《Aerospace Science and Technology》：Spacecraft multi-axis vibration testing: model correlation, load synthesis and system identification
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两阶段喷嘴滑阀式电液伺服阀建模与验证研究，采用Simcenter Amesim建立驱动与液压流动动态模型，通过稳态/瞬态仿真和实验（流量、压力、泄漏测试及频率响应分析）验证模型准确性，结果在整体工况下吻合良好，验证了模型对鼻轮转向系统伺服阀行为的有效表征。
Ersin Sirkeci | Mustafa K?ksal
学士学位：土耳其航空航天工业公司（Türkiye Havac?l?k ve Uzay Sanayi A.?.）
摘要
本研究对用于飞机前轮转向系统的一种两级喷嘴-挡板式电液伺服阀进行了建模和验证。在Simcenter Amesim中开发了一个详细的仿真模型，重点关注了驱动阶段和液压流动动力学。通过稳态和瞬态仿真评估了该模型的性能。通过流量、压力响应和内部泄漏测量进行了实验验证。此外，还进行了仿真频率响应分析以评估阀门的动态行为。比较结果显示，在整个工作范围内，仿真结果与实验结果之间具有高度一致性。在接近零输入区域时观察到了一些微小偏差，这些偏差归因于制造公差、测试条件和测量灵敏度等实际不确定性。结果证实，经过验证的模型能够有效反映伺服阀在典型工作条件下的整体行为。这种建模方法为航空航天应用中前轮转向控制系统的进一步分析和开发提供了可靠的基础。
引言
飞机的前起落架系统在确保安全地面机动、精确的滑行控制以及起飞和降落阶段的准确对齐方面发挥了重要作用[1]。为了实现这些功能，前轮转向系统中广泛使用了液力机械伺服驱动[2]。
该系统中最关键的组件之一是电液伺服阀，它根据电信号调节液压油的流动，从而将前轮转向所需的角度[3]。电液伺服阀已广泛应用于需要高性能位置、速度和力控制的航空航天、国防和工业系统中[3]。典型的伺服阀通常包括两个主要部分：将电信号转换为机械运动的电磁驱动器，以及由电磁驱动器控制的流量控制部分，后者相应地调节液压输出流量[4]。
此外，两级喷嘴-挡板式伺服阀因其具有高灵敏度、快速响应和适合闭环控制系统等优良特性而得到广泛应用[5]。典型的两级喷嘴-挡板式伺服阀由导引阶段和动力阶段组成[5]。在导引阶段，一个挡板位于固定喷嘴之间[5]。当电流施加到电磁线圈上时，产生的磁力会使挡板发生偏移，从而改变喷嘴处的背压[5]。这种压力差会传递到第二阶段的阀芯上，使阀芯移动并调节流向执行器的液压流量[5]。通常在阀芯上连接一个机械反馈弹簧，以将挡板恢复到其中立位置，从而实现闭环平衡状态[3]。图1展示了两级喷嘴-挡板式电液伺服阀的示意图：
此外，喷嘴-挡板式伺服阀的优点还包括高定位精度、快速动态响应、低输入功率要求以及相对线性的输入-输出关系[3,5]。这些特性使它们非常适合用于飞行控制面和前轮转向系统等要求严格的航空航天系统[3,5]。
尽管具有这些优点，喷嘴-挡板式伺服阀也存在一些局限性[3]。阀门的结构较为复杂，需要极其严格的制造公差[3]。由于喷嘴间隙较小，它们对污染非常敏感，如果液压油没有得到适当过滤，其性能可能会下降[3]。此外，其响应特性还可能受到流体粘度变化和温度变化的影响[3]。
近年来，基于物理的建模和仿真在航空航天液压系统的设计和分析中变得至关重要[6]。高保真仿真工具（如Simcenter Amesim）使工程师能够集成液压、机械、电气和控制子系统，以便进行早期设计评估和性能预测，从而减少对昂贵原型测试的依赖[6]。Simcenter Amesim因其丰富的库和对多领域物理系统建模的支持而在航空航天和国防工业中得到了广泛应用[6]。
