冲蚀对射流管伺服阀前置级工作特性的影响

孟令康， 朱玉川， 丁建军， 林 文， 陆 军， 俞晓冰

(1.南京航空航天大学 机电学院， 江苏 南京 210016；2.中国船舶集团有限公司 第七○四研究所， 上海 200031)

引言

电液伺服阀作为液压伺服控制系统的核心元件，其性能直接影响整个系统的控制精度和响应速度[1-3]。随着电液伺服阀服役时间的增加，携带污染颗粒的油液必然会对其内部元件产生冲蚀[4]。訚耀保等[5]利用Fluent仿真软件， 建立了射流管伺服阀前置级可视化冲蚀仿真模型，仿真结果表明，当喷嘴处于中位时，前置级的劈尖冲蚀最严重。冀宏等[6]将流体动力学与冲蚀理论相结合，研究了偏转板位移、V形导流窗口夹角以及偏转板厚度对射流偏转板伺服阀前置级冲蚀的影响，研究结果表明，随着偏转板位移、V形导流窗口夹角以及偏转板厚度的增大，前置级的冲蚀率逐渐减小。孙宇航等[7]基于有限元仿真软件，分析了当节流边形状为锐边、圆角、倒角以及圆弧时，滑阀的冲蚀情况，研究结果表明，圆角节流边对减小滑阀的冲蚀率效果最好。

电液伺服阀内部元件在冲蚀后，其工作性能必然会受到影响。张坤等[8-9]利用AMESim仿真软件，研究了滑阀冲蚀对整阀工作性能的影响，研究结果表明，滑阀冲蚀后整阀的内泄漏量增大。褚渊博等[10]通过有限元仿真软件，分析了射流管伺服阀前置级冲蚀对整阀阶跃响应特性的影响，研究结果表明，随着劈尖冲蚀宽度的增大，伺服阀的系统调节时间变长以及稳态误差增加。张硕文等[11]利用CFD仿真软件，分析了射流偏转板前置级冲蚀对前置级零位特性的影响，分析结果表明，冲蚀会导致前置级零位压力增益和零位流量增益减小。但是，目前关于前置级冲蚀对射流管伺服阀前置级工作特性的影响研究鲜有报道。

本研究以射流管伺服阀的前置级为研究对象，建立前置级冲蚀仿真模型，预测前置级冲蚀部位并分析冲蚀量，通过分析前置级冲蚀后的实物，建立冲蚀后的前置级三维模型，并进一步研究冲蚀对前置级工作特性的影响。

1 射流管伺服阀前置级的结构和工作原理

射流管伺服阀的前置级主要由射流管、喷嘴以及接收器组成，其结构如图1所示。射流管伺服阀的前置级主要是基于流体动能和压力能相互转换和传递进行工作。射流管中的高压油液流经喷嘴后压力能转换为动能， 接着当油液进入接收孔时， 其动能又重新转换为压力能，推动阀芯运动。当喷嘴处于中位时，左右接收孔的接收动能相同，阀芯处于平衡状态；当喷嘴向右偏移时，右接收孔的接收动能大于左接收孔的接收动能，经过能量转换后右接收孔的压力能大于左接收孔的压力能，并推动阀芯向左移动；当喷嘴向左偏移时，阀芯将向右移动。

1.射流管 2.喷嘴 3.接收器图1 射流管伺服阀前置级的结构示意图Fig.1 Schematic diagram of pre-stage of jet pipe servo valve

2 射流管伺服阀前置级冲蚀仿真

2.1 仿真环境设置

利用UG三维软件提取射流管伺服阀前置级的流场仿真模型如图2所示，其主要的结构参数如表1所示。射流管伺服阀前置级流场复杂，在有限元仿真软件中可以采用标准的k-ε湍流模型和标准的壁面函数模型计算前置级的流场。

