雙閥座電磁閥的負(fù)載特性仿真分析

張 榛

（北京控制工程研究所，北京 100190）

雙閥座電磁閥的負(fù)載特性仿真分析

張 榛

（北京控制工程研究所，北京 100190）

通過有限元仿真軟件Ansoft建立電磁閥的物理模型，計(jì)算電磁場中各變量之間的相互關(guān)系，將分析結(jié)果導(dǎo)入液壓仿真軟件AMESim的系統(tǒng)模型中，實(shí)現(xiàn)磁路結(jié)構(gòu)、液路系統(tǒng)及機(jī)械傳動之間的耦合，對雙閥座電磁閥的響應(yīng)時(shí)間、質(zhì)量流量等負(fù)載特性進(jìn)行更精確的仿真和分析.

雙閥座電磁閥；耦合仿真；負(fù)載特性

姿態(tài)控制推力器的高可靠性對于航天器的在軌穩(wěn)定工作至關(guān)重要，此類推力器往往采用具有快速響應(yīng)特性的雙閥座電磁閥作為推進(jìn)劑的開關(guān)裝置，實(shí)現(xiàn)工況轉(zhuǎn)換.電磁閥兩級串聯(lián)的密封結(jié)構(gòu)可以有效保證推力器15年以上的工作壽命.

雙閥座電磁閥的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，涉及到機(jī)、電、磁、液多種領(lǐng)域知識，很難建立準(zhǔn)確的計(jì)算模型，僅僅依靠經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)合試驗(yàn)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，難以對其負(fù)載特性進(jìn)行準(zhǔn)確的分析［1］.

隨著仿真技術(shù)的日漸成熟，很多專業(yè)仿真軟件成為設(shè)計(jì)分析的有力工具.Ansoft基于物理模型進(jìn)行有限元建模仿真，能夠提供較準(zhǔn)確的電磁場分析結(jié)果，但無法與液路負(fù)載進(jìn)行耦合分析；AMESim從系統(tǒng)角度著眼，能便捷地構(gòu)建電磁閥的磁路、液路和運(yùn)動模型，但其電磁鐵模型的計(jì)算準(zhǔn)確度相對較低.結(jié)合兩種軟件的優(yōu)勢，將Ansoft對于電磁閥磁路的精確計(jì)算結(jié)果代入AMESim建立的系統(tǒng)模型中進(jìn)行耦合求解，可以提高建模的完整性，使仿真結(jié)果更加準(zhǔn)確［2］.

1 電磁閥結(jié)構(gòu)及模型

雙閥座電磁閥采用螺線管驅(qū)動的上下閥座串聯(lián)密封結(jié)構(gòu)，用一個(gè)電磁線圈和一個(gè)銜鐵控制上、下游兩個(gè)閥座的開關(guān)動作，如圖1所示.通電后，電磁閥產(chǎn)生足夠大的電磁力吸合銜鐵組件打開下閥，并推動頂桿運(yùn)動，將上閥座頂開，閥門處于開啟狀態(tài)，使具有一定壓強(qiáng)的推進(jìn)劑進(jìn)入推力室點(diǎn)火工作.斷電時(shí)，銜鐵釋放，上、下閥座在片彈簧的作用下復(fù)位，實(shí)現(xiàn)兩級密封，閥門處于關(guān)閉狀態(tài)，切斷推進(jìn)劑供應(yīng)，并保持密封.該電磁閥有體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，密封可靠的特點(diǎn).

在忽略磁飽和、渦流、磁滯等因素的條件下，建立電磁閥的數(shù)學(xué)模型.

圖1 雙閥座電磁閥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural sketch of double seat solenoid valve

1）電壓平衡方程

式中，U、R、i、N、φ分別表示驅(qū)動電壓、線圈電阻、驅(qū)動電流、線圈匝數(shù)和磁通量.

2）動力學(xué)方程

式中，F(xiàn)M、m、δ、c、F0分別表示電磁力、銜鐵質(zhì)量、氣隙、彈簧剛度和初始負(fù)載力.

3）磁路方程

式中，δ0表示初始?xì)庀?

對式（1）、（2）、（3）聯(lián)立求解，得出電磁閥開啟、關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間的表達(dá)式［3］：

式中，ton、tc、L、L′、δm、ion、ic、I分別表示開啟時(shí)間、關(guān)閉時(shí)間、開啟電感、關(guān)閉電感、最終氣隙、開啟電流、關(guān)閉電流和穩(wěn)態(tài)電流.

由式（4）和（5）可知，電磁閥的開、關(guān)響應(yīng)時(shí)間主要與電磁力、電感、氣隙和驅(qū)動電流4個(gè)變量相關(guān).通過Ansoft軟件可以計(jì)算出這4個(gè)變量之間的相互關(guān)系，作為AMESim電磁鐵模型的輸入條件，代入系統(tǒng)模型中進(jìn)行運(yùn)算求解.

