航空双系统直驱伺服阀阀芯振荡机理及抑制方法
收稿日期: 2022-01-07
修回日期: 2022-01-27
录用日期: 2022-05-07
网络出版日期: 2022-07-21
基金资助
航空科学基金(201907052001)
Mechanism and suppression method for spool oscillation of aerospace dual⁃system direct drive servovalve
Received date: 2022-01-07
Revised date: 2022-01-27
Accepted date: 2022-05-07
Online published: 2022-07-21
Supported by
Aeronautical Science Foundation of China(201907052001)
作为飞控系统的关键部件之一，电液伺服阀的特性与可靠性直接关乎飞行性能与安全。直驱阀因构造简单、抗污染能力强、输出功率大等突出优势成为近年来的研究热点。针对一种新型双系统直驱伺服阀的阀芯振荡问题，认为阀口空化引起阀腔凸肩面压力脉动是阀芯振荡的主导因素。基于气液两相数值模拟研究了近阀口空化与压力分布特征，揭示了空化与阀芯振荡的机理；建立了双阀芯的动力学模型，典型工况下阀芯所受流体力和位移振荡仿真结果与实验数据基本吻合，验证了所提方法的可靠性。结果表明，阀杆长径比与阀口节流级数对阀芯振荡有较大影响。回油腔阀杆长径比减小18%，可使振荡幅值削减约67%，为抑制双系统直驱伺服阀振荡提供了理论参考。
王彬 , 任鹏达 , 张伟 , 谢志刚 , 张文星 . 航空双系统直驱伺服阀阀芯振荡机理及抑制方法[J]. 航空学报, 2023 , 44(5) : 426912 -426912 . DOI: 10.7527/S1000-6893.2022.26912
Behavior and reliability of electrohydraulic servovalves， one of the key components in flight control systems， will bear directly on flight performance and safety. Direct drive servovalves are currently becoming the research hot spot because they have simple structure， strong anti-pollution ability and large output power. Aiming at spool oscillation of a new dual-system direct drive servovalve， this paper proposes pressure pulsation on ring surface of the spool cavity caused by cavitation as a leading factor of spool oscillation. Gas-liquid two-phase numerical simulation is conducted to examine the cavitation and the pressure configuration near the opening， and thus the mechanism between the cavitation and the spool oscillation is revealed. A dynamic model of the dual-system spool is established. Simulations of hydraulic force and displacement oscillation of the spool under typical conditions are in good agreement with the experiments， which verifies the reliability of the proposed method. Results show that， length-diameter ratio of the spool rod and the numbers of orifices upstream has great influence on the spool oscillation. With 18% cutdown in the length-diameter ratio， the oscillation amplitude can be reduced by 67%. The work provides a theoretical reference for oscillation suppression of dual-system direct drive servovalves in engineering.
| 1 | 陈元章. 电液伺服阀初始设计理念与应用［J］. 机床与液压， 2019， 47（9）： 114-118. |
| CHEN Y Z. The initial design concept and applications for the electrohydraulic servovalve［J］. Machine Tool & Hydraulics， 2019， 47（9）： 114-118 （in Chinese）. | |
| 2 | 王军政， 赵江波， 汪首坤. 电液伺服技术的发展与展望［J］. 液压与气动， 2014（5）： 1-12. |
| WANG J Z， ZHAO J B， WANG S K. The development and future trends of electro-hydraulic servo technology［J］. Chinese Hydraulics & Pneumatics， 2014（5）： 1-12 （in Chinese）. | |
| 3 | 褚渊博. 射流管伺服阀耐久性与可靠性研究［D］. 西安： 西北工业大学， 2017： 18-35. |
| CHU Y B. Research on the durability and reliability of | |
| jet pipe servo valve［D］. Xi’an： Northwestern Polytechnical University， 2017： 18-35 （in Chinese）. | |
| 4 | 李松晶， 鲍文. 磁流体对伺服阀力矩马达动态特性的影响［J］. 机械工程学报， 2008， 44（12）： 137-142. |
| LI S J， BAO W. Influence on dynamic characteristics of a hydraulic servo-valve torque motor due to magnetic fluids［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2008， 44（12）： 137-142 （in Chinese）. | |
| 5 | AUNG N Z， LI S. A numerical study of cavitation phenomenon in a flapper-nozzle pilot stage of an electrohydraulic servo-valve with an innovative flapper shape［J］. Energy Conversion & Management， 2014， 77： 31-39. |
| 6 | ELSHEIKH M. A numerical and experimental investigation of flow induced noise in hydraulic counterbalance valves［M］. Ann Arbor： ProQuest Dissertations Publishing， 2015： 69-73. |
| 7 | ZIADA S， BUHLMANN E T， BOLLETER U. Flow impingement as an excitation source in control valves［J］. Journal of Fluids and Structures， 1989， 3（5）： 529-549. |
| 8 | GAO D R， QIAO H J， LU X H. Finite element numerical simulation and PIV measurement of flow field inside metering-in spool valve［J］. Chinese Journal of Mechanical Engineering， 2009， 22（1）： 102-108. |
| 9 | LI Z， LUO J， YUAN R B， et al. The CFD analysis of twin flapper-nozzle valve in pure water hydraulic［J］. Procedia Engineering， 2012， 31（1）： 220-227. |
| 10 | LIU X M， HE J， LI B B， et al. Study on unsteady cavitation flow and pressure pulsation characteristics in the regulating valve［J］. Shock and Vibration， 2021， 2021： 1-10. |
