：Ｊ ｔｐ ｐ ｙ ｒ ｕｉ ｅ ｒ一 ａｖ ｙ ｒ ｓ ｅ — ｉ ｅ ｈ ｄ ａ ｌ ｓ ｎ ０ ｖ ｅ；Ｆ ｕ ｎ ｏｔ ａ ｅ Ｆ ｏ ｅｄ ａ ａｙ ｉ ；ＡＭＥ ｉ ｓ ｆ ａ ｅ ｃ ｌ ｌ ｅ ｔｓ ｆ ｒ ； ｌｗ ｆ ｌ ｎ ｌ ｓｓ ｗ ｉ Ｓ ｍ ｏｔ ｒ ｗ
第 ７期
王纪 森 等 ：射流管式伺服 阀前置级建模 与仿 真
・１ １・ ６
矩 马达有输 入 信 号 时 ，射流 管偏 离 中位 ，射 入 一个 接 收孔 的油液 比射入另一个 的多 ，从 而引起 两个 接收 孔 中静态恢复压力不相 同 ，主阀阀芯运 动 ，其方 向取 决于输入信号方 向 ，速度取决 于输 入信号 大小ｕ 。
长直 管 道 ，所 以选 择 Ｈ ｘ ｅ
＿ ；一； Ｉ遴＿ １ ０ Ｉ Ｂ 裹－＿ 爱ｉ● ｌ～：；３ 黧ｌ ｔ誓 瓣Ｊ Ｊ ｌ ＿ １ －一 ｌｌ 度１ ｌ Ｏ 篡‘ 博 １ｌ 幅 黧 射 ，● 助 ｉ １。 ；２ ０ ； Ｉ ｌ ７ － ５ ｉ
Ｃｏｎ ｕｒ ｆＳｔ ｌ ￣ｓ １Ｆ （ １ １３２ Ｐ● ｔｏ Ｊｏ ｓｔ￣ｅｌ ￥１ ｃ × ０ ５ ）
２１ ０ ２年 ４月 第４ ０卷 第 ７期
机床与液压
Ｍ ＡＣＨＩ ００Ｌ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬ ＣＳ ＮＥ Ｔ Ｉ
Ａｐ ．２ ２ ｒ ０１
Ｖｏ． ． １４０ Ｎｏ ７
Ｄ ：１ ． ９ ９ ｊ ｉ ｎ １ ０ ＯＩ ０ ３ ６ ／ ．ｓ ． ０ １—３ ８ ． ０ ２ ０ ． ４ ｓ ８ １２ １．７ ０ ９
３× ０ ２ ａ ，不 同偏 转 角度 下 ，接收 腔压 力值 ｉ １ ５Ｐ 时 ３ 如表 １ 所示 ，在 Ｍ ｔｂ中仿 真得 出接 收腔 压力 随偏 ａａ ｌ
转角度 的变化 曲线如 图 ５所示。
表 １ 入 口压 力 ２０Ｘ１ １３ ５Ｐ 。 出 １ ２ ａ ０ 口压 力 ３×１１３ ５Ｐ ，不 同偏 ０ ２ ａ
图 １ 射流管伺服 阀典型结构
油源将具有定压 力 、定流 量 的油液输 入射 流管 ， 定压力值取决于油源 ，定流量值取决于供油压力和射 流管锥形喷嘴 的孑 径 。无输入信号时 ，射流管一般 由 Ｌ 对 中弹簧保持在 中间平衡位置上 ，两接 收孔 内出现相 等 的静态恢 复 压力 （ 即喷 嘴射 出 的射流 动 能被 接 收 孔接 收后转 换成 的静 压力 ） ，主阀阀芯不 运动 。当力
Ｆｕｎ 软件是 目前计算流体 力学 （ Ｆ ） 的主流 ｌｅｔ ＣＤ 商业软件 ，其 设计 基 于 Ｃ Ｄ计 算机 软 件 群 的概 念 ， Ｆ 用来模拟从不可压 缩到高 度压缩范 围内的复 杂流动 。 Ｆｕｎ 软件推出多种优化的物理模 型 ，如定 常和非定 ｌｅｔ 常流 动 、层 流 、紊 流 、不 可 压 缩和 可压 缩 流 动 、传 热 、化学反应等 ，采用适合于它 的数值解法在计算速 度 、稳定性 和精度 等方 面达到最 佳 ，在 流场分 析方面 应用 广泛。 