（机械电子工程专业论文）动圈式电液伺服阀的流场仿真与研究.pdf

武汉科技大学 研究生学位论文创新性声瞬 i i i i l l l l l l li lll l l ll l i l l l llli l li i i l l l l y 17 3 9 4 7 8 本人郑蘩声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进往研 究所取得的成果。除了文中已经注明弓l 用的内容或璃仓作研究共同完成的 t 作外，本论文不包含任何其他个人或鬃体己经发袭或撰写过的作晶成果 对零文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资辩若有不安之处。本人承担一切相关资任 论文作者签名：缝兰日期：兰! ! 乙蔓：! 墨 研究生学位论文版权使用授权声瞬 本沦文的研究成粜媚武汉科技犬学所钉，其研究内容不得以其它肇彼 的名义发丧。本人完全了辫武汉科技人学信关保留、使用学位论艾的规定， 同意学校像暾并商宵美部f j ( 按照武汉科技大学天于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件黎 嗽子版本，允湃论交被焱阅摹【l 借阅， 阉意学校将奉论，交的全部或部分内容缡入学校认可豹图家麓l 荚数摄l 荦进行 稔索秘对外臌务。 论文作者签名：，。薹超一。差 搬铮教蛳簇名： 美瀵一。 日期：童! 丛三：! l 武汉科技大学硕士学位论文第l 页 摘要 电液伺服阀中的动圈式伺服阀由于结构简单、价格低廉以及线性位移大等优点，广泛 应用于冶金、轧钢、水力发电等众多工业领域，国内外的专家学者对它做了不少的研究。 但运用仿真软件对动圈式电液伺服阀进行流场研究的比较少，以前的研究多局限于定常及 简单阀门的流场研究上。本文采用专业流体仿真软件对动圈式电液伺服阀进行流场的研 究，得出了部分结果并采用对比方法进行了验证。 首先运用仿真软件中的三维定常速度场的计算方法，对动圈式电液伺服阀主滑阀内部 流场进行了数值模拟分析，主要模拟了流量相同、开口度不同和流量不同、开口度相同时 速度场和压力场的分布情况。然后根据动圈式电液伺服阀先导阀移动比较频繁的特点，采 用了动网格模型的计算方法，对先导阀内部流场进行了动态的模拟，分别截取了阀芯在几 个时间段里的速度矢量图、迹线图、阀体压力图和壁面压力图。 仿真结果清晰明了，能够比较客观准确的说明阀体开口度的大小对阀内部流场的影 响，并且也反映出了液体流动过程中出现的漩涡、附壁、流线变化等现象，这些对于减少 阀体内部能量损失提供了可靠的资料，而且比理论的公式推导更加直观，最后采用了对比 方法进行了验证，说明了采用的流体仿真软件对动圈式电液伺服阀的模拟仿真和理论计算 是吻合的，模拟仿真是确实可行的。 关键词：动圈式伺服阀；内部流场；数值模拟；优化设计 a b s t r a c t b e c a u s eo fm a n ya d v a n t a g e so fm o f i n 舭i le l e c t r o - h y d r a u l i cs e r v ov a l v e ， s u c h 鹪 s i m p l es t r u c t u r e ，l o wc o s t ，l a r g el i n e a rd i s p l a c e m e n ta n ds oo n , w i d e l yb e e n u s e di nm e t a l l u r g y , s t e e lr o l l i n g ，h y d r o e l e c t r i ca n do t h e ri n d u s t r i e s ，l o t so fe x p e r t sa n ds c h o l a r sa th o m ea n d a b r o a d d i dal o to fr e s e a r c h , b u tr e a l l yu s i n gf l u e n ts o f t w a r et od or e s e a r c hi sv e r yl e s s t h i sp a p e r i sj u s to nt h es t u d yo f m o v i n g - c o i le l e c t r o h y d r a u l i cs e r v ov a l v ew i t hf l u e n t s o f t w a r e f i r s t , u s i n go ft h et h r e e d i m e n s i o n a lu n s t e a d yv d o d t yf i e l d sw a y , c a l c u l a t e do nt h e i n t e r n a lf l o wf i e l do fm o v i n g - c o i le l e c t r o