某燃油电液伺服阀滑阀级热变形分析

电液伺服阀在电液伺服控制系统中的作用至关重要，它可以将模拟电信号转化具有较大功率的压力和流量[1]. 飞行器等电液伺服机构要求能够在宽温域的环境下正常工作[2]. 因为材料具有冷缩热胀的特性，环境温度变化会导致阀体、阀芯和阀套等零件产生变形，改变滑阀副初始的配合间隙，所以阀芯运动过程中易出现磨损、卡紧等问题[3]. 由于伺服阀内部测量较为困难，目前，专家学者多采用有限元手段对伺服阀变形情况进行分析. 刘玉珑[4]通过热固耦合的方法对伺服阀滑阀级进行分析，得到滑阀级传热规律和热变形情况，张晋等[5]针对高温工况下进行了温度变化对滑阀副的配合间隙的仿真分析，得到了滑阀卡紧故障的原因；晏静江等[6]对液压滑阀进行流固热三相耦合，得到了滑阀最高温度大小和区域分布；吕玥婷等[7]建立了滑阀多物理场耦合热力学模型得到了油液和固体的温度场以及热变形规律；王海冰[8]建立了U型节流阀三维稳态热模型，得出了阀芯、阀体的温度变化规律；Chen等[9]根据不同结构形式的均压槽建立相对应的滑阀级热学仿真模型,研究不同配合间隙、工作压力、阀口开度等因素对滑阀副配合间隙受热产生变形的影响，针对滑阀受热失效所产生的故障，对其内部流场和传热规律进行了仿真分析.

以上分析研究了伺服阀滑阀在温度变化情况下阀体变形情况，但研究的温度一般都限制在150 ℃以内. 文中针对宽温域工况下伺服阀滑阀出现卡滞的现象，研究和分析了其在不同温度工况下，阀体、阀套、阀芯之间的传热规律和受热后结构变形的情况.

1 仿真建模

首先建立滑阀级温度场仿真模型，并且在Ansys Workbench软件中选用四面体网格(Tetrahedrons)进行划分，滑阀级温度场仿真模型如图1所示. 阀体材料为2A14-T6，阀芯与阀套材料为9Cr18Mo，油液材料是RP-3航空煤油. 阀芯与阀套具有3 μm的配合间隙.

图1 滑阀级温度场仿真模型
Fig.1 Temperature field simulation model of slide valve

阀芯阀套和油液的材料属性如表1和表2所示.

表1 阀芯阀套材料属性

Tab.1 Spool valve sleeve material properties

表2 油液材料属性

Tab. 2 Oil material properties

2 仿真分析

2.1 油液温度一定时滑阀热变形仿真

2.1.1 边界条件

设置稳态温度场的边界条件是进行模拟分析的一个重要环节，其应该和物理实际相符才能得到比较精准的仿真结果. 温度边界条件设定如下：考虑到燃油电液伺服阀比较特殊的工作环境，并且散热效果差，于是将油液与滑阀阀腔的耦合面和阀体外表面设置为温度边界，其中油液温度为140 ℃，阀体外壁温度为215 ℃.

2.1.2 温度场仿真

油液温度为140℃时滑阀温度场的分布情况如图2所示. 根据滑阀温度场的分布云图，阀体热量从高温区域传递到低温区域，温度场呈现环状分布，阀芯与阀套内表面温度达到油液温度.

图2 滑阀温度场云图
Fig.2 Slide value temperature field cloud

2.1.3 热变形分析

在油液温度为140 ℃时阀芯和阀套的热变形情况如图3所示. 其中d为阀芯和阀套在Y方向的变形量. 图4所示为在阀芯阀套左端+Y方向热变形量化曲线.

图3 滑阀副径向热变形云图
Fig.3 Radial heat deformation cloud diagram of slide valve pair

图4 滑阀副径向热变形量化曲线图
Fig.4 Quantitative curves of radial thermal deformation of slide valve pairs

横轴l为阀芯位置，纵轴d为阀芯和阀套在Y方向的变形量. 通过变形图可以看出阀芯最大变形为7.4 μm，阀套内圈最大变形量为9.8 μm. 当油液温度一定时，从伺服阀供油侧看去，根据阀芯的变形图可以得出：-Y方向的变形量和+Y方向的变形量大致相等，阀芯整体均匀向Y轴两侧膨胀，且在节流口处有最大变形；从阀套的变形图中可以得出：+Y方向的最大变形量大于-Y方向的最大变形量，并且阀套左端在-Y方向上变形较大，而右端沿着+Y方向产生较大的变形，因此在这种工况下会引起阀套左端的下翘变形和右端的上翘变形；阀套内圈-Y方向上的变形量要小于+Y方向的变形量. 经过量化分析，在阀芯左端台阶处，阀套内圈在+Y方向的变形量大于阀芯的变形量，且最大间隙为2.4 μm.

2.2 油液温度缓慢下降时滑阀热变形仿真

2.2.1 边界条件

温度边界条件设置：设置滑阀阀腔内的油液模型为温度边界，油液温度在10 s内以10 ℃/s的变化率由140 ℃降至40 ℃. 将外界环境温度设置为20 ℃.