Ａ Ｅ ｉ 基 于 键 合 图 的 液 压／ 械 系 统 建 模 、 ＭＳ ｍ是 机 仿真及动力学分析软件 ，Ａ Ｅ ｉ Ｍ Ｓｍ为用 户提供 了一个 图形化 的时域仿真建模环 境 ，使用 已有模 型和 （ ） 或 建立新 的子模 型元 件 ，构建 优化 设计 所 需 的实 际原 型 ，通过修改模型 和仿真参数 ，进行仿真计算 、绘制 曲线 并分 析结 果 。 Ｍ Ｓｍ系 列产 品 中的 Ａ Ｓｔ Ａ Ｅｉ ＭＥ ｅ 为 用户提供 了一个标准化 、规范化 和图形化 的二次开发 平台 ，用户不仅可 以直接调用 Ａ Ｅ ｉ Ｍ Ｓｍ所有 的模 型代 码 ，而且可 以把 自己的 ｃ或 Ｆ Ｒ Ｒ Ｎ代码模 型 以图 Ｏ ＴＡ 形化模块的方式综合进 Ａ Ｅ ｉ Ｍ Ｓｍ软件包。 作者采用 Ｆｕ ｎ 软件对射流管伺服 阀前置级进行 ｌ ｔ ｅ 流场解析 ，得 出射流管 的恢复压力 函数 ，将结果转化 为 Ａ Ｓｍ模型 的可用 的基本数据 ，建立前 置级仿真 ＭＥ ｉ
Ｍ ｏ ｅｉ ｇ ａ ｄ Ｓ ｍｕ ａ ｉｎ ｆ ｒ Ｐ ｅ ｔ ｇ ｆＪ ｔｐｐ ｄ ａ ｌ ｅ ｖ － ａｖ ｄ ｌ ｎ ｉ ｌｔｏ ｏ ｒ ｓａ ｅｏ ｅ － ｉ ｅＨｙ ｒ ｕ ｉ Ｓ ｒ ｏ ｖ ｌｅ ｎ － ｃ
ＷＡ Ｇ Ｊｅ ． Ｈ Ｎ ｉ ａ ． Ｅ ＧＢ Ｎ ｉ ｎ Ｚ Ａ Ｇ Ｘ ａ ｎ Ｐ Ｎ ｏ ｓ ￣ｕ （ ｕｏ ａｉ ｏｌ ｅｏ ｏｔｗ ｓ ｒ ｏ ｔ ｈ ｉａ Ｕ ｉ ｒ ｔ， Ａ ｔｍ ｔ ｎＣ ｌ ｇ ｆ ｒ ｅｔ ｎＰ ｌ ｅ ｎｃｌ ｎ ｅｓ ｙ ｏ ｅ Ｎ ｈ ｅ ｙｃ ｖ ｉ
选择 ３ Ｄ求解器 ，在 Ｆｕｎ６ １中进行 以下 主要设 ｌｅｔ． 置 ，考虑到模型为不 可压 流动 ，选择 分离求解 器 、隐 式 、定常求解器 ，采 用标 准 的 ｋｅ两方 程 湍流 模 型 ； － 介质选 １ ５号航空液压油 ，油液密度 ８ ５ｋ／ ５ ｇ ｍ ，油液 动力黏度 ００ １ ８ ９ ８Ｐ ｓ ．０ × ． ａ・ ；初始化入 口压力条件 ２ 时 ，设置湍流强度 ５ ，水力直径 ０ ７ ，出 口压力 的 ％ ．５ 水力直径设 为 ０ ５ ，分 别 对 入 口压力 为 １ 、１ 、 ．７ 、６ ０ １ 、２ 丑 ５ １ＭＰ ，出 口压 力 为 ０ ． 、０ ３ ． 、０ ７ 、０ １ ． 、０ ５ ． 、 ０ ９Ｍ ａ ． Ｐ 几种 情 况 进 行 流场 分 析 。记 录各 种 情况 下 左 、右接收孔的压 力 值 。图 ３为射 流 管偏 转 ０ ，人 。 口压力为 ２ Ｐ ，出 口压 力 为 ０时 的静 压力 、速度 １Ｍ ａ 矢量 图 ；图 ４为 射 流 管 偏 转 １５ ，人 口压 力 为 ２ ．。 ｌ Ｍａ Ｐ ，出 口压力 为 ０时的流场静压力 速度矢 量 图。仿 真结 果表明 ：射流管无偏转 时 ，两接 收腔压力 相等为 ９ ３Ｍ ａ ． Ｐ ，偏转 １５ 时 ，左接收腔压力为 １ Ｐ ，右 ．０ ９Ｍ ａ 接收腔压力为 １６Ｍ ａ ． Ｐ 。可知 ：随着 射流 角增大 ，接
收腔恢复压力增大 。在喷嘴处液流速度最大 ，高压液 体 的压力 能转化为 高速液体 的动 能。高速液体喷射进 接 收孔后 ，孑 中压力 升高 ，这 时射 流的动能又转化为 Ｌ 压力 能。