h y d r a u l i cs p o o lv a l v e ，s i m u l a t e dt h ev e l o c i t ya n d p r e s s u r ed i s t r i b u t i o ni nt h ef o l l o w i n gc o n d i t i o n s ：o nt h es a m ed i s c h a r g eb u td i f f e r e n tv a l v e s o p e n i n gd e g r e ea n dt h e s a m eo p e n i n gd e g r e eb u td i f f e r e n td i s c h a r g e t h e nu n d e rt h e m o v i n g - c o i le l e c t r o h y d r a u l i cs e r v ov a l v ep i l o tv a l v ef r e q u e n t l ym o v i n g f e a t u r e s ，u s e dm o w n g m e s hm e t h o dt oc a l c u l a t et h ei n t e r n a lf l o wf i e l do ft h ep i l o tv a l v ew i t hd y n a m i cs i m u l a t i o n i n t e r c e p t e ds o m ep i c t u r e si ns e v e r a lt i m ei n t e r v a l s ，i n c l u d i n gv e l o c i t yv e c t o rd i a g r a m ，t r a c i n g t h eg r a p h ，t h eb o d yp r e s s u r ed i a g r a ma n dt h ep r e s s u r ed i a g r a m t h es i m u l a t i o nr e s u l t si sv a r yc l a r i t ya n dc a nb em o r eo b j e c t i v ea n da c c u r a t ed e s c r i p t i o no f t h ev a l v e so p e n i n gd e g r e et oi m p a c tt h ei n t e r n a lf l o wf i e l d sd i s t r i b u t i o n i ta l s or e f l e c t st h e f o l l o wp h e n o m e n a , s u c h 勰t h ev o r t e xa p p e a r s ，m u r a l ，s t r e a m l i n ec h a n g ea n ds oo ni nt h ef l u i d f l o w i n g t h e s er e s u l t sp r o v i d er e l i a b l ei n f o r m a t i o nf o r r e d u c e de n e r g yl o s sa n da r em o r e i n t u i t i v et h a nt h et h e o r e t i c a ld e r i v a t i o n k e yw o r d s ：m o v i n g c o i ls e r v ov a l v e ；i n t e r n a lf l o wf i e l d ；a n a l o gs i m u l a t i o n ；o p t i m a ld e s i g n 武汉科技大学硕士学位论文 第1 i i 页 目录 摘要】【 a b s 缸a c t i i 第一章绪论1 1 1 j ； l 言1 1 2电液伺服阀的基本特点1 1 3电液伺服阀发展历史及现状2 1 4f l u e n t 软件简介5 1 5 本文主要工作与研究内容。6 第二章动圈式电液伺服阀的原理及结构7 2 1 动圈式直接位置反馈电液伺服阀工作原理7 2 2w u s t - d c 型电液伺服阀的结构。8 2 3 本章小结ll 第三章w u s t d c 型电液伺服阀主阀内部流场的数值模拟1 2 3 1f l u e n t 计算原理及优势。1 2 3 1 1f l u e n t 计算原理1 2 3 1 2f l u e n t 的优势1 3 3 2w u s t d c 型伺服阀建模1 3 3 2 1主滑阀几何模型的建立1 3 3 2 2 网格的生成。1 4 3 2 3力学模型的确立15 3 2 4 边界条件与初始条件的设置。1 6 3 3 仿真及验证1 6 3 3 1仿真结果的分析1 6 3 3 2 仿真结果的验证。