压力特性与流量特性是衡量伺服阀性能优劣的关键指标.在传统结构偏转射流式伺服阀的特性研究中, 通常以压力特性和流量特性作为研究出发点, 进而建立相应的数学模型, 分析并推断影响伺服阀性能的关键因素.

王传礼等^[2]在偏转射流式伺服阀结构原理的基础上, 首次建立了偏转射流式伺服阀前置级基于接收口过流面积计算的节流模型及其位置伺服系统的动态数学模型, 推导得出了偏转板的线性化流量方程, 并在MATLAB中进行了仿真验证, 模型如图2所示.

图2

Fig.2

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	图2 应用偏转射流式伺服阀的位置伺服系统SIMULINK仿真模型Fig.2 SIMULINK model of the position servo system based on deflector-jet servo valve

Somashekhar等^{[3, 4]}建立了包括功率级滑阀力矩反馈环节在内的完整射流管式伺服阀理论动态模型, 并在考虑内泄漏的情况下, 推导了随射流管偏转角度变化的前置级各接收孔恢复压力及进入不同接收孔内流量的变化规律并建立整阀的三维网格模型, 应用有限元分析方法对力矩反馈杆的应力分布、各流体腔内的流场状态以及前置级压力流量的变化进行了动、静态分析; 同时, 基于仿真结果, 分析了挠性供油管的材料与刚度对整阀稳态工作点以及固有频率的影响规律, 对射流管式伺服阀整体性能进行了全面的探讨.上述成果为建立完善的偏转射流式伺服阀理论模型, 深入研究分析整阀及偏转射流前置级的特性提供了很好的理论借鉴.

訚耀保等^[5]以研究偏转射流式伺服阀的压力特性为出发点, 通过建立偏转板射流前置级的节流模型, 得到了前置级的关于两接收器的接收口面积、泄漏面积、控制腔恢复压力及负载压力的数学表达式, 总结了两接收器的孔间距、供油压力等因素对压力特性的影响规律, 同时也指出了伺服阀出现零偏现象的原因及纠正方法.刘增光等^[6]同样以偏转射流式伺服阀的压力特性为研究对象, 对某型号阀在不同阀口参数组合下的压力特性进行了数值计算和分析, 得出了偏转射流式阀压力特性随不同接收口间距、接收口宽度以及接收口-偏转板间距的组合而变化的规律.蒋大伟等^[7]分析了不同喷嘴宽度、偏转板导流槽倾角以及劈尖宽度随偏转板位移变化时两接收孔恢复压力和压差的变化情况.LI^[8]则将前置级内部的射流碰撞运动简化为流体与活塞的相互作用, 并基于该假设分别推导了较完善的前置级压力增益与流量增益理论表达式, 通过数值仿真与试验验证, 得出了影响偏转射流阀前置级压力特性与流量特性的关键结构参数主要有:喷嘴宽度、两接收器夹角及其接收孔间距等.上述研究中所得出的关于前置级关键结构参数对压力特性的影响结论基本一致, 为偏转射流式伺服阀的结构改进与优化提供了有力的理论依据与参考.

以改善偏转射流式伺服阀性能为目的的研究, 除了需要对前置级的压力及流量等外特性进行建模与分析外, 还需要对前置级内部的射流流场特性进行深入研究, 以归纳出流场状态变化与伺服阀外特性之间的相互作用规律.目前对于前置级射流流场的研究多以计算流体力学(CFD)的数值模拟为主, 并设计试验加以验证.杨月花^[9]绕过对前置级内部流场建立精确的数学模型这一环节, 结合计算流体力学、气穴多相流理论、湍流模型、流场可视化技术等多领域知识, 对不同形状的偏转射流式伺服阀前置级流场进行了二维建模、仿真及对比, 研究了射流流场的分布规律, 同时预测了压力、形状、偏转角度等参数对射流流场的影响.几种常用的不同形状的偏转射流式阀前置级如表1所示.

