氣液增壓系統(tǒng)中電磁換向閥建模及特性分析研究

， 　， ， (北京印刷學(xué)院 機電工程學(xué)院， 北京　102600)

引言

氣液增壓系統(tǒng)是根據(jù)流體力學(xué)及氣動、液壓技術(shù)的原理，在綜合氣壓與液壓傳動的基礎(chǔ)上出現(xiàn)的一種二介質(zhì)增壓器件。其基本工作原理是在常規(guī)情況下，利用液體的不可壓縮性與力的平衡原理，對置于相適應(yīng)缸體內(nèi)相連的兩個截面積不等的活塞，以壓縮空氣驅(qū)動大活塞，此時與此相連的小活塞受壓，便可輸出相應(yīng)比例的高壓液體，獲得較大的輸出力[1]。

增壓技術(shù)在國外已經(jīng)有近 90年的發(fā)展歷史，而氣液增壓技術(shù)的出現(xiàn)推動了氣動與液壓技術(shù)的結(jié)合[2,3]。德國公司將其與氣動、液壓技術(shù)結(jié)合設(shè)計出氣液增壓缸，目前其技術(shù)處于領(lǐng)先地位 。日本公司的增壓技術(shù)發(fā)展也異常迅速，其增壓裝置的主要特點是小型化、動力大、智能化及高壽命。另有其他公司所生產(chǎn)的增壓缸，具有缸體結(jié)構(gòu)簡單，維護保養(yǎng)便捷，耗能較低，尺寸及占用空間小等優(yōu)點。臺灣從德國引入了氣液增壓技術(shù)，根據(jù)帶彈簧的增壓缸，進行了改進，解決了無間隙漏油問題，且缸體輕巧，操作簡單[4]。

國內(nèi)關(guān)于氣液增壓技術(shù)的研究主要集中在機構(gòu)優(yōu)化、設(shè)計及應(yīng)用性擴展等方面[5，6]，蘇新梅等[7]介紹了ZYG氣液增壓缸的主要技術(shù)參數(shù)及應(yīng)用場合并作了分析；袁玉比等[8]針對傳統(tǒng)的液壓仿真方法中存在的建模繁瑣、參數(shù)調(diào)節(jié)復(fù)雜等缺點，以采用雙作用增壓器的增壓回路為例，利用AMESim的元件庫構(gòu)建了增壓器和液控單向閥的模型；建立了增壓回路仿真模型，并對增壓回路的動態(tài)性能進行仿真分析，對增壓回路的研究和設(shè)計有很好的參考作用。

國內(nèi)廠商的氣液增壓系統(tǒng)，大多以仿制為主，各種技術(shù)還不完善，對系統(tǒng)及各關(guān)鍵件的研究和認(rèn)識處于起步階段[5，6]。如對于動作頻率超過70次/min要求，即很難達到，主要原因除了氣液增壓缸的本身結(jié)構(gòu)外，換向閥頻率成為影響動作頻率的關(guān)鍵影響因素，而國內(nèi)對相關(guān)氣液換向閥的關(guān)注處于空白，因此有必要進行深入研究。本研究主要針對影響氣液增壓系統(tǒng)頻率的關(guān)鍵部件電磁換向閥，通過分析其特性，找到其影響因素，提出改進方案，為氣液增壓系統(tǒng)的性能優(yōu)化提供支持，提高國產(chǎn)氣液增壓系統(tǒng)的開發(fā)制造水平。

1　電磁換向閥的結(jié)構(gòu)及工作原理

電磁換向閥主要由電磁控制和換向閥兩部分組成，電磁控制部分通常是由激勵線圈、動鐵芯和靜鐵芯三個部分組成，而換向閥由閥芯、閥體、控制活塞、彈簧等結(jié)構(gòu)組成，閥芯結(jié)構(gòu)通常有滑柱、座閥和滑柱座閥等[1]。

電磁換向閥是依靠電信號，經(jīng)電磁鐵產(chǎn)生電磁吸力來是實現(xiàn)閥的切換，并控制氣體的流動方向[7，8]。電磁換向閥有兩個特性——吸力特性和反力特性，前者表示電磁吸力與行程的關(guān)系，后者表示彈簧力與重力之和與行程的關(guān)系。通常，直流電磁鐵的吸力與行程的平方成反比，即行程大時吸力小，即啟動力小。而交流電磁鐵的吸力特性曲線較為平坦，行程遠(yuǎn)時也有較大的吸力。