2 l 3 4 本章小结2 3 第四章w u s t - d c 型电液伺服阀先导阀内部流场的数值模拟2 4 4 1 动网格技术及u d f 2 4 4 2w u s t - d c 型电液伺服阀先导阀建模2 5 4 2 1先导阀几何模型的简化及网格划分。2 5 4 2 2 边界运动方式的定义2 6 4 2 3 边界条件与初始条件的设置2 6 4 3 仿真结果与分析2 7 4 3 1速度分佰2 7 4 3 2 压力分布2 9 。 第页一，武汉科技大学硕士学位论文 4 3 3 液动力3l 4 4 仿真结果的验证3 4 4 5 本章小结3 5 第五章总结与展望3 7 参考文献3 9 致谢4 3 攻读硕士期间发表的论文4 4 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 引言 公元前2 4 0 年，古埃及人发明的水钟可以算得上是人类历史上第一个液压伺服系统， 但是，在随后的很长一段时间里，液压控制技术都停滞不前，直到1 8 世纪末1 9 世纪初， 液压控制技术才有了一些重大的进展。而在第二次世界大战前夕，随着工业发展的需要， 液压控制技术才真正出现了突飞猛进地发展。但是在机电一体化日益完备的今天，液压控 制技术面临着更多的考验与改进。计算机技术和控制理论的发展则给液压技术的研究与改 进指明了新的方向【1 1 。电液伺服控制系统正是当代液压控制技术和电子技术相结合的产 物。作为连接现代微电子技术、计算机技术和液压技术的桥梁，电液伺服控制技术已经成 为现代控制技术的重要构成，由于它具有更快的响应速度、更高的控制精度，广泛地应用 于冶金、轧钢、水力发电、机械、汽车、船舶、航空、航天等许多工业领域【2 1 。 1 2 电液伺服阀的基本特点 电液伺服控制系统性能的高低直接影响到相关产品的质量和品质，因此电液伺服控制 系统的设计、制造水平已经成为衡量一个国家制造水平和控制技术水平的标尺。它一般由 指令元件、反馈测量元件、比较元件、放大转换元件( 电液伺服阀) 、执行元件和各种校 正装置组成【”。 而作为液压放大转换元件的电液伺服阀是一种以机械运动来控制流体动力的元件，它 将输入的机械信号( 位移或转角) 转换为液压信号( 流量、压力) 输出，并进行功率放大。 在整个系统中，电液伺服阀起着转换信号和放大功率的作用；而对于系统中的液压执行元 件( 液压油缸、马达等) 来说，电液伺服阀又是控制元件；并且阀自身也是一个多级放大 的闭环电液伺服系统，因此电液伺服阀的性能直接决定着整个伺服系统的性能【4 j 。 电液伺服阀通常由力矩马达( 或力马达) 、液压放大器、反馈( 或平衡机构) 三部分 组成。力矩马达或力马达的作用是把输入的电器信号转换为力矩或力，控制液压放大器( 阀 芯) 运动。而液压放大器的运动又去控制油液流向液压执行机构的流量和压力。力矩马达 或力马达的输出力矩或力很小，在阀的流量比较大时，无法直接驱动功率级阀运动，此时 需要增加液压自订置级，将力矩马达或力马达的输出加以放大，再去控制功率级阀，这就构 成二级或三级电液伺服阀。第一级的结构型式有单喷嘴挡板阀、双喷嘴挡板阀、滑阀、射 流管阀和射流元件等。功率级几乎都采用滑阀。在二级或三级电液伺服阀中，通常采用反 馈机构将输出级( 功率级) 的阀芯位移、或输出流量、或输出压力以位移、力或电信号的 形式反馈到第一级或第二级的输入端，也有反馈到力矩马达衔铁组件或力马达输入端的。 平衡机构般用于单级伺服阀或二级弹簧对中式伺服阀。平衡机构通常采用各种弹性元 件，是一个力位移转换元件【5 j 。 伺服阀输出级所采用的反馈机构或平衡机构是为了使伺服阀的输出流量或输出压力 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 获得与输入电气控制信号成比例的特性。由于反馈机构的存在，使伺服阀本身成为一个闭 环控制系统，提高了伺服阀的控制性能。 电液伺服阀根据力矩马达可动件的结构形式可分为：动圈式和动铁式两种，前者可动 件是控制线圈，后者可动件是衔铁。动圈式与动铁式力矩马达比较，有其自身的优缺点： l 、动圈式力马达因磁滞影响而引起的输出位移滞后比动铁式力矩马达小； 2 、动圈式力马达的线性范围比动铁式力矩马达要宽。因此动圈式力马达的工作行程 大而力矩马达的工作行程小； 3 、动铁式马达体积小、输出力矩大。动圈式马达体积大，输出力小，但工作行程大； 4 、减小工作气隙的长度可提高动圈式力马达和动铁式力矩马达的灵敏度，但动圈式 力马达受到圈尺寸的限制，而动铁式力矩马达受静不稳定的限制； 5 、动铁式马达力矩惯量比值大，固有频率比较高( 无载荷固有频率在2 0 1 0 0 h z 范围 内1 ，制造价格比较贵。动圈式马达无载荷固有频率低，但是价格比较便宜【6 j 。 下图是典型的动圈式电液伺服阀结构图【_ 7 】： i ，2 w 弹簧；卜线圉；4 一蠢钢；5 一一级阙芯l6 ，8 一目定节潭孔；g - - - 阿体 图1 动圈式电液伺服阀结构图 1 3电液伺服阀发展历史及现状 1 9 4 0 年飞机上出现了电液控制系统，随后，液压元件丌始进入了高速发展时期。