氣動(dòng)先導(dǎo)式高壓電磁閥的動(dòng)態(tài)特性仿真研究

葉 宏，向 忠，胡旭東

(浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，杭州 310018)

氣動(dòng)先導(dǎo)式高壓電磁閥的動(dòng)態(tài)特性仿真研究

葉 宏，向 忠，胡旭東

(浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，杭州 310018)

對(duì)先導(dǎo)結(jié)構(gòu)和主閥芯設(shè)計(jì)為一體的先導(dǎo)式高壓電磁閥進(jìn)行了仿真分析。根據(jù)牛頓第二定律建立該電磁閥的運(yùn)動(dòng)方程；針對(duì)該閥電磁模塊的特點(diǎn)，建立電磁鐵的動(dòng)態(tài)模型；以固定容積同時(shí)充放氣模型為基礎(chǔ)，建立氣隙腔壓力變化微分方程；以電磁閥運(yùn)動(dòng)方程為基礎(chǔ)，運(yùn)用Matlab/Simulink實(shí)現(xiàn)了具有兩段位移的先導(dǎo)式高壓電磁閥的動(dòng)態(tài)特性仿真分析。仿真結(jié)果表明：對(duì)電磁閥氣路中的氣隙腔模塊進(jìn)行優(yōu)化，可提高先導(dǎo)小孔泄壓過(guò)程中壓力平衡的建立速度，從而提高電磁閥響應(yīng)速度。

CNG汽車；先導(dǎo)式高壓電磁閥；動(dòng)態(tài)特性；Simulink ;氣動(dòng)

0 引言

隨著大氣污染狀況加劇，汽車尾氣問題越來(lái)越受重視。壓縮天然氣(compress nature gas，CNG)和氫氣作為替代石油的能源，在汽車制造技術(shù)中獲得了廣泛應(yīng)用。為提高CNG或氫氣燃料汽車的最大續(xù)航里程，需發(fā)展高壓儲(chǔ)氣技術(shù)?，F(xiàn)階段CNG汽車儲(chǔ)氣瓶工作壓力為20MPa，而氫氣燃料汽車儲(chǔ)氣瓶壓力更高，達(dá)到70MPa。為有效控制該類汽車供氣系統(tǒng)的通斷，迫切需要研究開發(fā)相關(guān)的高壓電磁閥。

仿真研究是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究電磁閥動(dòng)態(tài)特性的重要方法。Dong等[1]以Simulink為平臺(tái)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究了氣動(dòng)先導(dǎo)式高壓電磁閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)。戈和偉[2]在Ansoft Maxwell(現(xiàn)在稱ANSYS Maxwell)平臺(tái)上分析了微型氣動(dòng)高壓電磁閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。馬靜等[3]對(duì)快速電磁閥的核心電磁部分進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，并通過(guò)Simulink進(jìn)行仿真研究。胥景等[4]通過(guò)Simulink建立了振動(dòng)環(huán)境下電磁換向閥的仿真模型，研究各振動(dòng)參數(shù)和閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)閥動(dòng)態(tài)特性的影響。Dasgupta等[5]利用鍵合圖建立了比例控制的先導(dǎo)溢流閥動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)其進(jìn)行了動(dòng)態(tài)數(shù)字仿真。Vaughan等[6]研究了高速直動(dòng)式電磁閥的非線性動(dòng)力學(xué)模型，該電磁閥由比例螺線管和滑閥組件兩個(gè)子系統(tǒng)組成。以上研究中，動(dòng)鐵芯均為單段位移，行程中無(wú)停止，且均采用先導(dǎo)結(jié)構(gòu)和主閥芯分開的方式研究先導(dǎo)式電磁閥。

