CN114893474A - 一种抑制双喷嘴挡板伺服阀自激振荡的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制双喷嘴挡板伺服阀自激振荡的方法，所述方法在喷嘴挡板平面上设置高度与边界层厚度相当的涡流发生器或者湍流激励机构控制伺服阀前置级流动分离，包括如下步骤：步骤一、估算边界层厚度δ；步骤二、估算挡板表面核心功能区半径R；步骤三、确定涡流发生器或湍流激励机构形状、高度及位置。本发明通过对伺服阀前置级流场中不稳定诱因流动分离现象进行控制，大幅减小了流场内的湍流动能，降低了流场内压力脉动的振幅，提高了前置级流场的稳定性，降低了自激振荡发生的可能性。另外，由于涡流发生器或者湍流激励机构设置在挡板表面核心功能区之外，在抑制自激振荡的同时，规避了对伺服阀喷嘴‑挡板核心功能区的影响。

Description

一种抑制双喷嘴挡板伺服阀自激振荡的方法

技术领域

本发明属于电液伺服阀领域，涉及一种抑制双喷嘴挡板伺服阀自激振荡的方法，具体涉及一种在挡板表面增加涡流发生器或者湍流激励机构控制伺服阀前置级流动分离的方法。

背景技术

双喷嘴挡板伺服阀作为工业领域中常用的液压元件，由于其结构灵巧、动态响应快等优点，被广泛应用于多种工业场合。喷嘴挡板的压力流量特性直接决定了电-液伺服系统的工作性能，因此伺服阀前置级流场的稳定性非常重要。在伺服阀实际工作过程中，伺服阀偶发性的出现自激振荡现象，轻则造成弹簧管破裂，伺服阀失效，重则影响整个液压系统，导致事故的发生。

相关研究表明，伺服阀的自激振荡是喷嘴挡板前置级流场的瞬态气穴、压力脉动等不稳定流动与衔铁组件相互耦合作用的结果，因此抑制伺服阀自激振荡的各种结构及方法也都基于此展开。CN106704306B通过可调节喷嘴挡板之间距离的方法，优化喷嘴挡板之间的流动状态抑制自激振荡；CN210919647U在挡板板面开设L型导油孔有效的抑制了油液在脱离挡板时所发生的射流分离效应，同时抑制了前置级流场自激振荡；CN109083879B通过将喷嘴出口形状设置为正方形的方法，降低径向射流离开挡板时的流速，从而抑制前置级流场中的气穴。

以上研究均从改善前置级流场角度出发，通过对挡板或者喷嘴结构改进，实现抑制自激振荡的目的，虽然有效抑制了自激振荡，但是由于对伺服阀前置级的核心功能区进行了改变，可能会带来其他未知的风险。例如，把喷嘴改成方形对于双喷嘴挡板伺服阀来说可能存在两个方面的问题：1)由于喷嘴内孔的当量直径非常小，约为0.3mm，方形小孔加工时中心线与喷嘴外圆同轴度很难保证，可能导致喷嘴射流是斜射，两喷嘴射流轴向对称性差；2)双喷嘴挡板伺服阀的两个喷嘴是独立的，装配时很难保证两喷嘴四个内孔面两两平行，可能导致两喷嘴射流周向对称性差。如挡板两侧射流对称性差，则会影响伺服阀电流-流量或电流-压力曲线的线性度、滞环。

发明内容

本发明针对喷嘴挡板伺服阀的偶发自激振荡现象，提供了一种抑制双喷嘴挡板伺服阀自激振荡的方法，该方法为在挡板表面增加涡流发生器或者湍流激励机构控制伺服阀前置级流动分离，从而提高前置级流场的稳定性，达到抑制自激振荡的目的。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种抑制双喷嘴挡板伺服阀自激振荡的方法，在喷嘴挡板平面上设置高度与边界层厚度相当的涡流发生器或者湍流激励机构控制伺服阀前置级流动分离，包括如下步骤：