1 9 5 0 年初，世界上出现了响应比较高的永磁力矩马达。木期，c o m e l l 航空实验室研制成功了 第一台喷嘴挡板阀式两级电液伺服阀。而m o o g 公司成功的对此阀加以研发，成为了世 界上最大的电液伺服阀生产厂家。1 9 6 0 年初，干式力矩马达电液伺服阀的问世，解决了 高达3 8 的故障率问题金属杂质吸附在磁气隙中。在此时期，各种结构的电液伺服阀如 雨后春笋般地出现，并且，其性能不断的提高，工艺不断的改善，成本也逐渐的降低。2 0 世纪7 0 年代以后，各厂家除丌发廉价的工业伺服阀以外，还不断地开发了新式结构的高 性能电液伺服阀，譬如偏转板式射流管阀。1 9 8 0 年以来，液压技术与微电子技术、计算 机技术、控制科学、现代数学和力学等紧密结合，出现了微处理器机、传感测量元件、电 子放大器和液压控制单元相互集成的机电一体化产品，如美国l e e 公司研制成功的微型液 压阀等，大大提高了液压系统的可靠性和智能化程度，并应用计算机技术对液压元件和系 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 统的动、静性能进行数字仿真及结构的辅助设计和制造等【8 】。 我国对液压阀的研制比较晚，在6 0 年代中期，对东京精密计器会社的3 f 、4 f 系列 伺服阀进行研究仿制。7 0 年代初，我国研制成功并批量生产了q d y 、d y 、t j 三个系列 的流量阀。国内军工部门还开发了f 系列流量伺服阀、3 p 系列压力阀。而国内的船舶部 门在7 0 年代末也开发了c s d y 系列射流管电液伺服阀。到7 0 年代后期和8 0 年代初国 内研制了电反馈式电液伺服阀。从8 0 年代开始，我国先后对国外4 0 余项先进的液压技 术进行了引进，其中包括北京某液压公司从原西德力士乐公司引进的轴向柱塞马达和泵、 高压阀，山西榆次液压元件厂从美国威格士公司引进的液压阀，山东德州液压机器厂从原 西德g e 公司引进的耐高压液压泵和阀等。经过认真的分析和摸索，现在这些产品在我国 均已实现批量化的生产，成为行业中的主导产品。并且8 0 年代末期，我国已经可以独立 的研制一些高性能液压阀，比如广州机械科学研究院( 原广州机床研究所) 研制出电液数字 阀、电液比例复合阀和g e 系列中高压阀等。但总得说来，我国在伺服阀的研制上与国外 还是有一定的差距例。 目前电液伺服阀的研究方向主要集中在结构及加工工艺的改进、材料的更替及测试方 法的改变。 1 、在结构改进上，主要是利用冗余技术改造电液伺服阀的结构。由于伺服系统的核 心元件是电液伺服阀，所以，电液伺服阀的性能直接决定着伺服系统的控制水平。另一方 面，从可靠性角度分析，电液伺服阀的可靠性也是伺服系统中最为关键的一环。由于油液 污染是导致电液伺服阀失效的最主要原因，对此国外的许多厂家把伺服阀的结构改进作为 解决它失效的途径之一，并先后研制出了抗污染性较好的射流管式、偏导射流式电液伺服 阀。而且俄罗斯还在研制的射流管式电液伺服阀阀芯两端安装了双冗余位置传感器，用 来准确的控制阀芯位置，只要检测出故障信号就会立即切换到备用的电液伺服阀上，极大 的提高了系统的可靠性，这种两余度控制技术已经广泛地应用于航空航天工业【1 0 1 。美国 的m o o g 公司和俄罗斯的沃斯霍德工厂都已经研制出了四余度的伺服机构，并且成功运 用于航天行业。我国的航天系统有关单位早在上世纪9 0 年代就已经对三余度等多余度伺 服机构进行研制，将伺服阀的力矩马达、反馈元件、滑阀副做成多套备用，发生故障可随 时进行切换，保证了系统工作的连续性。此外多线圈结构、或在结构上带零位保护装置、 外接式滤器等型式的电液伺服阀也已经广泛的运用于冶金、电力、塑料等行业。 2 、在加工工艺的改进方面，主要集中在采用新型的加工设备和工艺上。比如在阀芯 阀套配磨方法上，哈工大、上海交大都已经研制出了智能化全自动配磨系统。特别是哈工 大的配磨系统完全改变了传统的配磨方式( 气动介质) ，采用得液压油作为测量介质可以 更加直接地反应出所测滑阀副的实际工作情况，提高了测量结果的准确性和精度。而在力 矩马达的焊接上，中船重工第七零四研究所与德国某著名厂家合作，采用了世界最先进的 焊接工艺并取得了较好的效果。此外，哈工大还研制出了智能化的电液伺服阀力矩马达弹 性元件测量装置，很好的解决了传统手动测量法中存在的种种弊端，例如测量精度不高、 操作繁琐复杂、效率低下等。现在能够高效完成弹性元件的刚度测量、得到完整的测量曲 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 线，且重复性测量误差小于1 。 3 、在材料的更替方面，一方面对有些零件采用了硬度、强度、弹性等机械性能更加 优越的材料，另一方面对某些特别用途的电液伺服阀采用了特殊的材料。如德国有关公司 采用红宝石作为制作喷嘴档板的材料，避免了由于气蚀造成得档板和喷嘴的损伤，从而提 高了阀的动、静态性能，延长了阀的工作寿命。