图2 前置级流场仿真模型Fig.2 Flow field simulation model of pre-stage

表1 前置级主要结构参数Tab.1 Main structural parameters of pre-stage

油液中单位质量的污染颗粒在多种作用力下运动[12]，其运动方程可以表示为：

(1)

式中，v—— 颗粒的速度，m·s-1

Fd,Fg,Fa—— 作用在颗粒上的曳力、重力以及附加力，N

伴随油液高速运动的颗粒撞击前置级的壁面并反弹回流场中，颗粒与壁面撞击前后的法向和切向反弹系数模型为[13]：

en=0.993-1.76α+1.56α2-0.49α3

(2)

et=0.998-1.66α+2.11α2-0.67α3

(3)

式中，en,et—— 颗粒法向、切向速度分量在反弹前后的恢复比值

α—— 颗粒与壁面碰撞的夹角，(°)

Fluent软件中计算冲蚀率所采用的模型是EDWARDS J K等[14]通过实验总结出的冲蚀率计算公式：

(4)

式中，Re—— 冲蚀率，kg·m-2·s-1

n—— 颗粒数

mp—— 颗粒质量流率，kg·s-1

dp—— 颗粒直径，m

C(dp) —— 颗粒的直径函数，取经验常数

1.8×10-9

f(α) —— 冲击角分段线性函数，具体数值如表2所示

v—— 颗粒的速度，m·s-1

b(v) —— 颗粒相对速度函数，取常数0.2[5]

Af—— 被冲击壁面的单元面积，m2

表2 冲击角函数Tab.2 Function of impact angle

在Fluent软件中完成前置级的冲蚀仿真模型参数设置后，将前置级进口边界条件设为压力进口，进口压力为7 MPa；出口边界条件设为压力出口，出口压力为0 MPa。流体介质按照YH-10航空液压油的参数设置，密度为850 kg·m-3，动力黏度为0.0391 Pa·s。颗粒物简化为球形铁屑，密度为7860 kg·m-3，直径为5 μm，质量流率参考GJB 420—2006的7级清洁度要求，为1.78×10-7kg·s-1。

2.2 冲蚀仿真结果分析

当喷嘴处于中位时，通过仿真得到单个颗粒在前置级的运动轨迹，如图3所示。从单个颗粒运动轨迹可以发现，高速运动的颗粒从喷嘴射出后与劈尖碰撞，然后流经接收孔并从出口流出。劈尖在高速运动颗粒的冲击下必然会发生冲蚀。

图3 单个颗粒运动轨迹Fig.3 Moving trajectory of single particle

图4为前置级冲蚀率的分布云图。可以发现，前置级的冲蚀主要分布在劈尖附近，且沿着劈尖的中心向接收孔圆周扩散。

图4 前置级冲蚀率云图Fig.4 Erosion rate distribution diagram of pre-stage

前置级的冲蚀率在劈尖中心的数值最大为1.81×10-8kg·m-2·s-1，且随着向外扩散其数值逐渐减小。通过图3和图4可以说明，颗粒对前置级劈尖的冲蚀最为严重。

为了进一步研究喷嘴位移对前置级劈尖最大冲蚀率的影响，通过仿真得到当喷嘴向右位移为0～0.16 mm时劈尖的最大冲蚀率，喷嘴位移与劈尖最大冲蚀率的关系如图5所示。可以发现，随着喷嘴位移的逐渐增大，劈尖的最大冲蚀率逐渐减小，这是因为随着喷嘴向右位移，从喷嘴射出的油液大多直接进入右接收孔，而劈尖受到的冲击动能减小。

2.3 冲蚀实物与仿真对比

某型号射流管伺服阀在钢厂应用3年(每年300天，每天24 h)后内泄漏增大，该阀被返厂拆卸维修。该型号射流管伺服阀前置级接收器的冲蚀实物与冲蚀仿真对比，如图6所示。从图6a中可以发现， 接收器的劈尖冲蚀最为严重，劈尖纵向冲蚀长度达到了0.39 mm，而且劈尖宽度也由初始的0.02 mm变成0.12 mm；劈尖周围的接收孔圆周边也发生了冲蚀，但相对于劈尖的冲蚀较小。对比图6a和图6b可以发现，由仿真得到的前置级冲蚀位置与实物基本吻合。