表1

Tab.1

表1(Tab.1)

表1 常用的不同形状偏转射流式伺服阀前置级 Tab.1 Different sizes of deflector-jet valve pilot stage 序号 结构特征 结构示意图 1 基本型 2 平台尖劈型 3 射流口无直线型 4 导流槽加直线型

表1 常用的不同形状偏转射流式伺服阀前置级 Tab.1 Different sizes of deflector-jet valve pilot stage

利用玻璃制成的试验模型来验证仿真结果, 并应用高速摄像机技术进行了可视化试验, 试验装置如图3所示.整个试验同样以研究压力、形状、偏转角度对射流流场的影响为目标, 同时观察了射流流场产生的气穴对流体连续性和振动的影响.结果表明, 计算得到的射流流场流动情况与可视化试验观察到的流动情况基本吻合:1)前置级几何形状的变化对压力喷口处的出射流流速影响很小, 压力喷口及偏转板V型导流槽的形状对流场的影响较小; 2)射流盘的两接收器之间选用尖劈时输出压差最大, 由偏转板导流槽出口、平台尖劈及两接收器入口所围成的几何区域直接决定前置级输出压力的大小; 3)气穴的发生程度与低压区的压力和范围有关, 在伺服阀的设计过程中, 可通过结构与参数的优化, 缩小低压区, 以控制气穴的发生和发展.

图3

Fig.3

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	图3 偏转射流式伺服阀可视化试验装置Fig.3 Visualization test system of the deflector-jet valve

马彦芳^[10]应用CFD技术分别对不同形状的偏转射流式伺服阀前置级内部流场进行了仿真与对比分析, 得出了在接收口处使用尖劈结构能够更好的进行导流的结论, 与杨月花的试验结果一致.訚耀保^[11]在对偏转射流式阀前置级的流场特性研究中, 通过建立偏转射流前置级流场的三维模型, 分析了压力喷口处的压力、接收器入口处的压力以及两接收器通道之间的夹角对伺服阀前置级流场特性的影响.发现压力的急剧下降和压差的急剧增大是偏转射流式伺服阀前置级内部产生气穴现象的主要原因; 通过研究喷口处压力、结构圆角对气穴现象的影响, 提出了采取适当降低喷口压力和提高偏转板下端面圆角加工质量等措施来改善气穴现象的方法.

综上所述, 以上文献所得出的结论均为后续深入探讨分析如何提升偏转射流式伺服阀的性能, 改进优化此类阀的结构以及消除前置级流场的气穴现象奠定了一定的理论基础.但在文献[2]中所建立的整阀数学模型, 并未对阀中的力矩反馈环节以及前置级液动力环节进行理论推导与建模, 也未对影响前置级内部复杂流场的各类因素作出推断, 仅通过改变系统的阻尼系数来观察伺服系统阶跃响应和压力输出的变化情况, 无法得出影响整阀性能的具体因素; 且上述文献中关于偏转射流前置级模型的接收口节流面积推导, 均是基于射流管阀结构进行的, 计算中所采用的压力喷口与接收器结构尺寸与实际的偏转板伺服阀前置级尺寸相比均存在一定差异, 而且仅应用节流理论对形状微小复杂的前置级紊动射流流场进行简化分析, 是无法准确表征其复杂状态变化的, 均有可能引起模型推导的不准确.另外, 文献[9]虽然采用数值模拟的方法对前置级内部流场进行了CFD仿真, 但缺乏对流场、气穴以及气液两相流的精确数学描述, 也没有对前置级内部的液动力作用情况进行考虑与分析, 而且其试验结论多来自于肉眼观察, 后续仍需在数学推导上给予证明, 故在偏转射流式伺服阀的性能分析与前置级射流流场的理论研究方面仍有较大的空白需要填补.

在对传统结构偏转射流式伺服阀性能及其前置级流场特性进行研究的基础上, 对前置级关键结构参数的优化及结构改进工作也相继开展.江林秋^[12]借鉴了传统电液伺服阀的设计思路, 推导出偏转射流式伺服阀中力矩马达及功率滑阀的关键结构参数; 提出了应用紊动射流理论与冲击射流理论对偏转板射流前置级的内部流场进行分析的思路.与上述基于节流理论建立的数学模型不同, 研究中将整个流场分为自由淹没射流段和冲击射流段两种不同的射流状态, 如图4所示, 并针对不同的射流段分别给出相应的简化数学描述, 为进一步建立前置级内部流场的精确数学模型提供了必要的理论指导.

图4

Fig.4

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	图4 偏转射流式阀的前置级内部流场分析示意图Fig.4 Schematics of the pilot stage flow field

在基于射流理论的数学描述基础上, 文献[12]结合CFD流场仿真结论, 确定了压力喷口、偏转板以及接收器入口三者之间的理想间距, 得出前置级的优化结构参数, 根据所设计的结构参数进行样件试制并测试, 得出如下结论:前置级不同几何形状的变化对压力喷口出射流的速度影响很小; 偏转板导流槽与接收器通道的几何形状对输出压力、回油泄漏的影响较大.这与文献[9]得出的结论是一致的, 也证明了应用射流理论对前置级流场进行数学描述是完全合理的.偏转射流式伺服阀样件的测试原理见图5.