并且，将机械反馈杆头部的小球也换用红 宝石制作，减小了小球和阀芯小槽之间的动态磨损，降低了阀体工作时产生的噪音。航空 六零九所、中船重工第七零四研究所等单位都采用新材料研制出能够以航空煤油、柴油为 介质的耐腐蚀伺服阀。另外，对密封材料( 如垫片、密封圈) 也进行了更替，大大提高了 电液伺服阀耐高压、耐腐蚀等性能。 4 、在测试方法改进方面，随着电子计算机的快速发展，生产单位都借助计算机对电 液伺服阀的静态和动态性能进行测试、评估和计算。有些厂家还对如何提高测量精度作了 深入的研究，这些研究集中在怎样降低测量仪器本身的振动、热噪声和外界的高频干扰对 测量结果的影响方面。他们采用一些新技术( 测频n 周法、寻优信号测试法、小波消噪 法、正弦输入法及数字滤波等) 对电液伺服阀测试设备及方法进行了研制和改进【1 1 1 。 除了上述生产方面的改进外，为了满足液压伺服系统高性能、高精度和自动化方向发 展需要，电液伺服阀主要发展方向是【1 2 】： l 、标准化：目前，国内在研究、生产和使用电液伺服阀方而虽然已经比较成熟，型 号品种也跟国外大部分产品差不多，但是由于各自为政、力量分散，没有统一的标准，十 分不利于电液伺服阀的进一步发展。因此，解决市场标准化问题已经迫在眉睫； 2 、虚拟化：采用c a d 技术全面支持电液伺服阀从概念设计、外观设计、性能设计、 可靠性设计到零部件详细设计的全过程，并把计算机辅助设计( c a d ) 、计算机辅助分析 ( c a a ) 、计算机辅助工艺规划( c a p p ) 、计算机辅助检验( c a i ) 、计算机辅助测试( c a t ) 和现 代管理系统集成在一起，建立计算机制造系统( c i m s ) 使设计与制造技术有一个突破性的 发展； 3 、智能化：发展内敛式传感器和带有计算机、自我管理机能( 自我故障诊断及排除 功能) 的智能化电液伺服阀，进一步开发故障诊断专家系统通用工具软件，实现自动测量 和诊断。还应该开发自我补偿系统( 包括自我调整、自我润滑和自我校j 下) ，这是液压行 业努力的方向。另外，借助现场总线( f i e l db u s e s ) ，实现高水平的信息急救系统，从而大 大缩减了电液伺服阀调节和维护过程； 4 、数字化：未来电子技术与液压技术结合的一个方向。通过把电子控制装置安装在 伺服阀内部或改变阀的结构上的一种方法，从而形成种类众多的数字产品。阀的性能将由 软件控制，可以通过改变程序，方便地修改设计方案、实现数字化补偿等多种功能； 5 、微型化：随着液压技术的进步及竞争的加剧，微型伺服阀的技术以体积小、重量 轻、单位功率大等优点越来越受到重视。研究的重点在于增大压力的优势，应用先进的铸 造工艺及优质材料和复合材料以降低阀的重量、缩小阀的体积。如铸造流道在阀体和集成 块中的广泛使用，可优化元件内部流动，实现元件的小型化； 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 6 、绿色化：减少能量损耗、控制油液泄漏、减少油液污染。将大力发展降低内耗和 节流损失技术以及无泄漏元件。如实现无管连接，研制新型密封等：发展耐污染技术和新 的污染检测方法，对污染进行在线测量；可采用生物降解迅速的压力液体，如菜油基和合 成脂基的传动用介质将得到广泛应用，减少漏油对环境危害，适应环境保护( 降低噪声和 振动、无泄漏) l i 引。 而在介质方面，由于能源越来越稀少，寻找新的工作介质已经迫在眉睫。近几十年来， 研究纯水作为工作介质的新型水压阀不管在理论上还是应用上都得到了一定程度的发展， 正在逐步成为现代液压传动技术中的热点技术和新的发展方向【1 4 】。 1 4f l u e n t 软件简介 近年来，随着计算机技术和计算流体动力学理论的发展，应用c f d ( c o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c s ) 方法对液压阀内部的流场进行仿真计算和可视化分析，成为液压技术领域 新的研究热点【l5 1 。而f l u e n t 是目前国际上比较流行的商用c f d 软件包，在各国占有很 大的市场，凡是和流体、热传递和化学反应等有关的工业均可使用，具有丰富的物理模型、 先进的数值方法和强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气和涡轮机设 计等方面都有着广泛的应用f 1 6 】。 f l u e n t 软件在我国也已经获得了较好的应用。西安交通大学动力工程多相流国家 重点实验室借助f l u e n t 软件平台，应用e u l e r i a n l a g r a n 西a l l ( 欧拉和拉格朗日) 方法， 对两百兆瓦四角切向燃烧煤粉锅炉炉内的流动、传热以及燃烧在几种不同的工作状况下进 行了数值模拟分析，得出了炉膛内煤粉的速度矢量场和温度分布场。而且对炉内一氧化碳、 二氧化碳和氧气的质量浓度分布给出了趋势图和煤粉颗粒的运动迹线图。