本文以應(yīng)用于CNG汽車氣瓶瓶口的先導(dǎo)式高壓電磁閥為研究對(duì)象，該閥控制整個(gè)天然氣供給系統(tǒng)的通斷。由于氣瓶?jī)?nèi)存儲(chǔ)的是高壓氣體，而且汽車普遍提供的是12V的直流電源，所以應(yīng)用在瓶口的電磁閥采用先導(dǎo)結(jié)構(gòu)，以降低功耗。為減小電磁閥尺寸，將先導(dǎo)結(jié)構(gòu)和主閥芯設(shè)計(jì)為一體結(jié)構(gòu)。該設(shè)計(jì)導(dǎo)致動(dòng)鐵芯具有兩段運(yùn)動(dòng)。動(dòng)鐵芯在行程中先運(yùn)動(dòng)一段位移，然后與主閥芯接觸；接觸后會(huì)短暫停止一段時(shí)間，然后帶動(dòng)主閥芯一起運(yùn)動(dòng)，從而打開電磁閥。本文以牛頓第二定律為基礎(chǔ)，建立先導(dǎo)式高壓電磁閥的運(yùn)動(dòng)方程；針對(duì)該閥電磁模塊的特點(diǎn)，以麥克斯韋電磁場(chǎng)理論為基礎(chǔ)，參考相關(guān)文獻(xiàn)得出電磁力計(jì)算方程組，從而建立電磁鐵的動(dòng)態(tài)模型；以固定容積同時(shí)充放氣模型為基礎(chǔ)，結(jié)合假設(shè)條件以及電磁閥實(shí)際，推導(dǎo)出適用于絕熱條件下的氣隙腔壓力變化微分方程；以電磁閥運(yùn)動(dòng)方程為基礎(chǔ)，結(jié)合電磁閥實(shí)際，運(yùn)用Matlab/Simulink搭建電磁閥仿真模型，進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真研究。

1 先導(dǎo)式高壓電磁閥的工作原理

先導(dǎo)式高壓電磁閥的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

1.閥體；101.進(jìn)氣口；102.出氣口；2.主閥芯；201.先導(dǎo)小孔；202.擋環(huán)；203.小平面；3.導(dǎo)套；4.動(dòng)鐵芯；5.線圈；6.氣隙腔； 7.螺母；8.靜鐵芯；9.彈簧上支撐件；10.彈簧；11.彈簧下支撐件；12.密封圓片；13.環(huán)形縫隙；14.O形圈圖1 先導(dǎo)式高壓電磁閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

彈簧上支撐件9頂在靜鐵芯8上，使彈簧10處于壓縮狀態(tài)，將密封圓片12緊壓在小平面203上，因?yàn)槊芊鈭A片12的面積大于小平面203的面積，所以密封圓片12將先導(dǎo)小孔201密封。動(dòng)鐵芯4和主閥芯2均可在導(dǎo)套3內(nèi)軸向滑動(dòng)，由主閥芯2和導(dǎo)套3之間的軸向滑動(dòng)形成環(huán)形縫隙13。電磁閥全部安裝完成后，導(dǎo)套3內(nèi)形成一個(gè)開口系統(tǒng)，即氣隙腔6，該氣隙腔通過(guò)環(huán)形縫隙13向內(nèi)充氣，也可通過(guò)先導(dǎo)小孔201向外放氣。電磁閥安裝于儲(chǔ)氣瓶口后，氣體從進(jìn)氣口101進(jìn)入，通過(guò)閥體1與主閥芯2之間的空隙，再通過(guò)環(huán)形縫隙13進(jìn)入氣隙腔6，使主閥芯2上部均處在20MPa的高壓氣體中。由于氣壓差力的作用，使主閥芯2緊壓在出氣口102上(出氣口此處可當(dāng)作接大氣)，使進(jìn)出氣口不連通，電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)。