图5

Fig.5

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	图5 偏转射流式伺服阀测试平台原理图Fig.5 Structure diagram of test platform for deflector-jet servo valve

刘志会等^[13]为了提高偏转射流式伺服阀的前置级压力增益, 首先对其射流流场进行解析建模, 计算了前置级的压力增益; 然后将内漏指标要求、工艺能力限制等因素作为前置级结构参数的设计约束, 由基于遗传算法的偏转板射流伺服阀前置级参数优化方法, 分别推导出了压力喷口、V型导流槽出口以及接收器入口的优化尺寸, 经仿真验证得出如下结论:采用优化后的结构尺寸可将偏转射流式伺服阀的压力增益提高一倍左右.Shang等^[14]通过建立偏转射流式伺服阀前置级的三维模型并对其流场进行CFD仿真, 优化了接收器入口宽度、射流盘厚度等关键参数, 得出了适当增大上述两参数可改善阀的稳态性能并提高其压力增益的结论.

上述文献中, 针对偏转射流式伺服阀的改进方法均集中在对偏转射流前置级的几何尺寸参数修正上, 但前置级各元件的基本几何形状保持不变.而朱海军在文献[15]中首次提出了一种可解决偏转板射流口堵塞的失效对中方法, 通过在原有偏转板V型

导流槽的两侧各设计增加一个V型分流槽, 并在射流盘回油口两侧设计限位装置, 如图6所示, 以确保当偏转板完全偏向一侧并到达限位装置时, 分流尖边能够恰好对准射流口中间, 使得失效保护开始发挥作用, 此时两接受器压差为零, 系统也随之失效对中.利用数值模拟的仿真手段对所设计的失效保护前置级结构的可行性进行验证, 并由数据拟合的方法推导得出了前置级的线性压力特性公式.

图6

Fig.6

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	图6 偏转射流式伺服阀前置级失效保护结构示意图Fig.6 Fail-safe structure of pilot stage in deflector-jet servo valve

美国专利US2006216167^[16]中公布的创新型偏转射流式伺服阀则是通过改变反馈杆的结构来达到改善伺服阀性能的目的.如图7所示, 该新型偏转射流式伺服阀的反馈杆不再是传统两级伺服阀结构中的直线型, 而是改进为曲线型.反馈杆的曲线结构设计能够改变其刚度、阻尼及共振频率等关键参数, 增加了伺服阀可调参数的灵活性.综上可见, 机械设计领域的创新也为伺服阀的发展带来了日新月异的变化.

图7

Fig.7

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	图7 创新型偏转射流式伺服阀结构示意图Fig.7 Structure diagram of new type deflector-jet servo valve

影响偏转射流式伺服阀性能的关键因素, 除了偏转射流前置级的核心参数与机械结构设计是否合理外, 各核心元件的生产加工水平高低也直接决定了伺服阀性能的优劣.偏转射流前置级是伺服阀的核心部件, 它的功能元件射流盘与偏转板形状复杂, 对精度要求很高, 故其加工质量的好坏可直接影响伺服阀的动静态性能.

杨强强等^[17]主要研究了偏转板的精细电加工方法与射流盘组件的组合加工工艺技术.对于偏转板的加工, 首先采用专用工装解决了偏转板零件的装夹定位问题, 工装如图8所示, 并综合采用了以下两种方法对偏转板的V型导流槽进行加工:采用精密成型电极在电火花机床上进行加工和采用精密慢走丝线切割法直接切出V型导流槽.而对于射流盘组件的加工, 为了保证最终的加工精度和元件性能, 可先将上射流盖板、射流盘及下射流盖板3个元件加工成半成品, 再进行组合加工.经试制验证, 采用上述加工方法所生产的偏转板及射流盘组件均能够达到指定的加工精度.

图8

Fig.8

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	图8 偏转板线切割工装图Fig.8 Deflector wire electrical discharge machining tooling drawing

而射流盘基本尺寸及形位公差的检测, 目前多采用基于光学显微(CCD)的非接触式检测法.整个显微检测实验系统由图像采集装置、光学放大装置、照明设备与检测控制软件4部分组成, 如图9所示.该测试方法具有灵敏度高、光谱响应宽、集成度高等优点, 能够实现对尺寸、位移、温度、表面形状等参数的快速检测^[18].