2 仿真分析

2.1 Ansoft電磁仿真

上海新星對于橡皮布中高端市場的進(jìn)軍，打破了國外企業(yè)在中國市場的壟斷，同時(shí)也為上海新星打開了通向國際舞臺的大門。徐毛清告訴我們，公司現(xiàn)在25%～30%的銷售收入由海外業(yè)務(wù)貢獻(xiàn)，公司產(chǎn)品主要銷往荷蘭、西班牙、波蘭等歐洲國家，以及北非、東南亞國家等。

在Ansoft軟件中建立電磁鐵的軸對稱模型，如圖2所示.

設(shè)定氣隙和線圈安匝數(shù)為參變量，以電磁力和電感為求解對象，對電磁鐵模型進(jìn)行二維變參分析［4］，求解得出這4個(gè)變量之間的相互關(guān)系，如圖3～4所示.

圖2 Ansoft電磁鐵仿真模型Fig.2 Simulation model for Ansoft solenoid

圖3 電磁力與氣隙、線圈安匝數(shù)之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between electromagnetic force and air gap and coil ampere-turn

圖4 電感與氣隙、線圈安匝數(shù)之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between inductance and air gap and coil ampere-turn

2.2 AMESim系統(tǒng)仿真

在AMESim中創(chuàng)建雙閥座電磁閥的系統(tǒng)仿真模型，模型包括電磁單元、液壓單元和機(jī)械傳動單元，如圖5所示.

電磁單元選用模塊EMLT10作為電磁鐵模型，將Ansoft的計(jì)算結(jié)果輸入AMESim表格編輯器.設(shè)定電壓控制信號驅(qū)動電磁鐵的動作.在線圈的續(xù)流回路中設(shè)置51Ω電阻，以提高電磁閥的關(guān)閉速度.

圖5 AMESim軟件中的雙閥座電磁閥仿真模型Fig.5 Simulation model for double seat solenoid valve in AMESim software

液壓單元包括入口壓力源、上級閥、中間腔、下級閥、模擬阻尼孔和出口低壓罐.選用模塊BAP31作為噴嘴擋板閥座模型.使用PROE軟件建立中間腔流道的模型，測出電磁閥中間腔容積為1.76cm3.設(shè)定模擬阻尼孔的通徑為Φ0.3mm，用于模擬電磁閥下游的噴注器流阻.

機(jī)械傳動單元包括上游彈簧、下游彈簧和活動件.選用MAS30模塊作為活動件銜鐵和頂桿的模型，可以真實(shí)反映該閥的銜鐵與頂桿間的傳動特點(diǎn)，模擬上閥動作行程和下閥動作行程之間存在的空程間隙.

3 仿真結(jié)果及驗(yàn)證情況

電磁閥的勵(lì)磁線圈是感性元件，通電后，電流按照指數(shù)曲線從零開始增加，銜鐵所受到的電磁吸力也相應(yīng)上升.當(dāng)電磁吸力上升至足以克服負(fù)載力時(shí)，銜鐵開始運(yùn)動，并切割磁力線產(chǎn)生很強(qiáng)的反電勢，使電流急劇下降，直至銜鐵完全吸合.之后，電流繼續(xù)按指數(shù)曲線增至穩(wěn)態(tài).銜鐵的釋放過程與吸合過程相似.

監(jiān)測線圈電流隨時(shí)間的變化，可獲得電流曲線.通過電流曲線可以確定電磁閥的開關(guān)響應(yīng)時(shí)間［5］.

設(shè)定線圈的通電時(shí)間為30ms，研究在上游工作壓力為2MPa，下游有Φ0.3mm阻尼孔的負(fù)載工況下，雙閥座電磁閥的響應(yīng)特性.經(jīng)過仿真，得到線圈電流曲線如圖6所示，銜鐵運(yùn)動曲線如圖7所示.兩圖中A點(diǎn)表示電磁閥開啟，B點(diǎn)表示電磁閥關(guān)閉.

圖6、圖7反映雙閥座電磁閥動態(tài)響應(yīng)特點(diǎn).電磁閥的上閥行程與下閥行程之間存在空程，所以電磁閥的下閥先開啟，銜鐵開始運(yùn)動，當(dāng)位移抵消空程后，因受上閥負(fù)載力作用而停止運(yùn)動，當(dāng)電磁力繼續(xù)增大后，銜鐵推動頂桿將上閥頂開，使得閥門完全開啟.因此，在電流曲線的上升沿、下降沿都會因?yàn)殂曡F的位移變化而發(fā)生抖動.

電磁閥為兩級密封結(jié)構(gòu)，因此在電磁閥關(guān)閉后，中間腔內(nèi)會有一定壓力的積液，可能對閥門的下一次動作造成影響.對中間腔積液壓力的仿真結(jié)果如圖8所示.