步骤一、估算边界层厚度δ

涡流发生器或湍流激励机构的高度与边界层厚度有关，通过仿真分析和理论计算的方法，计算挡板表面的边界层厚度δ，边界层厚度δ的估算方法如下：

式中，D为喷嘴直径，Re₁为当地雷诺数，r为与驻点之间的距离，W_jet为喷嘴出口中轴线流体的速度，u_max为r处的最大径向速度。

步骤二、估算挡板表面核心功能区半径R

喷嘴射流撞击在挡板表面，挡板表面的压力分布截面近似为以喷射驻点为中心的高斯分布，根据“3σ法则”，高压点主要落在[-3σ,3σ]范围内，因此取R＝3σ，可以认为挡板表面核心功能区是一个半径为R＝3σ的圆形面。

步骤三、确定涡流发生器或湍流激励机构形状、高度及位置

步骤三一、根据步骤一中估算的边界层厚度，确定涡流发生器或者湍流激励机构的高度范围h≥δ；

步骤三二、根据步骤二中估算的核心功能区半径R，初步确定涡流发生器或者湍流激励机构的安装位置应置于挡板表面核心功能区之外。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

本发明通过对伺服阀前置级流场中不稳定诱因流动分离现象进行控制，大幅减小了流场内的湍流动能，降低了流场内压力脉动的振幅，提高了前置级流场的稳定性，降低了自激振荡发生的可能性。另外，由于涡流发生器或者湍流激励机构设置在挡板表面核心功能区之外，在抑制自激振荡的同时，规避了对伺服阀喷嘴-挡板核心功能区的影响。

附图说明

图1为双喷嘴挡板伺服阀示意图；

图2为伺服阀前置级流场C-C截面图；

图3为改进前前置级流场流动状态图；

图4为带涡流发生器的挡板示意图；

图5为带湍流激励机构的挡板示意图；

图6为改进后前置级流场流动状态图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明提供的抑制喷嘴挡板伺服阀自激振荡的方法包括以下步骤：

步骤一、估算边界层厚度δ

无论涡流发生器还是湍流激励机构的作用均为改变边界层内部的流动状态，因此，它们的高度与边界层厚度有关。通过仿真分析和理论计算的方法，计算挡板表面的当地边界层厚度δ，为涡流发生器和湍流激励机构高度的设置提供依据。

边界层厚度δ的估算方法如下：

式中，D为喷嘴直径，Re₁为当地雷诺数，r为与驻点之间的距离，W_jet为喷嘴出口中轴线流体的速度，u_max为r处的最大径向速度。

Re₁＝ru_max/v

式中，v为流体的动力粘度。

通过仿真分析得到u_max、W_jet，即可通过上式估算出当地边界层厚度δ。

步骤二、估算挡板表面核心功能区半径R

伺服阀前置级流场核心功能区为喷嘴喷射到挡板的撞击射流部分，最重要的指标为射流力，具体表现为挡板平面的压力分布。撞击射流在被撞击平面上的压力分布截面近似为以喷射驻点为中心的高斯分布，通过计算挡板平面压力分布的主要范围，为涡流发生器和湍流激励机构的安装位置提供参考。

具体计算方法如下：

假设挡板表面压力X服从高斯分布：

X～N(μ,σ²)

根据“3σ法则”可知，高压点落在±3σ范围内的概率为99.74％。

P{μ-3σ＜X＜μ+3σ}＝Φ(3)-Φ(-3)＝99.74％

因此，取R＝3σ，可以认为挡板表面核心功能区为R＝3σ的一个圆形面，只要把涡流发生器或者湍流激励机构设置在该区域之外，其对伺服阀的核心功能影响可以忽略。

步骤三、确定涡流发生器或湍流激励机构形状、高度及位置

根据步骤一中边界层厚度，确定出涡流发生器和湍流激励机构的高度范围h≥δ，根据步骤二中核心功能区半径R，初步确定涡流发生器和湍流激励机构的安装位置，应置于核心功能区之外。另外，挡板整体处于流场范围内，因此涡流发生器或者湍流激励机构形状及位置尺寸还受流场空间范围的制约，设计时需综合考虑流场空间因素最终确定涡流发生器和湍流激励机构的形状、高度和位置。