2　電磁換向閥數(shù)學(xué)建模

基于流體、電學(xué)及力學(xué)等方面對電磁換向閥系統(tǒng)進行數(shù)學(xué)建模分析，在建模前，作如下假設(shè)：換向閥的動態(tài)過程很短，故認(rèn)為氣體充填和排出密封腔時腔內(nèi)壓力場、溫度場、密度場等均勻，沒有傳熱過程；一般氣體黏度小時，忽略控制截面處黏性阻力的影響；閥腔內(nèi)氣體為理想氣體，且不考慮氣體的沿程損失；不考慮重力對氣流的影響。

2.1　流量特性方程

電磁換向閥在氣動系統(tǒng)中相當(dāng)于一個氣阻，由于空氣流經(jīng)閥體時與管壁接觸面小且流動快，與收縮噴嘴相似，可看作為穩(wěn)定的一維等熵流動。根據(jù)伯努利方程，得出縮流處的流量方程：

(1)

p1—— 閥體出口處氣體壓力，Pa

p2—— 閥體入口處氣體壓力，Pa

b—— 臨界壓力比

T—— 入口處氣體的溫度，K

A(t) —— 閥口節(jié)流面積，m2

Cq—— 流量系數(shù)

γ—— 絕熱指數(shù)

R —— 氣體常數(shù)，J/(kg·K)

換向閥閥口的氣體流動，根據(jù)條件可分為兩種：

(1) 當(dāng)p2/p1>b時，氣體的流速為亞臨界流動；

(2) 當(dāng)p2/p1≤b時，氣體的流速為超臨界流動；

若換向閥滑閥截面為圓柱形，則閥口的過流面積為：

A(t)=π·d1·x

其中,d1—— 換向閥的閥套內(nèi)徑，m

x—— 閥芯位移(m)，當(dāng)考慮配合間隙時，x=xmax-Δx，xmax指閥芯的最大位移，Δx指閥芯與閥套的遮蓋量

2.2　磁路方程

假設(shè)電磁換向閥中的電磁鐵采用直流螺線管，則根據(jù)文獻[9]公式來計算穩(wěn)態(tài)時電磁鐵的吸力：

(2)

式中，Φ—— 工作氣隙磁通，Wb

μ0—— 真空磁導(dǎo)率，Wb/A·m

B—— 工作氣隙磁感應(yīng)強度，T

S—— 磁路截面積，m2

若不考慮漏磁及其他連接部位所存在的間隙時，可認(rèn)為主氣隙為銜鐵行程[10]。此時直流電磁鐵的氣隙則為銜鐵行程，直流電磁鐵的氣隙在鐵磁行程的磁感應(yīng)強度B：

(3)

式中，N—— 線圈匝數(shù)，匝

R—— 繞線電阻，Ω

U—— 電源，V

I—— 電流強度，A

δ—— 氣隙長度，m

將公式(3)帶入式(2)，可推出電磁吸力的計算公式：

若考慮漏磁影響，則電磁吸力公式為：

其中，Kf—— 漏磁系數(shù)，其取值主要由磁路組成決定，通常取1.2～5.0。

2.3　運動學(xué)方程

電磁閥閥芯動作過程，會受到摩擦力、黏滯力及電磁力等作用力，當(dāng)閥芯運動過程中，其力平衡方程為：

(4)

公式(4)中，上式為電磁閥通電，閥芯吸合的力平衡方程；下式為電磁閥斷電，閥芯釋放的力平衡方程。

式中，m—— 閥芯質(zhì)量，kg

Bf—— 閥芯黏性摩擦系數(shù)，N·s·m-1

Fa—— 彈簧力，F(xiàn)a=Fa0+kX，F(xiàn)a0為彈簧預(yù)緊力(N)，k為彈簧剛度(N/m)；X為閥芯位移(m)。

Ft—— 氣體壓力(N)，F(xiàn)t=(p1-p0)A，p0為排氣口氣體壓力

Fi—— 電磁吸動力，N

2.4　氣液增壓系統(tǒng)初始參數(shù)確定

1) 氣液增壓缸初始技術(shù)參數(shù)

當(dāng)輸入氣源壓力為0.6 MPa，氣液增壓缸理論出力約為67000 kg，理論回拉力約為1200 kg；其他參數(shù)如表1所示。

表1　氣液增壓缸初始技術(shù)參數(shù)

2) 換向閥初始技術(shù)參數(shù)

如表2所示。

表2　換向閥初始技術(shù)參數(shù)