图5 喷嘴位移与劈尖最大冲蚀率关系Fig.5 Relationship between nozzle displacement and maximum wedge erosion rate

图6 接收器冲蚀实物图与仿真图Fig.6 Physical and simulation diagram of erosion receiver

图7为劈尖冲蚀后的结构变化示意图，劈尖在冲蚀后材料剥落，导致劈尖宽度增大、高度减小。图中e为劈尖的初始宽度；h为劈尖冲蚀高度；θr为左右接收孔夹角θ的1/2；em为劈尖冲蚀后的宽度。

图7 劈尖冲蚀示意图Fig.7 Schematic diagram of wedge erosion

劈尖冲蚀后的宽度em与冲蚀高度h之间的数学关系为：

em=e+2htanθr

(5)

根据图6a可知，劈尖冲蚀后的实际宽度变为0.12 mm，利用式(5)可以反推劈尖冲蚀的实际高度为0.19 mm。本研究取喷嘴处于中位时由仿真得到的劈尖中心最大冲蚀率Remax为1.81×10-8kg·m-2·s-1，进行劈尖最大冲蚀理论高度的计算[5]：

(6)

式中，t—— 射流管伺服阀的工作时间，s

ρ—— 接收器材料(40Cr13)的密度，取

7750 kg·m-3

将劈尖冲蚀理论高度0.17 mm带入式(5)中,得到劈尖冲蚀后的理论宽度为0.11 mm。通过对比劈尖实际冲蚀后的宽度和冲蚀高度，理论计算得到的劈尖冲蚀后的宽度和冲蚀高度与实际值基本一致，理论值(宽度0.11 mm，高度0.17 mm)略小于实际值(宽度0.12 mm，高度0.19 mm)。这主要是因为在钢厂工作环境中，射流管伺服阀的油液会随着服役时间的增长清洁程度逐渐降低，油液中的污染颗粒数增多；另外油液中的空气也会在高速射流中析出，从而对劈尖产生气蚀。

3 冲蚀对前置级工作特性影响

劈尖在冲蚀后，其宽度增大、高度减小，这必然会影响前置级的工作特性。为了进一步研究冲蚀对前置级压力特性和流量特性的影响，对前置级接收器三维模型进行冲蚀后的结构形状设计，并利用流场仿真软件仿真得到冲蚀前后前置级左右接收孔的压差和流量。

3.1 劈尖冲蚀后的结构设计

对比分析前置级接收器冲蚀实物与仿真结果，发现前置级冲蚀最为严重的部位是接收器的劈尖。因此，为了简化模型，本研究只针对劈尖冲蚀后的结构进行设计。从图6a中可以看出，接收器的劈尖在冲蚀后形成了1个凹坑，为了简化结构设计，将劈尖冲蚀后形成的凹坑等效为1个球体冲击形成的半球体形凹坑，则球体的半径就是劈尖冲蚀的最大高度，而球体的直径就是劈尖在接收器端面的冲蚀纵向长度。

因此，根据劈尖实际冲蚀高度设球体半径为0.19 mm，则劈尖冲蚀后的宽度为0.12 mm，劈尖在接收器端面的冲蚀纵向长度为0.38 mm，冲蚀后的劈尖结构形状如图8所示。在图8中，劈尖在接收器端面的冲蚀纵向长度0.38 mm与实际值0.39 mm相差0.01 mm，两者相差较小。