線圈5通電后吸引動(dòng)鐵芯4先向上運(yùn)動(dòng)一小段位移，帶動(dòng)密封圓片12向上運(yùn)動(dòng)，打開先導(dǎo)小孔201，氣隙腔6開始泄壓。在泄壓的同時(shí)也會(huì)有氣體通過(guò)環(huán)形縫隙13進(jìn)入氣隙腔6，當(dāng)氣隙腔6流入的氣體質(zhì)量流量和流出的氣體質(zhì)量流量相等時(shí)，氣隙腔內(nèi)壓力降到最低，作用在主閥芯2上的氣壓差力也降到最低。在先導(dǎo)小孔201打開后，動(dòng)鐵芯4處于壓力平衡狀態(tài)，因此只受到彈簧10的反力作用(該力相對(duì)于此時(shí)的電磁力很小)，在電磁力作用下動(dòng)鐵芯4繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)直到動(dòng)鐵芯接觸擋環(huán)202(此過(guò)程時(shí)間小于氣隙腔泄壓過(guò)程的時(shí)間)，從而卡在主閥芯2上，使兩者成為一個(gè)整體。由于此時(shí)作用于主閥芯2上的氣壓差力大于電磁力，動(dòng)鐵芯停止運(yùn)動(dòng)。在氣隙腔6泄壓的過(guò)程中，電磁力逐漸增大，而作用在主閥芯2上的氣壓差力逐漸降低，最終電磁力大于氣壓差力后，動(dòng)鐵芯4繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)主閥芯2向上運(yùn)動(dòng)，進(jìn)出口接通，電磁閥打開。

2 建模與仿真

2.1 先導(dǎo)式高壓電磁閥動(dòng)態(tài)模型的建立

2.1.1 電磁閥運(yùn)動(dòng)方程的建立

以運(yùn)動(dòng)體(初始時(shí)運(yùn)動(dòng)體指動(dòng)鐵芯；當(dāng)動(dòng)鐵芯接觸主閥芯擋環(huán)時(shí)，運(yùn)動(dòng)體指動(dòng)鐵芯和主閥芯兩者組成的整體)為研究對(duì)象，分析其在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受力情況，如圖2所示(圖2(a)中運(yùn)動(dòng)體所受阻尼力方向向下，圖中未畫出)。氣壓差力F1變化分3個(gè)階段：首先，先導(dǎo)小孔打開前，以動(dòng)鐵芯為研究對(duì)象，由于動(dòng)鐵芯除與小平面接觸面積外均處于壓力平衡狀態(tài)，氣壓差力等于先導(dǎo)小孔上端小平面面積A0與進(jìn)氣口壓力P1的乘積，即：

F1=P1A0；

其次，在先導(dǎo)小孔打開直至動(dòng)鐵芯與主閥芯接觸成為整體，該段時(shí)間內(nèi)，F(xiàn)1等于0(此時(shí)運(yùn)動(dòng)體只有動(dòng)鐵芯，而且動(dòng)鐵芯所受壓力又上下平衡)；最后，以動(dòng)鐵芯和主閥芯整體為研究對(duì)象，氣壓差力為主閥芯所受壓力差，F(xiàn)1等于F2與F0之差，即：

F1=F2-F0.

其中F2表示P2對(duì)主閥芯垂直向下的壓力，見式(1)；F0表示P1與P0對(duì)主閥芯的總壓力在垂直向上方向的分力和，見式(2)。

(1)

(2)

其中：d1為主閥芯錐面密封平均直徑；d3為主閥芯圓柱面直徑；P2為氣隙腔壓力；P0為出口處壓力，可看作是大氣壓力。

圖2 運(yùn)動(dòng)體和主閥芯受力分析

根據(jù)牛頓第二定律結(jié)合運(yùn)動(dòng)體和主閥芯受力分析，可建立電磁閥運(yùn)動(dòng)方程：

(3)

其中：Fmag為電磁力；Ks為彈簧剛度；X0為彈簧預(yù)壓縮量；Fzn為阻尼力，等于阻尼系數(shù)與速度的乘積；X為運(yùn)動(dòng)體的位移，(初始時(shí)為動(dòng)鐵芯位移，當(dāng)動(dòng)鐵芯和主閥芯作為整體運(yùn)動(dòng)時(shí)為兩者共同的位移)；m1為運(yùn)動(dòng)體質(zhì)量，初始為動(dòng)鐵芯質(zhì)量，當(dāng)動(dòng)鐵芯與主閥芯作為整體后m1為兩者質(zhì)量和。

2.1.2 電磁鐵動(dòng)態(tài)模型的建立

將電磁鐵線圈理想化為一個(gè)電感線圈，由電磁感應(yīng)定律知電磁鐵的電路方程[7]為：

(4)