| 11 | QIU C， JIANG C H， ZHANG H， et al. Pressure drop and cavitation analysis on sleeve regulating valve［J］. Processes， 2019， 7（11）： 829. |
| 12 | LINDLER J E， ANDERSON E H. Piezoelectric direct drive servovalve［J］. Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering， 2002， 4698： 488-496. |
| 13 | 张鹤然， 欧阳小平， 郭生荣， 等. 基于回油液阻的压力伺服阀啸叫分析［J］. 浙江大学学报（工学版）， 2019， 53（11）： 2085-2091. |
| ZHANG H R， OUYANG X P， GUO S R， et al. Analysis on whistle of pressure servo-valve based on oil-return resistance［J］. Journal of Zhejiang University（Engineering Science）， 2019， 53（11）： 2085-2091 （in Chinese）. | |
| 14 | PORTEIRO J L F， WEBER S T， RAHMAN M M. An experimental study of flow induced noise in counterbalance valves［C］∥ ASME 1997 International Mechanical Engineering Congress and Exposition. Dallas： American Society of Mechanical Engineers， 1997： 557-562. |
| 15 | 陆亮， 祝富强， 訚耀保. 插装式溢流阀流体自激振荡仿真研究［J］. 液压与气动， 2019（1）： 32-36. |
| LU L， ZHU F Q， YIN Y B. Simulation research of self-sustained oscillation for cartridge overflow valve［J］. Chinese Hydraulics & Pneumatics， 2019（1）： 32-36 （in Chinese）. | |
| 16 | YUAN C， ZHU L S， DU Z L， et al. Numerical investigation into the cavitating jet inside water poppet valves with varied valve seat structures［J］. Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics， 2021， 15（1）： 391-412. |
| 17 | 陆亮， 夏飞燕， 訚耀保， 等. 小球式旋转直驱压力伺服阀动态特性分析优化［J］. 航空学报， 2018， 39（10）： 422143. |
| LU L， XIA F Y， YIN Y B， et al. Dynamic analysis and optimization of ball-type rotary direct drive pressure servo valve［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2018， 39（10）： 422143 （in Chinese）. | |
| 18 | 张晋， 朱汉银， 姚静， 等. 某双阀芯电液比例多路阀主阀进口节流流场及阀口压降特性研究［J］. 中国机械工程， 2017， 28（10）： 1135-1143. |
| ZHANG J， ZHU H Y， YAO J， et al. Research on flow field and pressure drop characteristics of main valve inlet throttle of a dual spool electro-hydraulic proportional multi-way valve［J］. China Mechanical Engineering， 2017， 28（10）： 1135-1143 （in Chinese）. | |
| 19 | 万二平. 直驱式电液传动系统伺服控制研究［D］. 重庆： 重庆大学， 2013： 9-17. |
| WAN E P. Direct-drive electro-hydraulic drive system servo control study［D］. Chongqing： Chongqing University， 2013： 9-17 （in Chinese）. | |
| 20 | 彭畅. 基于压电驱动的电液伺服阀研究［D］. 武汉： 华中科技大学， 2014： 19-31. |
| PENG C. Study on the piezoelectric drive electro-hydraulic servo valves［D］. Wuhan： Huazhong University of Science and Technology， 2014： 19-31 （in Chinese）. | |
| 21 | 徐现荣. 一种基于BMF的新型气动微型伺服阀及控制系统研究［D］. 长春： 吉林大学， 2008： 5-12. |
| XU X R. The study on both of a new mini pneumatic servo valve based on the BMF and its control system［D］. Changchun： Jilin University， 2008： 5-12 （in Chinese）. | |
| 22 | 李跃松. 超磁致伸缩射流伺服阀的理论与实验研究［D］. 南京： 南京航空航天大学， 2014： 15-21. |
| LI Y S. Theoretical and experimental research on deflector jet servovalve driven by giant magnetostrictive actuator［D］. Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2014： 15-21 （in Chinese）. | |
| 23 | 李磊， 赵升吨， 范淑琴. 电磁直驱式大规格电液伺服阀的研究现状和发展趋势［J］. 重型机械， 2012（3）： 17-24. |
| LI L， ZHAO S D， FAN S Q. Research status and development trend of large gauge electromagnetic direct drive electro-hydraulic servo-valve［J］. Heavy Machinery， 2012（3）： 17-24 （in Chinese）. | |
| 24 | 黄英玲. 基于工控机的直驱式电液压力伺服阀数字控制的研究［D］. 哈尔滨： 哈尔滨工业大学， 2008： 10-19. |
| HUANG Y L. Research on digital control of direct drive pressure control servo valve based on industrial personal computer［D］. Harbin： Harbin Institute of Technology， 2008： 10-19 （in Chinese）. | |
| 25 | ZHU M Z， ZHAO S D， DONG P， et al. Design and analysis of a novel double-servo direct drive rotary valve with high frequency［J］. Journal of Mechanical Science and Technology， 2018， 32（9）： 4313-4323. |
| 26 | YU J， ZHUANG J， YU D H. Modeling and analysis of a rotary direct drive servovalve［J］. Chinese Journal of Mechanical Engineering， 2014， 27（5）： 1064-1074. |
| 27 | 张圣卓. 喷嘴挡板伺服阀前置级流场瞬态气穴及其流致现象研究［D］. 哈尔滨： 哈尔滨工业大学， 2016： 7-15. |
| ZHANG S Z. Study of the transient cavitation and induced flow phenomenon in the pilot stage of the flapper-nozzle serve-valve［D］. Harbin： Harbin Institute of Technology， 2016： 7-15 （in Chinese）. | |
| 28 | 赵子良. 伺服液压缸密封特性及摩擦力影响的仿真研究［D］. 秦皇岛： 燕山大学， 2014： 5-8. |
| ZHAO Z L. Research and simulation for the characteristic of servo cylinder and relationship between friction and the seal［D］. Qinhuangdao： Yanshan University， 2014： 5-8 （in Chinese）. |
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