双喷嘴挡板伺服阀示意图如图1所示，前置级流场由喷嘴1、挡板2和圆柱壁面3围成的区域构成。前置级流场的截面图如图2所示，伺服阀工作时，高压油液从喷嘴1-1射出，经过较短距离的自由射流之后，撞击在挡板平面2-1上，而后以驻点为中心流向四周，此时流动状态相当于壁面射流，小部分流体沿挡板平面2-1流向出口，大部分流体脱离挡板平面2-1后撞击在圆柱壁面3-1，而后反向流动，以右上角流场为例，流体在撞击圆柱壁面3-1后反向流动时发生分离，其中大部分流体在圆柱壁面3-1的约束下流动而后与对面喷嘴1-2射出的流体耦合，在挡板圆柱面2-2的影响下形成一个逆时针的涡4-1，剩余小部分流体受来流、圆柱壁面3-1和喷嘴壁面1-3的影响，形成顺时针方向的涡4-2，达到稳态之后前置级流场就会形成图3所示的流动状态，流体大约在脱离挡板平面2-1之后就发生流动分离，导致前置级流场中存在大量的涡，流动状态不稳定，容易引发自激振荡。

针对伺服阀前置级流场中的流动分离现象，本发明提出了上述在挡板上增加涡流发生器或者湍流激励的方法。如图4所示，在挡板2壁面上设置高度与边界层厚度相当的带有一定攻角(约20°)的涡流发生器5，可以在涡流发生器5后方产生横向涡，这些横向涡可以把主液流的高能量流体带入壁面附近的边界层内部，从而使液流脱离挡板平面2-1后继续沿挡板曲面2-2流动。由于湍流边界层比层流边界层更难分离，如图5所示，在挡板2平面上设置湍流激励装置6，可以生成湍流涡，湍流涡将主流侧的能量输送到壁面附近的边界层内，使边界层湍流化，也可以达到控制流动分离的目的。

改善后的流场流动状态如图6所示，与图3相比流场内涡的数量减少，流动状态更加稳定，初步分析表明流场内的湍流动能大幅减小，另外流场内压力脉动的振幅也有所降低，提高了前置级流场的稳定性，降低了自激振荡发生的可能性。

Claims (3)

1.一种抑制双喷嘴挡板伺服阀自激振荡的方法，其特征在于所述方法在喷嘴挡板平面上设置高度与边界层厚度相当的涡流发生器或者湍流激励机构控制伺服阀前置级流动分离，包括如下步骤：

步骤一、估算边界层厚度δ

涡流发生器或湍流激励机构的高度与边界层厚度有关，通过仿真分析和理论计算的方法，计算挡板表面的边界层厚度δ，边界层厚度δ的估算方法如下：

式中，D为喷嘴直径，Re₁为当地雷诺数，r为与驻点之间的距离，W_jet为喷嘴出口中轴线流体的速度，u_max为r处的最大径向速度；

步骤二、估算挡板表面核心功能区半径R

喷嘴射流撞击在挡板表面，挡板表面的压力分布截面近似为以喷射驻点为中心的高斯分布，根据“3σ法则”，高压点主要落在[-3σ,3σ]范围内，因此取R＝3σ，可以认为挡板表面核心功能区是一个半径为R＝3σ的圆形面；

步骤三、确定涡流发生器或湍流激励机构形状、高度及位置

步骤三一、根据步骤一中估算的边界层厚度，确定涡流发生器或者湍流激励机构的高度范围h≥δ；

步骤三二、根据步骤二中估算的核心功能区半径R，初步确定涡流发生器或者湍流激励机构的安装位置应置于挡板表面核心功能区之外。

2.根据权利要求1所述的抑制双喷嘴挡板伺服阀自激振荡的方法，其特征在于所述Re₁的计算公式如下：

Re₁＝ru_max/v

式中，v为流体的动力粘度。

3.根据权利要求1所述的抑制双喷嘴挡板伺服阀自激振荡的方法，其特征在于所述涡流发生器的攻角为20°。

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