某脈寬調(diào)制數(shù)字快速電磁閥方案設(shè)計(jì)及仿真研究

某脈寬調(diào)制數(shù)字快速電磁閥方案設(shè)計(jì)及仿真研究

文紅武

(海軍裝備部,陜西 西安 710077)

摘要：脈寬調(diào)制數(shù)字快速電磁閥作為重要的電液轉(zhuǎn)換元件，在燃油控制系統(tǒng)的作用日益突出。針對(duì)斷電常開型快速電磁閥的需求，開展斷電常開型脈寬調(diào)制數(shù)字快速電磁閥的方案設(shè)計(jì)及仿真研究，并通過工程驗(yàn)證使該脈寬調(diào)制數(shù)字快速電磁閥的設(shè)計(jì)方案得到優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：快速電磁閥；方案設(shè)計(jì)；斷電常開

收稿日期：2014-12-18

作者簡(jiǎn)介：文紅武(1977-)，男，湖南長(zhǎng)沙人，工程師，從事航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)燃油控制系統(tǒng)研究工作。

中圖分類號(hào)：TM561.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

收稿日期：2014-12-23

基金項(xiàng)目：安徽省高等學(xué)校優(yōu)秀青年基金(2011SQRL201)；發(fā)明專利 (專利號(hào)201010280137.9)

0概述

航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油控制系統(tǒng)的控制方式，已由原機(jī)械液壓控制調(diào)節(jié)方式向電子控制調(diào)節(jié)方式發(fā)展，其核心關(guān)鍵是機(jī)電液轉(zhuǎn)換元件。

近年來，由于脈寬調(diào)制數(shù)字快速電磁閥(以下簡(jiǎn)稱快速電磁閥)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油控制中的廣泛使用，其經(jīng)常被作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油調(diào)節(jié)系統(tǒng)的執(zhí)行部件?？焖匐姶砰y多采用脈寬調(diào)制(PWM)來控制，利用脈沖占空比的變化來調(diào)節(jié)閥口開關(guān)的時(shí)間，使得快速電磁閥能像其它數(shù)字流量電磁閥一樣，對(duì)燃油流量進(jìn)行連續(xù)的控制。雖然普通的電磁閥也具有同樣的數(shù)字開關(guān)特征，但是普通的電磁閥響應(yīng)特性較慢，而快速電磁閥體積小、重量輕、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好、控制精度高。

本文以某噴口加力調(diào)節(jié)器用快速電磁閥的需求為研究背景，進(jìn)行了快速電磁閥方案設(shè)計(jì)及仿真工作，并對(duì)斷電常0開型快速閥的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了優(yōu)化。

1工作原理分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

圖1某定型快速閥結(jié)構(gòu)圖

*注：1-活門座 2-活門彈簧 3-擋板活門 4-鐵芯頂頭 5-鐵芯彈簧

1.1電磁閥結(jié)構(gòu)及工作原理

高速數(shù)字電磁閥作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)的電液轉(zhuǎn)換裝置，是電子控制器的關(guān)鍵執(zhí)行元件[1](見圖1)。主要工作原理[2]為：在斷電情況下，擋板活門在鐵芯彈簧力作用下關(guān)閉活門座，電磁閥進(jìn)口和出口處于關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)線圈通電時(shí)，電磁力克服鐵芯彈簧力使活門座打開，使電磁閥進(jìn)口和出口處于相通狀態(tài)，屬于斷電關(guān)閉型閥門。

該快速電磁閥采用“噴嘴-擋板”結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟，加工容易實(shí)現(xiàn)，耐污染能力好，但結(jié)構(gòu)不緊湊,長(zhǎng)時(shí)間使用擋板磨損嚴(yán)重，且不滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用中斷電長(zhǎng)開的要求，需要對(duì)該電磁閥進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)。

1.2改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)噴口加力調(diào)節(jié)器工作需要，新研制快速電磁閥(以下簡(jiǎn)稱閥2)屬于斷電常開型電磁閥，與閥1工作原理剛好相反，具體結(jié)構(gòu)方案如下：

在假設(shè)電氣部分結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，參考閥1結(jié)構(gòu)原理圖，采用球閥密封結(jié)構(gòu)。球閥的優(yōu)點(diǎn)是容易密封、行程小、動(dòng)作靈敏，切換時(shí)間短；在一定開度和雷諾數(shù)變化范圍內(nèi), 球閥有較穩(wěn)定的流量系數(shù)(Cq ≈0 9～1.0)，且不易出現(xiàn)流量飽和現(xiàn)象[3]。閥2殼體組件和線圈組件與閥1相同，具體結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2改進(jìn)后結(jié)構(gòu)圖