结果表明以 f l u e n t 计算流体力学软件为基础，选用合适的数学物理模型和几何结构模型，通过高 质量的网格划分，可以较好的模拟不同工作状况下切向燃烧煤粉炉炉内的流动、传热和燃 烧特性，并能较详细、准确的预报炉内的温度场、速度矢量场和各种气体组分的浓度分布 场及其运动迹线刚1 。丌。中国科学院广州能源所汪小憨等人采用f l u e n t 软件对固体颗粒 在连续流体中的运动进行了动态的模拟，得到的数据和图像给该所研究喷射器最佳尺寸提 供了有力的帮助。他以f l u e n t 软件为计算平台，对固体颗粒在连续流体中的运动，采 用了颗粒轨道二维模型【i 引。西安交通大学顾j 下萌，郭烈锦等人运用f l u e n t 软件对 d f f 3 1 2 型滤筒除尘器内部紊流气固两相流动进行了数值模拟，用以掌握滤筒除尘器内部 流动特征。采用紊流模型和壁面函数法模拟气相流动，采用双向耦合拉格朗同法追踪颗粒 运动轨迹。对连续相速度和压力分布特征以及颗粒相运动轨迹进行了分析，得出了不同工 况条件下的系统阻力和颗粒沉积量分布规律，对比分析了重力、布朗运动和紊流扩散作用 对颗粒运动和沉积的影响。同济大学热能工程系金颖等运用f l u e n t 软件模拟计算了小 尺寸下的简单烟气扩散规律，得到的烟气扩散与风速、烟速、烟气温度的关系与用正态分 布假设下的统计规律一致【l9 1 。 ， 一 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 1 5 本文主要工作与研究内容 由于数值模拟的优越性，许多阀门设计者和科研人员都将其运用到改善阀体内部流场 结构上，以达到降低流动损失，改善阀门性能的目的。但以往的数值模拟多局限于定常及 简单阀门的研究上【2 0 】，而本文却是以w u s t - d c 型动圈式电液伺服阀为研究对象，采用 专业流体仿真软件f l u e n t ，运用定常和非定常( 动网格法) 两种方法对阀体内部流场 进行的数值模拟：首先建立仿真模型，包括运用三维建模软件s o l i dw o r k s 建立几何模型、 运用f l u e n t 前处理软件g a m b i t 划分网格、建立计算模型、设定边界条件等，然后根据 伺服阀工作的实际情况设置好计算参数，分别在阀口不同开度情况下对阀内部流场的速 度、压力场进行详细的仿真分析，并分别采用不同的理论对仿真结果进行验证，确保仿真 结果的真实性。其主要内容是： 1 在第二章中，详细介绍了w u s t - d c 型动圈式电液伺服阀的工作原理及构成： 2 在第三章，首先简要讲述f l u e n t 的计算原理和核心内容，然后根据w u s t - d c 型动圈式电液伺服阀的结构参数，运用三维建模软件s o l i dw o r k s 建立几何模型，导入 g a m b i t 划分网格，简略介绍数值模拟计算前的设置步骤，采用f l u e n t 定常数值计算法， 对w u s t - d c 型动圈式电液伺服阀的功率级阀内部流场( 三维) 分别在流量相同、开口度 不同和流量不同、开口度相同时速度场和压力场的分布情况，并运用经典流量公式计算结 果，与仿真得到的结果进行对比，验证仿真的客观性； 3 在第四章，将采用f l u e n t 动网格法，对w u s t - d c 型动圈式电液伺服阀的前置 级滑阀内部流场( 二维) 在阀芯从中位到趋于关闭的过程中，速度和压力场的变化情况， 同样采用流量公式进行验证； 4 最后是通过f l u e n t 仿真，我们得到的一些经验与结果，以及进一步需要研究的 课题、技术上提高的意见和建议。 总之，本论文主要以动圈伺服阀内部流场的数值模拟为重点，介绍f l u e n t 的运用、 模型的建立与网格的划分，并通过理论的验证，说明了f l u e n t 仿真结果的客观性与精 确性。与传统的理论推导相比，f l u e n t 采用的可视化分析显得更加直观，将其运用到 电液伺服阀的仿真分析上，是确实可行的。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 第二章动圈式电液伺服阀的原理及结构 动圈式电液伺服阀按照第一级阀的结构形式可分为滑阀、单喷嘴挡板阀、双喷嘴挡板 阀、射流管阀、和偏转板射流阀。滑阀作为第一级阀，其优点是流量增益和压力增益高、 输出流量大、线性范围宽、对油液清洁度要求较低，缺点在于结构工艺复杂，阀芯受力较 大，阀的分辨率较低、滞环较大等 4 1 。w u s t - d c 型动圈式电液伺服阀属于滑阀式直接位 置反馈电液伺服阀。 2 1 动圈式直接位置反馈电液伺服阀工作原理 动圈式直接位置反馈两级滑阀式电液伺服阀由动圈式力马达和两级滑阀式液压放大 器组成。前置级是带两个固定节流孔的四通阀，功率级是零开口四边滑阀。功率级阀芯也 是前置级的阀套，构成直接位置反馈。当信号电流输入力马达线圈时，线圈上产生的电磁 力使前置级阀芯移动，假定阀芯向上移动j 此时上节流口开大，下节流口关小。