圖1　換向閥的連續(xù)流量模型

圖2　換向閥的運動方程模塊

3　電磁換向閥的仿真分析

3.1　電磁閥換向閥系統(tǒng)模型建立

根據(jù)所建立的電磁換向閥數(shù)學(xué)模型，采用MATLAB/Simulink軟件對其進行系統(tǒng)模塊搭建。圖1為換向閥帶子模塊的連續(xù)流量模型框圖，圖2為換向閥運動方程模塊。

建立系統(tǒng)模型，針對電磁閥已知的參數(shù)，進行初始位移、仿真時間、結(jié)構(gòu)參數(shù)等初始化，并選擇合適的仿真算法。在Simulink中用來求解仿真的算法有很多，如ode45、ode15s、ode23、ode3等，通?？梢园堰@些仿真算法分為四種：定步長連續(xù)算法、定步長離散算法、變步長連續(xù)算法、變步長離散算法[11]。對氣液增壓系統(tǒng)，選擇變步長連續(xù)算法ode45，它是基于龍格-庫塔(4，5)的Dormand-Prince算法，在計算y(tn+1)時，僅需知道前一時刻的y(tn)就可計算出結(jié)果。

在仿真分析電磁閥吸合和開啟兩個過程連續(xù)動作時，換向信號由位移量控制，當(dāng)閥芯到達設(shè)定值，電磁閥換向。

3.2　仿真結(jié)果及分析

一般電磁閥因為機械加工及手工裝配過程中不穩(wěn)定影響，最終的成品存在差異，而影響電磁換向閥的因素多種多樣，因此，在仿真過程中，通過改變氣隙長度、驅(qū)動電流大小、線圈匝數(shù)、氣源壓力等參數(shù)來確定影響電磁閥工作特性的變化，如響應(yīng)時間、滑閥動作速度、加速度變化及位移等量。

1) 氣隙長度對電磁閥的響應(yīng)特性

在設(shè)定仿真參數(shù)時，將電磁換向閥的氣隙長度分別設(shè)定為0.2 mm、0.6 mm、1 mm，仿真運行得到電磁閥閥芯的位移變化，如圖3所示。

從圖中可以看出，當(dāng)電磁閥氣隙長度增大時，氣隙磁阻增大，初始電磁力減小，電磁力上升緩慢，所以閥口開啟時間延長，相同時間內(nèi)閥芯位移減小。從結(jié)果來看，氣隙長度對電磁閥輸出流量的產(chǎn)生很大的影響，因而導(dǎo)致氣缸的加速度、速度等隨之改變。

2) 驅(qū)動電流及電磁力對電磁閥的響應(yīng)特性

電磁閥驅(qū)動電流的大小能夠影響電磁吸力的大小，進而改變電磁閥的換向速度及響應(yīng)速度。設(shè)定電流為0.8 A、1.0 A、1.2 A時，輸出特性如圖4所示。

圖3　不同氣隙長度下滑閥的時間-位移曲線

圖4　不同電流時間-電磁力曲線

從圖中可以看出，當(dāng)電流從0.8 A增大到1.2 A時，閥芯的輸出力明顯增大，因此滑閥的響應(yīng)速度加快，動作頻率也有所增加。

3) 線圈匝數(shù)對電磁閥的響應(yīng)特性

電磁閥線圈匝數(shù)不同時，會影響電磁閥電磁力的大小，因為電磁感應(yīng)原理，還會影響到電磁閥關(guān)閉時間。在系統(tǒng)中設(shè)置不同的線圈匝數(shù)，仿真運行，獲得仿真結(jié)果后，將數(shù)據(jù)分析總結(jié)如圖5所示。

圖5　線圈匝數(shù)與開啟關(guān)閉時間圖

當(dāng)線圈匝數(shù)小于1500匝時，電磁閥無法開啟，滑閥相對靜止；當(dāng)線圈匝數(shù)從1500增大到2000時，從圖5中可以看出，電磁閥開啟時間不斷減少，但超過2000匝后，線圈匝數(shù)增加而電磁閥開啟時間延長；電磁閥的匝數(shù)只要大于1500匝，電磁閥的關(guān)閉時間始終保持增加趨勢。在選用電磁閥線圈匝數(shù)時，不僅要保整閥芯開啟時間較短，關(guān)閉時間也相對較短，對于該電磁閥，線圈匝數(shù)應(yīng)在1750～2000匝之間選取為好。