*注：1-鋼球 2-油嘴 3-鐵芯頂桿 4-鐵芯彈簧

工作原理：在線圈未通電時(shí)，鐵芯彈簧的預(yù)緊力使鐵芯頂桿推開鋼球一定的間隙，燃油從進(jìn)口通過濾網(wǎng)進(jìn)入鋼球和油嘴的間隙，從出口流出。當(dāng)線圈通電時(shí)，電磁力和油壓力共同克服鐵芯彈簧預(yù)緊力，鋼球封閉油嘴，油路關(guān)閉。

1.2.1油嘴的設(shè)計(jì)

(1)根據(jù)最大流量Q=1800ml/min，計(jì)算流通面積：

得出：S=0.684 mm2

(2) 油嘴的設(shè)計(jì)

油嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖見圖3。

選用φ3的鋼球，計(jì)算閥口流通面積：

得出：R≥3.14 mm

圖紙?jiān)O(shè)計(jì)時(shí) R=3.5 mm

鋼球的直徑為φ3，推桿的直徑設(shè)計(jì)為d1=1.2

計(jì)算油嘴的出口流通面積：

得出d=1.52 mm

圖3　油嘴的結(jié)構(gòu)圖

1.2.2鋼球所受的油壓力計(jì)算

閥1裝配位置的彈簧力F=6±0.4 N

因此，在電氣參數(shù)不變的情況下，采用結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)方案能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品功能要求。

2建模與仿真

根據(jù)結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，快速電磁閥的主要組成有：殼體組件、線圈組件、鐵芯組件、濾網(wǎng)組件、油嘴、鋼球等。

2.1建立數(shù)學(xué)模型

在AMESim中建立的占空比-流量模型[4]見圖4。

圖4脈寬調(diào)制數(shù)字快速電磁閥AMESim模型

第1部分：脈寬調(diào)制數(shù)字快速電磁閥的占空比S信號(hào)輸入，輸入值范圍在0～1之間，單位是1，如下圖5所示。

圖5　脈寬調(diào)制數(shù)字快速電磁閥占空比輸入信號(hào)范圍

第3部分：脈寬調(diào)制數(shù)字快速電磁閥內(nèi)部的球閥結(jié)構(gòu)。在該模型中參數(shù)根據(jù)實(shí)際進(jìn)行設(shè)置，鐵芯位移0.3mm、油嘴孔徑1.52mm、進(jìn)、出口油壓差1.8MPa。

2.2仿真結(jié)果

從表1快速閥占空比-流量仿真曲線可以看出：在占空比為S=0，Q=1815.5 mL /min；S=20%，Q=1439.4 mL /min；S=50%，Q=908.6 mL /min ；S=20%，Q=362mL /min時(shí)，仿真流量結(jié)果與設(shè)計(jì)流量完全一致。

表1　快速電磁閥占空比-流量仿真曲線

續(xù)表1

占空比流量QV(ml/min)仿真結(jié)果(L/min)80%(0.2±8%)Q(360±144ml/min)

3工程驗(yàn)證及結(jié)論

為了進(jìn)一步驗(yàn)證斷電常開型快速電磁閥工作可靠性，將改進(jìn)后電磁閥配裝某噴口加力調(diào)節(jié)器開展了200小時(shí)壽命摸底試驗(yàn)，調(diào)節(jié)器各項(xiàng)性能均能滿足要求。壽命試驗(yàn)結(jié)束后，分解檢查電磁閥，鋼珠等零件沒有出現(xiàn)異常。改進(jìn)設(shè)計(jì)的快速電磁閥完全滿足噴口加力調(diào)節(jié)器工作要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 王秋霞,樊丁,彭凱,等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)高速電磁閥控制模式分析研究[J].計(jì)算機(jī)仿真，2013,30(1):145-150.

[2] 馬靜,陳靜,李杰.航空快速電磁閥的設(shè)計(jì)和仿真研究[J].計(jì)算機(jī)仿真,2009,26(9)：24-27.

[3] 賀小峰，黃國勤，楊友勝，等.球閥閥口流量特性的試驗(yàn)研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2004,40(8):30-33.

[4] 李吉，李華聰.仿真軟件AMESim應(yīng)用研究[J].航空計(jì)算技術(shù)，2006，36(1):56-58.

[責(zé)任編輯、校對(duì)：張朋毅]

Design and Simulation of a Pulse Width Modulation Digital

Fast Solenoid Valve

WENHong-wu

(Department of Navy Equipment, Xi'an 710077, China)

Abstract：With the development of aviation industry, the pulse width modulation digital fast solenoid valve is becoming increasingly prominent in fuel control system. The paper basically studies the design and performance simulation analysis of a pulse width modulation digital fast solenoid valve with the function of self-open when power cutting. Through validation test, the design of pulse width modulation digital fast solenoid valve has been optimized.

Key words：fast solenoid valve; design; self-open in power cutting