圖6 雙閥座電磁閥負(fù)載電流曲線Fig.6 Load current curve of double seat solenoid valve

圖7 雙閥座電磁閥銜鐵位移量曲線Fig.7 Armature displacement curve of double seat solenoid valve

圖8 中間腔積液壓力Fig.8 Hydops pressure in interspace cavity

在電磁閥的關(guān)閉過程中，上閥先關(guān)閉，但由于液動力對于銜鐵的作用，使得下閥的關(guān)閉有約3ms的滯后.所以，中間腔內(nèi)的大部分壓力都在上閥關(guān)閉后、下閥關(guān)閉前的時(shí)間段內(nèi)卸除.仿真算出的積液壓力僅為0.2MPa，對電磁閥下一次開啟造成的延時(shí)影響僅約為0.1ms.

3.2 變工況動態(tài)響應(yīng)特性

在下游無阻尼孔的工況和上游無壓力的空載工況下，對雙閥座電磁閥的響應(yīng)特性進(jìn)行仿真，并與負(fù)載工況下的仿真結(jié)果及10個(gè)真實(shí)電磁閥的平均實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比，見表1.

表1 各種工況下電磁閥響應(yīng)特性對比Tab.1 Comparison table of valve’s response characteristics in differentworking conditions

從仿真和實(shí)測結(jié)果中可看出：

1）雙閥座電磁閥的空載工況與負(fù)載工況相比，負(fù)載力較小，所以開啟時(shí)間較短.但關(guān)閉時(shí)間相差不大，主要原因是在負(fù)載工況下，大部分的壓降都在阻尼孔上，所以閥門上下游壓差不大，因此積液壓力對關(guān)閉時(shí)間的影響較小.

2）無阻尼孔工況與負(fù)載工況相比，由于壓降都在閥門上，所以導(dǎo)致電磁閥的開啟時(shí)間較長而關(guān)閉時(shí)間較短.

在不同工況下，AMESim仿真計(jì)算得到的電磁閥響應(yīng)特性結(jié)果均與實(shí)測值相近.

3.3 流量壓降特性

以水作為工作介質(zhì)，設(shè)定電磁閥的上下游壓差為0.05MPa，對電磁閥的流量特性進(jìn)行仿真，計(jì)算閥門質(zhì)量流量為3.96g/s，與實(shí)測值3.7～4.2g/s相符，如圖9所示.

圖9 雙閥座電磁閥流量曲線Fig.9 Flow curve of double seat solenoid valve

4 結(jié) 論

采用Ansoft和AMESim軟件聯(lián)合建立的雙閥座電磁閥仿真模型更加真實(shí)完整，實(shí)現(xiàn)了磁路、液路和機(jī)械傳動單元之間的耦合，仿真結(jié)果更加準(zhǔn)確，較好地反映了雙閥座電磁閥的負(fù)載響應(yīng)特性和運(yùn)動特點(diǎn)，并可以對在試驗(yàn)中難以分析的問題，如中間腔的積液壓力等進(jìn)行研究，為電磁閥的設(shè)計(jì)與分析提供了一種更有效的方法.

［1］ 孫艷玲，王永良，金光耀.電磁先導(dǎo)閥動態(tài)特性仿真與分析 ［J］.流體傳動與控制，2011（2）：21-23 Sun Y L，Wang Y L，Jin G Y.Simulation and analysis on the dynamic characteristics of solenoid pilot valve［J］.Fluid Power Transmission and Control，2011（2）：21-23

［2］ 王揚(yáng)彬，徐兵，劉英杰.基于Ansoft及AMESim的電磁鐵動態(tài)特性仿真分析 ［J］.機(jī)床與液壓，2008，20（9）：104-108 Wang Y B，Xu B，Liu Y J.Simulation analysis of dynamic characteristics of Ansoft and AMESim based solenoid［J］.Machine Tool and Hydraulics，2008，20（9）：104-108

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Sim ulation Analysis of Load Characteristicsof Double Seat Solenoid Valve

ZHANG Zhen
（Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100190，China）

The solenoid valve’s physicalmodel is built based on Ansoft to gain interdependence of some variables in electromagnetic field.The simulation result of the Ansoft is led into the AMESim system model to realize the coup led simulation of electromagnetic structure，hydraulic system and mechanicalmovement.For the double seat solenoid valve，more accurate simulation analysis results of load characteristics，such as load response time and mass flow rate can be obtained.

double seat solenoid valve；coupled simulation；load characteristic

TM503+.1

A

1674-1579（2012）02-0045-04

10.3969/j.issn.1674-1579.2012.02.009

張 棒（1983—），男，工程師，研究方向?yàn)橥七M(jìn)技術(shù).

2011-09-07