图9

Fig.9

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	图9 基于CCD的射流盘尺寸显微检测系统Fig.9 CCD based jet-pan micro measurement system

近几年来, 各种高性能新型材料不断涌现, 如PZT压电晶片、GMM超磁致伸缩材料等.在偏转射流式伺服阀中采用强度、弹性、硬度等机械性能更优越的材料^[19], 能够极大的改善伺服阀的性能, 并大幅提高产品寿命^[20].

Dhinesh等提出了一种基于双压电晶片(Piezoelectric Bimorph)的新型偏转射流式伺服阀.此类阀的基本结构与Moog26系列的偏转射流式伺服阀相似, 区别在于其前置级偏转板的偏移由双压电晶片进行驱动^[21], 基本原理如图10所示, 其中: d为射流盘厚度; Ps为油源压力; Pr为回油压力; Ppa与 Ppb分别为接收器两腔内的压力.

图10

Fig.10

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	图10 基于双压电晶片驱动的新型偏转射流式伺服阀前置级原理图Fig.10 Schematic cross section of piezo-hydraulic servo valve

Dhinesh根据阀的新型结构, 首先推导了该阀的高阶非线性理论模型, 并对整阀的动、静态特性进行了完善的分析, 由此推断应用双压电晶片驱动技术的力矩反馈杆的刚度系数变化对整阀性能的影响规律; 然后采用有限元法对压电晶片驱动装置及整个反馈杆进行了应力分析, 并根据CFD仿真的结论, 推导得出了作用于前置级偏转板上的液动力理论近似模型; 最后, 由试验样机验证了理论模型和仿真结果的一致性^[22].根据压电晶片的属性, 该新型阀的驱动电压可减至± 30 V, 对于供电电流的要求也较传统的偏转射流式阀有所减小.

近年来应用比较广泛的超磁致伸缩材料(Giant Magnetostrictive Material, GMM)在偏转射流式伺服阀的结构设计中也有所应用.ZHU等^[23]开发出了一种基于GMM的新型偏转射流式伺服阀, 该阀利用GMM的伸缩效应驱动前置级中的偏转板发生偏移, 从而改变出射到两接收器的油液流量多少, 实现对主阀芯位移的控制, 结构原理如图11所示, 其中 θr与 Dr为接收器结构参数, P1与 P2为接收器两腔内的压力.经CFD仿真与原型样机试验测试, 此类基于GMM驱动的偏转射流式伺服阀较传统结构的阀具有更快的响应速度、更大的压力输出以及更好的带宽.

图11

Fig.11

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	图11 基于GMM的偏转射流式伺服阀前置级原理图Fig.11 Schematic representation of a fluidic deflector-jet amplifier

除了上述应用新型材料对前置级结构进行的改进外, 也可以通过更换伺服阀其它部件的材料来改善整阀的性能.基于燃油介质对伺服阀内部材料的影响, 王海玲^[24]通过大量的性能试验选取了某弱磁性耐腐蚀高弹性合金, 该合金在经过固溶或冷应变后可获得很好的力学性能, 用以替代偏转射流式伺服阀中弹簧管所常用的铍青铜材料, 能够极大的改善整阀的线性度及滞环等性能.

综上可知, 新型材料在偏转射流式伺服阀中的广泛应用为进一步提高此类阀的性能开辟了新的途径, 同时可以推断, 新结构与新材料的结合应用是未来伺服阀的发展方向之一.

当导弹或火箭飞行器处于极限温度下时, 电液伺服阀等敏感控制元件的工作状态正常与否可直接决定飞行器的姿态变化, 甚至是发射的成败.在运载火箭的液压伺服机构中, 伺服燃气源为高能固体燃气发生器, 作动器则是以偏转射流式伺服阀为核心的机械反馈式作动器.工作时, 燃气源所产生的高温燃气可达到约1 200 ℃, 受其影响, 液压油温度可在80 s内由常温(20 ℃)迅速升至约180 ℃.温度的快速波动会影响阀的控制精度、系统的稳定性及可靠性, 而液压油、配合偶件、工艺、材料和闭式系统的补偿措施均是需要进一步研究的问题.所以, 对极限温度工况下偏转射流式伺服阀的热特性进行分析研究是十分必要的^[25].