从而使 功率级滑阀上控制腔压力减小，而下控制腔压力增大，功率级阀芯上移。当功率级阀芯位 移等于x 时，停止移动，功率级滑阀开口量也为工，使阀输出流量【4 1 。 前置级滑阀的负载为功率级滑阀的质量和液动力，忽略液动力的影响，其传递函数为： k q p ，_ x 、，v ：了关l 一 ( 2 1 ) ts ( + 2 s + 1 ) 卜“7 吒p吼9 式中 扎功率级阀芯位移； 丘前置级阀芯的开口量； 流量增益； 凡滑阀阀芯端面面积； t o m 滑阀的液压固有频率； 免滑阀的液压阻尼比： 伺服阀的稳定性取决于直接位置反馈回路的稳定性，稳定条件为：k v 2 专h p o ) h p ，式 中k v 为伺服阀增益。 所以直接位置反馈伺服阀的闭环传递函数可写成： ( 2 2 ) 一d 一 + 丐产矿 一d 一 + 一j 风 i l “i 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 因为h p 比较高，不会限制阀的频宽，因此可以忽略。则直接位置反馈两级滑阀式伺服阀 的传递函数可写为： k u k t 墨： ；堡垒鲨( 2 3 ) c 毒州c 丢+ c 普+ 去警 - ， 一 式中 u 窖输入放大器的信号电压；e 傲大器每边的增益； r 。_ 一空制线圈电阻；l 放大器内阻； 因为h p 很高，在保证阀稳定的前提下，允许k v 比较高。另一方面，一级阀为滑阀， 其流量增益比喷嘴挡板阀大很多，也能提供比较高的l 值。所以直接位置反馈滑阀式伺 服阀的频宽主要由力马达的固有频率o 所决定。由于力马达动圈组件质量比较大，而对 中弹簧刚度又比较低，因此固有频率o 较低，一定程度上影响到阀的响应速度，为了保 零区分辨率高、固定节流孔尺寸大、抗污染能力强，主阀芯不容易被卡阻、便于调整维护 目前，国内外所生产的两级滑阀式电液伺服阀，主要为两孔全桥式伺服阀，先导级采 用进油固定节流，回油为可变节流，当信号电流输入力马达时，线圈上产生的电磁力使先 当主阀芯移动位移等于x 时停止移动，主阀芯开口量也为x ，使阀输出流量。液压桥路如 武汉科技大学硕士学位论文 第9 页 导 主冀芯2 图2 1 传统两孔全桥式双级滑阀式电液伺服阀的液压桥路图 这种两孔全桥式伺服阀的主要失效形式为固定节流孔堵塞，原因是固定节流孔压差较 大，而孔径又较小，容易堵塞，对油液的清洁度要求过高。为了减小固定节流孔两端的压 差，扩大孔径，北京冶金液压机械厂曾在y j 系列伺服阀中增加了减压节流孔 见图2 2 ( a ) 】， 但由于固定节流孔与减压节流孔之间的距离太近，实际效果并不是很理想。经过多次的实 验研究，北京自动化研究所在设计时将原来的全桥式结构更改为如图2 2 ( b ) 的半桥差动式 结构，这样就把容易出现堵塞的固定节流孔消除了，并且通过差动方式实现对主滑阀的控 制，大大降低了阀体出现故障的频率：先导阀芯上移，p 口与t 连通，导致与主阀芯上控 制腔相连的a 路压力减小，主阀芯下控制腔压力大于上控制腔，主阀芯上移，由于主阀芯 又为先导阀的阀套，所以当两者的移动量在某一点达到平衡的时候，阀输出流量。这种改 进确实提高了伺服阀的抗污染能力，但由于只有a 路的压力能够进行控制，b 路的压力是 不可调的( p 一定时) ，所以即使在没有信号输入的情况下，由于阀口的压力损失，a 路的 压力仍然会小于b 路的压力( p ) ，致使主阀移动，进而输出流量，也就是压力零漂很大， 这是不对称布置的必然结果。 导 。l主阀芯2 ( a ) 带减压孔式( b ) 半桥差动式( c ) 改进后的u 形4 孔液压全桥 图2 2 两种改进型电液伺服阀的桥路图 武汉科技大学对y j 阀的减压孔进行了多次实验研究，结果表明这种减压孔与节流孔 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 直接串联的方式不利于减压孔发挥降压的作用，这是因为小孔两端的压差比较大，油液以 高速射流的形式流过减压孔和节流孔，致使减压孔的阻尼作用达不到预期效果。研究人员 在理论分析和仿真研究的基础上，将这种串联式结构更改为如图2 2 ( c ) 所示的u 形4 孔液 压全桥式结构。这一结构主要是将主滑阀中间的油孔变成了压力油孔，并且把固定节流孔 r l 、r 2 直接放置在主阀芯中间的部位，有效的延长了r l 与r 3 ，r 2 与r 4 之间的距离，通 过u 型布置改变了油液的流向，这样就实现了串联液阻的功效【2 1 j 。 x z 图2 3w u s t - d c 型电液伺服阀的u 形4 孔全桥结构布置图 将u 形4 孔液压全桥方案应用于所研制的w u s t - d c 型双级滑阀式两级电液伺服阀， 结构如图2 3 所示，控制回路为液压全桥式，节流小孔呈u 形串联布置，先导阀和主滑阀 采用直接反馈方式。其中，先导阀由两个可变节流口的滑阀和四个固定节流孔r l 、r 3 、 r 2 、& 构成，主阀是零开口的四边滑阀。