3.2 流场仿真模型

当前置级负载流量为0 L·min-1时，喷嘴位移与左右接收孔压差的关系为前置级压力特性； 当前置级无负载压力时，喷嘴位移与接收孔内流量的关系为前置级流量特性。根据图8劈尖冲蚀后的结构形状，分别提取前置级压力特性和流量特性的仿真模型。由于前置级结构对称，本研究只需考虑喷嘴向右位移。前置级的压力特性仿真模型如图2所示，其流量特性仿真模型如图9所示。

图8 劈尖冲蚀后的接收器三维模型Fig.8 3D model of receiver after wedge erosion

图9 前置级流量特性仿真模型Fig.9 Simulation model of flow characteristics for pre-stage

3.3 工作特性仿真结果分析

在利用Fluent仿真软件计算前置级冲蚀前后的流场时，其仿真环境设置与前置级冲蚀的仿真环境设置几乎一样，唯一不同点在于，进行前置级工作特性仿真时需要关闭Fluent仿真软件中的离散相模块，其他设置无需变动。

冲蚀前后的前置级压力特性曲线如图10所示，pL表示前置级左右接收孔恢复压力的压差，ΔpL表示冲蚀前后前置级冲左右接收孔压差的差值。劈尖冲蚀前后的宽度分别为0.02， 0.12 mm。根据图10计算得到，劈尖冲蚀前后前置级零位压力增益分别为28.8, 13.5 MPa·mm-1；随着喷嘴位移的增大，前置级的压差逐渐增大，但冲蚀后前置级的压差明显小于冲蚀前前置级的压差，当喷嘴位移为0.12 mm 时，两者的差值达到了最大0.97 MPa，随后两者的差值逐渐减小。这主要是因为前置级冲蚀后，劈尖宽度增大导致射流与劈尖撞击面增大，射流动能损失使得转换的压力能减小；但随着喷嘴位移的增大，射流与劈尖撞击面逐渐减小， 射流动能损失减小而压力能上升。

图10 前置级压力特性曲线Fig.10 Pressure characteristic curve of pre-stage

冲蚀前后前置级流量特性曲线如图11所示，Q表示前置级流量，ΔQ表示冲蚀前后前置级流量的差值。劈尖冲蚀前后的宽度分别为0.02， 0.12 mm，根据图11计算得到，劈尖冲蚀前后前置级零位流量增益分别为4.3, 2.6 L·min-1·mm-1；随着喷嘴位移的增大，前置级的流量逐渐增大，但冲蚀后前置级的流量明显小于正常前置级的流量；当喷嘴位移为0.1 mm时，两者的差值达到最大0.1 L·min-1，随后两者差值有所减小并趋于稳定。这主要是因为前置级冲蚀后劈尖宽度增大，导致射流与劈尖撞击面增大，使得部分射流撞击劈尖后未能进入接收孔，直接从出口流出；但随着喷嘴位移的增大，喷嘴射流中心与右(左)接收孔中心逐渐重合，射流进入接收孔的流量趋于稳定。

图11 前置级流量特性曲线Fig.11 Flow characteristic curve of pre-stage

通过分析冲蚀前后的前置级压力特性和流量特性曲线可以发现：前置级冲蚀后，前置级的零位压力增益和压差、零位流量增益和流量都减小，因此，前置级冲蚀必然会降低启动主阀芯的速度和伺服阀的灵敏度。

4 结论

(1) 结合计算流体动力学和冲蚀理论，可以有效预测前置级冲蚀部位。前置级的劈尖是冲蚀最为严重的部位；随着喷嘴位移的增大，劈尖的最大冲蚀率逐渐减小；喷嘴位移在0～0.04 mm时，劈尖的冲蚀最为显著；

(2) 劈尖的冲蚀会影响前置级的压力特性和流量特性。在前置级进油压力为7 MPa，回油压力为0 MPa的情况下，劈尖宽度从初始的0.02 mm变为冲蚀后的0.12 mm，前置级的零位压力增益减小了53.1%，压差最大减小了27.2%；前置级的零位流量增益减小了39.5%，流量最大减小了24.3%。