4) 氣源壓力對電磁閥的響應(yīng)特性

氣源輸入壓力的大小對于電磁閥的工作特性有一定的影響，設(shè)置輸入壓力為0.6 MPa、0.5 MPa、0.4 MPa時，其滑閥的位移、速度曲線如圖6、圖7所示。

圖6　不同氣源壓力下滑閥的時間-位移曲線

圖7　不同氣源壓力下滑閥的時間-速度曲線

從上圖中可以看出，當(dāng)氣源壓力減小時，滑閥的速度及滑閥的位移隨氣源壓力的減少而減少。原因是當(dāng)氣源輸入壓力變小時，閥芯受到的氣流壓力降低，推動閥芯開啟的力減小，導(dǎo)致滑閥的開口面積減小。

4　電磁閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選

選用的氣液增壓缸結(jié)構(gòu)參數(shù)為：氣液增壓缸理論出力670 kN，理論回拉力12 kN，預(yù)壓缸活塞直徑為140 mm，增壓缸活塞直徑為200 mm，活塞桿直徑為70 mm，工作缸活塞直徑180 mm，再參考仿真分析結(jié)果考慮，對電磁換向閥進行參數(shù)優(yōu)化。

在氣液增壓系統(tǒng)中，電磁閥的性能將直接影響系統(tǒng)的性能及可靠性，因而要在不增大換向閥外形尺寸的前提下，提高閥的流通高性能和換向性能，減少壓力損失，提高換向閥的響應(yīng)速度。

電磁換向閥在換向和復(fù)位時，作用在滑閥上的阻力包括穩(wěn)態(tài)氣動力、瞬態(tài)氣動力、黏滯阻力、液態(tài)卡緊阻力、剩磁力、彈簧阻力等。根據(jù)仿真結(jié)果，選取與上述力有緊密關(guān)系的彈簧剛度、閥芯質(zhì)量、彈簧剛度、線圈匝數(shù)等幾個變量為優(yōu)化變量，重新設(shè)計電磁閥，參數(shù)優(yōu)化結(jié)果如表4所示。

表4　電磁閥參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

5　結(jié)論

氣液增壓系統(tǒng)驅(qū)動性能的好壞對于執(zhí)行機構(gòu)如沖壓機等的工作性能影響很大。對影響系統(tǒng)最終輸出力、動作頻率、動作周期等的關(guān)鍵元件——電磁換向閥進行分析，得出了影響電磁閥運動速度、響應(yīng)時間、閥口開啟大小的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果提出了電磁閥參數(shù)設(shè)計優(yōu)化方案，對氣液增壓系統(tǒng)的動態(tài)性能分析與優(yōu)化研究有著重要的理論和工程實際意義。由于時間關(guān)系，仿真模型需進一步完善，才能獲得更接近實際的仿真結(jié)果。

參考文獻：

[1]張利平.液壓與氣動技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2007： 10-12.

[2]Kwuimy C A Kitio,Ramakrishnan S,Nataraj C.On the Nonlinear on-off Dynamics of a Butterfly Valve Actuated by an Induced Electromotive Force[J].Journal of Sound and Vibration,2013，(332)： 24-27.

[3]Toomey,Christopher G. Pneumatic Conveying System Optimization[J].IEEE Cement Industry Technical Conference,2013.

[4]李勇.TOX氣液增壓式?jīng)_壓技術(shù)及設(shè)備介紹[J].機械工程師，2003，(3)： 50-51.

[5]張志慧.氣液增壓技術(shù)在工程領(lǐng)域的應(yīng)用[J].汽車實用技術(shù)，2012，(5):117-120.

[6]付朝春，李指俊.氣液增壓技術(shù)及其應(yīng)用發(fā)展[J].機械制造，1998，(5)：9.

[7]蘇新梅，周世琦，楊曾學(xué).ZYG氣液增壓缸的原理及其應(yīng)用[J].機械研究與應(yīng)用， 2008，(2)：40-41.

[8]袁玉比，袁銳波，羅璟,等.基于AMESim的增壓回路仿真分析[J].機械與電子,2011，(3)：47-50.

[9]楊剛，杜經(jīng)民，李寶仁.高壓大流量氣動電磁換向閥原理及動態(tài)特性[J].華中科技大學(xué)學(xué)報，2010，(10)：108-111.

[10]婁路亮，王海洲.電磁閥設(shè)計中的電磁力的工程計算[J].導(dǎo)彈與航天運載技術(shù),2007,(1):40-45.

[11]戴佳.電磁閥動態(tài)響應(yīng)特性仿真研究[J].火箭推進,2007，(1)：40-48.