对流边界条件设置：由于伺服阀在实际工作中通过阀体外表面进行散热，因此设置阀体各外表面为对流换热边界.

2.2.2温度场仿真

图5为在油液温度从140 ℃降到40 ℃时滑阀温度场的分布情况. 可以看出随着时间的改变，阀芯和阀体表面上的温度逐渐降低，最后在10 s时滑阀内部温度达到 40 ℃左右，最后阀芯与阀套内表面温度达到油液温度.

图5 滑阀瞬态温度场分布
Fig.5 Transient temperature field distribution of slide valve

2.2.3 热变形分析

图6为在油液温度在10 s内从140 ℃降到40 ℃时滑阀温度场中的热变形情况. 其中d为阀芯和阀套在Y方向的变形量.

图6 滑阀副径向热变形云图
Fig.6 Radial heat deformation cloud diagram of slide valve pair

当油液温度从140 ℃降到40 ℃时，从伺服阀供油侧看去，从阀芯的变形图中可以得出：-Y方向上的最大变形量小于+Y方向上的最大变形量，阀芯左端和阀芯右端变形近似相同；从阀套的变形图中可以得出：+Y方向上的变形量大于-Y方向上的变形量，阀套的左端在+Y方向上变形较大，右端沿着-Y方向具有较大的变形；在Y方向上，阀套内圈沿着-Y方向的变形量比在+Y方向的变形量小，从而造成阀套左端的上翘变形和右端的下翘变形. 利用仿真软件中的探针工具对滑阀变形进行量化处理，可以得到阀芯径向的变形量最大为1.8 μm，阀套内圈径向的变形最大为1.82 μm.

2.3 油液温度骤降时滑阀热变形仿真

2.3.1 边界条件

温度边界条件设置：设置滑阀阀腔内的油液模型为温度边界，设置环境温度为215 ℃，滑阀初始温度为20 ℃. 油液加载温度如图8(a)所示.

对流边界条件设置：设置阀体各外表面为对流换热边界.

2.3.2 温度场仿真

图7为油液温度在1 s内从140 ℃降到20 ℃时滑阀温度场的分布情况. 根据滑阀温度场分布云图，可以看出当油液从140 ℃降到20 ℃时，阀体热量由高温区域迅速传递到低温区域，以环形渗透方式进行传热，经过一定的时间，阀芯上的温度逐渐降低，最后滑阀内部温度达到20 ℃左右，阀芯与阀套内表面温度达到油液温度.

图7 油温骤降时滑阀温度场云图
Fig.7 Cloud diagram of temperature field of slide valve when oil temperature drops

2.3.3 变形分析

图8为油液温度在1 s内由140 ℃骤降到常温时阀芯与阀套的热变形情况. 其中d为阀芯和阀套在Y方向的变形量. 图9为阀芯和阀套径向变形量曲线图.

图8 滑阀副径向热变形云图
Fig.8 Radial heat deformation cloud diagram of slide valve pair

横轴l为阀芯位置，纵轴d为在Y方向的变形量. 当油液温度经过1 s的时间从140 ℃骤降到20 ℃时，从供油方向观测，分析阀芯在径向上的热变形规律. 由阀芯径向受热后的结构变形云图可得：阀芯在Y轴沿两侧方向变形不同，负半轴的变形量偏大，阀芯右端变形大于左端，且均为向Y轴两侧膨胀. 从阀套的变形图中可以看出：+Y方向上的变形量大于-Y方向上的变形量，中间区段阀套内圈是向里收缩的，在阀套右端有明显的上翘变形. 经过量化分析可得，阀芯的最大变形量是0.73 μm，阀套内圈中间区段变形量<0.2 μm.

图9 滑阀副径向热变形量化曲线图
Fig.9 Quantitative curves of radial thermal deformation of slide valve pairs

3 结 论

油液温度一定(油温不随时间变化)，阀体各个外表面设定为215 ℃时，由阀芯和阀套的热变形云图可以得出：阀芯和阀套均会在径向方向发生膨胀变形，且阀套在径向产生了微小的弯曲变形. 油液温度设定为140 ℃恒定时，阀芯和阀套沿径向的变形量增大，且阀芯外圈和阀套内圈变形差值小于原始间隙3 μm. 经过量化处理：阀芯左端第一个台肩处在径向变形量要小于阀套，变形量之差最大为2.4 μm，这将导致阀芯和阀套的配合间隙增大.

当油液温度随时间下降时，根据滑阀温度场分布云图，阀体内部以环状形式进行传热，且热量传递由高温区域到低温区域，随着时间的变化，阀芯上的温度逐渐降低，壳体表面的温度也逐渐降低，最终阀芯与阀套的温度和油液温度相同. 将阀芯和阀套在径向上的热变形进行量化处理，可以得出：在阀芯左端第一个台肩处，阀芯和阀套在+Y方向上的变形差值在0.2 μm之间，配合间隙基本保持不变，在该开口度下不会产生卡滞.