正如SAE ARP 490G中强调的那样，伺服阀的某些物理特性（如计量边缘几何形状、搭接不对称性和泄漏-压力依赖性）会导致固有的非线性流动行为。在开发实用的基于物理的模型时，这些效应非常重要[7]。
本研究的主要目标是建模并验证用于前轮转向系统的两级喷嘴-挡板式电液伺服阀。该模型是在Simcenter Amesim环境中开发的，并通过将仿真结果与从液压测试中获得的实验数据进行比较来进行验证。
先前的研究提供了关于泄漏行为、流动力、导引阶段动力学、基于CFD的喷嘴分析以及电液伺服阀的各种系统级建模方法的宝贵见解，每一项研究都为该领域做出了重要贡献。在此基础上，本研究结合了基于几何的孔口建模、非线性泄漏特性描述以及在统一的Simcenter Amesim框架内的阀芯动力学数学公式。所提出的模型还得到了实际前轮转向伺服阀的流量、压力和内部泄漏测量的支持，为现有的以仿真为主的研究提供了实验验证。此外，还进行了频率响应分析以评估阀门的动态行为。这种综合建模和验证方法比以往的研究提供了更广阔的视角，并对两级伺服阀的电气、液压和机械耦合行为提供了额外的见解。据作者所知，此前没有研究同时在统一的Simcenter Amesim框架内整合了非线性驱动效应、泄漏依赖的流量调节、阀芯动力学和实验验证，这使本研究区别于现有文献。
文献综述
关于电液控制的最早和最权威的资料之一是Merritt的工作[3]，其中提供了关于喷嘴-挡板阀工作原理、反馈机制和动态行为的基本解释。这本书几十年来一直被作为基础参考文献，其中提供的分析公式和设计考虑仍然适用于现代伺服阀建模。该领域的另一本经典参考文献是Blackburn等人的工作[8]，它系统地
建模方法
在本研究中，使用Simcenter Amesim和Signal、Control及Thermal Hydraulic库中的组件对两级电液伺服阀进行了建模。所建模的阀门架构基于MOOG Type 30系列，这是一种在航空航天系统中广泛使用的两级电液伺服阀。整个模型由两个主要子组件组成：
- (i)
驱动阶段动力学，表示扭矩电机、喷嘴-挡板机构的动态行为
液压测试台概述
用于验证的液压测试台如图9所示。
图9中的示意图遵循SAE AS 1290C[27]中定义的符号约定，该标准规定了液压和气动系统的图形表示方法。测试在环境条件下进行，使用MIL-PRF-83282液压油，系统压力为210巴。手动操作的截止阀（7）用于阻断或连接控制端口
模型验证
本节通过将仿真结果与从流量曲线、压力曲线和内部泄漏测试中获得的实验数据进行比较来验证所开发的模型。评估仿真值和测量值之间的一致性，以评估模型的准确性和适用性。除了这些静态验证测试外，还进行了小信号频率响应分析以评估阀门的动态行为。
伺服阀模型在以下条件下进行了仿真
结果与讨论
通过三项关键测试（流量曲线、压力曲线和内部泄漏评估）将仿真结果与实验数据进行了比较。
如图10所示，流量曲线比较表明，该模型能够有效捕捉系统在输入电流增加和减少时的主要流动特性。在整个工作范围内观察到高度一致的结果，特别是在阀门表现出近似线性响应的区域
结论
本研究对用于前轮转向系统的两级喷嘴-挡板式电液伺服阀进行了建模和实验验证。仿真结果与实验结果（包括流量曲线、压力曲线和内部泄漏测试）的比较表明，所开发的模型能够有效反映阀门在测试条件下的整体性能。除了静态验证外，还评估了模型的动态特性
作者贡献声明
Ersin Sirkeci：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原始草稿、可视化、验证、软件、方法论、概念化。Mustafa K?ksal：概念化。