２ 射流 管 阀前置 级 的流 场仿 真 ２ １ 射 流 流场 的有 限元 模 型 ． 在 Ｇ ｍ ｉ软件中建立射 流管模 型 ，根据伺服 阀尺 ａｂ ｔ 寸 ，分别建立射流 管偏转 角为 ０ 、０５ 、１０ 、１５ 、 。 ．。 ．。 ．。 ２０ 、２５ 时流场 的三维模型 ，模型包含射流管 、射流 ．。 ．ｏ 孔 、导流槽 和接 收孔 部分 ，采 用 ｎｎ 为 统一 量 纲 ， ｌ作 ｒ 模型参 数 如 下 ：射 流 孔 直 径 ０ ２ ｎ ，接 收孔 直 径 ．５ ｉｎ ｌ ０ ３ ｉ ．５ｈ ｍ，接 收孔 间距 ００ ｍ，接 收孑 倾 斜 角 ２ 。 ． １ｍ Ｌ ０， 射流管管径 ０７ ｉ，射流管长度 ３０ｍｎ ．５ｍｌ ｌ ． ｌ，喷嘴长度 １０ｒｎ ． ｉ，喷嘴与接收孔距离 ０４ｍｎ ａ ． ｌ。考虑 到模型具有 对称性 ，取对称面 的一半 作为流场模 型，不仅 减少计 算时间 ，还能保证模型更 容易收敛。Ｇ ｍ ｉ三 维 网格 ａｂ ｔ 有 Ｈ ｘ 六面体） Ｔ ｔ四面体 ） ｅ（ 和 ｅ（ 两种 ，选择 网格时 ，需 考虑以下几个 因素 ：设 置 的时间，计算 的费用 ，数值 的耗 散 。该 流场 模 型 的 几何 外 形 相 对 简 单 ，且 有
２ ２ Ｆｕ ｎ 流 场 仿 真 ． ｌｅｔ
（） 压力 图 ａ静
Ｃｎ ｕ ｏ ｅ ｃ Ｍ ｇ ｔ ｅ ， ｏ ｏ ￣ Ｖｌｉ ｓ ｄ（ ● ｔ ｒ ｆ ｏｔ ｎｕ ｍ ） ｙ Ｊ （） 度 幅值 分布 图 ｂ速
图 ４ 射流管偏转 １５ 静压力 图 、速度 幅值分布 图 ．。ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
射流管人 口压力 为 ２ ０Ｘ１ １３５ Ｐ ，出 口压力 １ ０ ２ ａ
ｓ ｆ ｒ ．Ｒｅ ｏ ｅｙ ｐ ｅ ｓ ｒ ｓａ ｉ ｅ ｅ ｔ ｏ ｄ ｔ ｎ ｒ ｂ ａ ｎ ｄ Ｐ ｅ ｓ ｒ ｕ ｃ ｉｎ ｒ ｔ ｄ ｂ ｓｎ ｌｉｌ ｉ ｅ ｒｒ ｇ ｅ ｓ ｎ ｉ ｏｔ ｅ ｗａ ｃ ｖ ｒ ｒ ｓｕ ｅ ｔ ｆ ｒｎ ｎ ｉ ｏ ｓｗｅ ｅ ｏ ｔｉ ｅ ． ｒ ｓ ｕ ｅ ｆ ｎ ｔ ｓｗｅ ｅｆ ｔ ｙ ｕ ｉ ｇ ｍｕ ｔ ｅｌ ａ ｅ ｒ ｓ ｉ ｎ ｄｆ ｃ ｉ ｏ ｉ ｅ ｐ ｎ ｏ Ｍａ ｌｂ ｔ ．Ｃ ｍｐ ｎ ｎ ｄ ｌ ｆ ｒ ｓａ ｅｏ ｅ ｓ ｌ ｏ ｖ ｌｅ ｗ ｓｃ ｅ ｔｄ ｉ ａ ｏ ｏｅｔ ｍｏ ｅ ｅ ｔｇ ｆ ｈ ｅｗ — ａｖ ａ ｒ ａｅ ｎ ＡＭＥ ｅ ，ｔ ｅ ｓｉ ｏｔ ｄ ｉ ｔ ｏｐ ｔ Ｓ ｔ ｈ ｎ ｉ ｗａ ｔ ｍｐ ｒ ｎｏ ＡＭＥ ｉ ａ ｄ ｓｍｕ ａ ｉｎ ｗ ｓ ｅ Ｓ ｍ ｎ ｉ ｌｔ ａ ｏ ｍａ ｅ ｈ ｉ ｌｔ ｎ ｒ ｓ ｌ ｎ ｈ ｈ ｏ ｙ ｏ ｅ ｒ ａ ｉａｌ ｈ ａ ． ｄ ．Ｔ ｅ ｓｍｕ ａｉ ｅ ｕ ｔ ａ ｄ ｔ ｅ ｔ ｅ ｒ ｎ ｓａ ｅ ｂ ｓｃ ｌ ｔ ｅ ｓ ｍｅ ｏ ｓ ｙ