在进行设计时，把主阀芯两端的可变容积等效 于驱动主阀芯的对称双作用液压缸，桥路中固定节流口与可变节流口连接的节点a 、b 分 别与主阀芯两端容腔连通，r l 和r 3 组成主阀芯左腔的进油节流孔，r 2 与组成主阀芯 右腔的进油节流孔，左、右腔的回油节流由双边先导滑阀实现。主滑阀可在节点压力差的 作用下左右运动。处于平衡位置的时候，两边节点a 、b 的压力值相同，主滑阀静止不动。 当先导阀芯在动圈的作用下向左移动，a 点压力随之降低，b 点压力升高，主阀芯两端形 成压差( 左低右高) ，驱动它向左运动。由于主滑阀又兼作先导滑阀的阀套( 位置反馈) ， 因此，当主滑阀向左移动的距离与先导滑阀一致时，主阀停止运动。同样的道理，在先导 滑阀向右移动时，主滑阀也随之向右移动相同的距离。这种u 形4 孔全桥结构能够很好 的实现节流孔的降压作用，并且当孔径增大到l m m 时，阀体抗污染性能明显增强，有效 的降低了出现故障的频率。w u s t - d c 型电液伺服阀的整体结构如图2 4 所示，图中该伺 服阀揭掉了顶盖并去掉了嵌入式放大器板，其主要指标为：额定工作压力为1 0 m p a ，额 定流量为2 0 l m i n ，额定工作电流为3 0 0 m a ，额定位移为4 m m ，固定节流孑l 的直径为l m m ， 伺服阀的过滤精度为2 0 斗a ，滞环小于2 ，零偏小于o 5 蚶2 2 】。 武汉科技大学硕士学位论文第1 i 页 1 0 l _ 调零螺钉l2 动圉；3 导磁体i4 一级阀芯，5 上控制腔 6 锄阀芯；7 _ 节流口；8 一阀体l9 _ 下控制腔il o - w 流孔 图2 4w u s t - d c 型电液伺服阀结构原理图 2 3 本章小结 本章着重介绍了w u s t - d c 型两级滑阀式电液伺服阀的结构原理。首先，简要介绍了 动圈式电液伺服阀的分类形式，说明了滑阀作为第一级阀的优缺点。其次，介绍了动圈式 直接位置反馈两级滑阀式伺服阀的工作原理和传递函数，并对传递函数中的主导参数作了 简单的分析。最后，详细说明了w u s t - d c 型两级滑阀式伺服阀将普通两级滑阀式电液伺 服阀的两孔全桥式结构改为u 形4 孔液压全桥式结构的缘由( 改善了减压孔的减压效果， 增强了阀的抗污染能力) ，并且对w u s t - d c 型两级滑阀式伺服阀的工作原理也做了说明。 对下面章节w u s t - d c 型的主滑阀和先导阀的几何建模做好铺挚。 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 第三章m 3 s t - d c 型电液伺服阀主阀内部流场的数值模拟 数值模拟是一种基于模型的计算，是用模型来代替真实系统进行的数值研究。对主阀 内部流场模拟的关键技术就在于建立合适的模型，包括物理模型、数学模型、科学的网格 划分和适当的边界条件。模型的建立必须遵循两个原则：物理的真实性和数学计算的可行 性。物理的真实性要求所选择的几何模型应该力求真实的反映出计算对象的本质及其变化 规律；数学计算的可行性是指模型必须简化至数学工具能解决的程度和计算水平能达到的 能力【2 3 1 。本章根据电液伺服阀主滑阀的结构参数建立几何模型，然后利用计算流体动力 学理论建立描述流体运动的力学模型、设定边界条件，最后运用f l u e n t 进行模拟计算， 并且通过流量公式加以验证，检验了f l u e n t 的可视化分析对w u s t - d c 型伺服阀主滑 阀内部流场的三维模拟分析。 3 1f l u e n t 计算原理及优势 3 1 1f l u e n t 计算原理 f l u e n t 之所以能够精确的计算流体模型，是因为它以经典流体力学和数值离散方 法为数学基础，借助于计算机求解来描述流体运动的基本方程。它的核心思想归纳如下： 把分布在时间域和空间域上连续的物理量的场，如速度矢量场、压力场和温度场等，用一 系列有限个离散点上的变量值集合来替代这些连续的场的分布，通过严格的映射关系建立 起关于这些离散点上变量之间的代数方程组，然后借助计算机对这些方程组进行求解，以 获得场变量的近似数值。可以用一组非线性的偏微分方程组来描述流体的运动。但需运用 解析法对这些较为复杂的问题进行求解。对于工程上一些实际的问题，经典的流体力学就 无能为力了。对于这类问题大多是非线性的，对于求解域相当复杂的实际工程问题，只能 借助于数值法来求解。f l u e n t 的主要控制方程是基于质量守衡、动量守衡和能量守衡 这三大自然规律。通过控制方程对流动的数值模拟，可以得到极其复杂问题的流场内各个 位置上的基本物理量的分布，以及这些物理量随时间的变化情况，以此确定流场中速度、 压力和涡流等的分布【l 。 f l u e n t 是计算流体力学和计算机应用技术两者有机结合的产物，它主要集中于数 学物理模型、计算格式和方法、网格技术等方面的工作。计算流体动力学的发展史经历了 从线性方程组到非线性方程组、由液体的无粘到有粘、由简单的层流到复杂的紊流、由紊 流的工程模拟到完全的直接数值模拟，然后到雷诺平均n s 方程求解阶段以及非定常完 全n s 方程求解阶段。为了实现上述模型方程的数值计算，还必