目前, 国内外对于常温条件下的电液伺服阀特性研究得比较深入, 积累了一定的理论基础, 而对于极限温度下的电液伺服阀性能却少有研究.訚耀保等^[26]定性地分析了环境温度对滑阀零件尺寸以及配合间隙的影响, 并对不同初始温度下的滑阀内流场分布和温度分布进行了对比与探讨.肖其新^[27]详尽分析了在极限温度条件下伺服阀材料、油液物理性质、流场分布等各方面因素对伺服阀性能的影响, 但上述多为定性描述, 并没有建立伺服阀在极限温度工况下的精确数学模型.周大海等^[28]研究了温度对滑阀阀芯材料特性的影响.李惟祥等^[29]利用数值传热法的计算证明了油液流过节流孔时温度升高的原因是黏性力导致的黏性耗散, 且黏性耗散主要发生在流速变化较大的涡旋区中.

综上可知, 关于伺服阀的热特性研究主要集中在国内, 研究方向主要为温度变化对滑阀特性的影响、温度场分布仿真以及液压系统的热建模; 而国外的研究重点则集中在液压系统的热建模与仿真方面, 技术积累深厚, 已开发出了商业化的仿真工具, 但是对于极端温度以及快速温升工况下的偏转射流式伺服阀热特性研究, 国内外均鲜有人做, 基本处于空白状态.为确保航天器中的液压伺服系统在高温环境下正常工作, 就需要结合偏转射流式伺服阀的特有结构, 综合热力学、传热学、电磁学, 流体力学、材料学、液压伺服控制理论等多学科知识, 深入研究偏转射流式伺服阀在温度大范围变化的工况下其关键结构参数、加工工艺方法与整阀性能之间的映射关系, 建立极限温度下的偏转射流前置级及整阀的热特性数学模型, 为研制出高可靠性的偏转射流式伺服阀提供必要的理论基础.

液压元件和液压油在生产和使用过程中不可避免地会产生固体颗粒等污染物, 这些颗粒随着液压油在系统中以一定的速度和角度流动, 形成多相混合流体.油液在由偏转射流式伺服阀的前置级喷嘴高速射入, 分流进入接收器并最终驱动功率级滑阀的过程中, 极易使射流冲击处所接触的金属表面产生冲蚀磨损现象, 可能导致伺服阀出现性能下降、静耗流量增大、零偏与零漂的工作点变动等问题, 严重时甚至可能造成伺服阀的失效, 引起不安全事故的发生.所以针对偏转射流式伺服阀前置级的冲蚀磨损特性进行研究, 深入分析冲蚀磨损效应对整阀性能与可靠性的影响, 并对此类伺服阀进行准确的寿命预测, 亦是电液伺服阀领域的未来研究方向之一.

目前, 国外尚未开展针对电液伺服阀前置级冲蚀磨损特性的研究工作, 而国内仅对射流管式伺服阀的冲蚀磨损特性开展了一定程度的研究, 初步总结了冲蚀磨损效应对伺服阀性能的影响.据相关实验测试可知, 一般认为在有冲蚀磨损情况发生的射流管式伺服阀中, 当喷嘴到接收器左右接收口端面的距离大于喷嘴直径的3.5倍, 就不能保证伺服阀工作的稳定性和可靠性.訚耀保等^[30]针对射流管式伺服阀前置级的冲蚀磨损问题, 结合冲蚀理论与CFD数值模拟方法, 建立了冲蚀磨损的理论模型, 模拟了射流管式伺服阀多相流中油液和固体颗粒物的运动轨迹, 并分析了离散相固体颗粒的速度和冲击角度等参数对冲蚀磨损的影响规律.褚渊博等^{[31, 32]}在Fluent中建立了射流管式伺服阀前置级中喷嘴至接收器的可视化仿真模型, 并进行了冲蚀磨损率的数值模拟和伺服阀理论寿命的计算, 该研究对于射流管式伺服阀及其同类伺服阀的故障定性分析、预测和耐久性寿命的定量计算具有重要的参考价值.

综上可知, 偏转射流式伺服阀前置级高速射流的冲蚀现象与内在机理的研究, 以及针对射流冲蚀磨损的定量分析研究, 在国内外均属空白.为了进一步提高伺服阀以及液压伺服系统的整体性能与工作可靠性, 保证系统运行的安全性, 在未来的研究工作中, 应在冲蚀磨损理论的基础上, 结合偏转射流式伺服阀前置级的特有结构, 建立此类阀前置级在射流影响下的冲蚀磨损模型, 归纳出冲蚀磨损对于整阀性能的影响规律, 最终摸索出一套适用于描述偏转射流式伺服阀理论寿命的计算方法.