其中：U表示電磁鐵的輸入電壓；R和I分別表示線圈電阻和電流；L表示線圈電感，為位移X的函數(shù)[8]：L(X)=N2/R0(X)，其中R0(X)等于磁路中總的磁阻。

dLI/dt= L(X)*dI/dt+I* dX/dt* L(X)/dt其中v為運(yùn)動(dòng)體速度，v= dX/dt，則式(4)可化為：

(5)

忽略磁場(chǎng)的邊緣效應(yīng)，根據(jù)電磁鐵結(jié)構(gòu)得到電磁鐵的等效磁路模型，如圖3所示。

圖3 電磁鐵的等效磁路模型

根據(jù)基爾霍夫磁壓定律，磁路方程[7]為：

NI =φd(Rd+ Rf+ Rm)

(6)

其中：N是線圈匝數(shù);φd為通過(guò)工作氣隙的磁通；Rf為非工作氣隙磁阻(主要指的是導(dǎo)套和動(dòng)鐵芯之間的間隙處磁阻)；Rm為對(duì)應(yīng)磁路磁阻；Rd為工作氣隙磁阻，其公式為：Rd=(d-X)/uA；d為動(dòng)鐵芯與靜鐵芯之間的初始?xì)庀?；u為空氣的磁導(dǎo)率；A為磁路的截面積。

相對(duì)于工作氣隙磁阻，非工作氣隙磁阻和導(dǎo)磁體磁阻很小，可以忽略不計(jì)[9]，所以R0(X)= Rd，則式(6)變?yōu)椋?/p>

NI=φdRd

(7)

根據(jù)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，電磁鐵總的磁能W=0.5L(X)I2。由虛位移原理，當(dāng)電磁鐵氣隙變化dX，電磁吸力做機(jī)械功為FmagdX，根據(jù)機(jī)械能守恒定律dW=0.5I2dL(X) =FmagdX，則電磁鐵的電磁吸力為：

(8)

2.1.3 電磁閥氣隙腔模型的建立

將閥氣隙腔模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，并作出以下假設(shè)：a)氣隙腔容積不變；b)氣隙腔處于絕熱條件下；c)將此處的CNG視為理想氣體。氣隙腔可分別通過(guò)環(huán)形縫隙和先導(dǎo)小孔充放氣，模型如圖4所示，其中黑點(diǎn)表示氣體粒子。

圖4 氣隙腔模型簡(jiǎn)化圖

由簡(jiǎn)化模型和假設(shè)條件可得先導(dǎo)主閥芯泄壓過(guò)程中氣隙腔壓力變化微分方程：

(9)

其中：q1m為通過(guò)環(huán)形縫隙流入氣隙腔的質(zhì)量流量；q2m為通過(guò)先導(dǎo)小孔流出氣隙腔的質(zhì)量流量；k為等熵指數(shù)；m2表示氣隙腔內(nèi)氣體的質(zhì)量。

質(zhì)量流量公式[10]如下：

(10)

其中：dk表示小孔的直徑；u1表示氣體在20℃時(shí)的動(dòng)力黏度，u1=1.80×10-5Pa·s；l表示小孔長(zhǎng)度；R1表示氣體常數(shù)；T表示絕對(duì)溫度；g表示重力加速度。

(11)

其中：d2表示導(dǎo)套的內(nèi)徑；h表示主閥芯與導(dǎo)套的徑向間隙；l0表示主閥芯和導(dǎo)套形成的環(huán)縫長(zhǎng)度；ε表示主閥芯和導(dǎo)套之間的相對(duì)偏心距。

將式(10)和式(11)代入(9)，消去RT得：

(12)

其中：V2為氣隙腔體積。

2.2 先導(dǎo)式高壓電磁閥Simulink仿真模型的建立

按照第2.1節(jié)中的相關(guān)模型建立電磁閥的Simulink仿真模型，如圖5所示。該模型主要分為7個(gè)小模塊。a)電磁力模塊：該模塊是依據(jù)式(5)、(7)、(8)建立的電磁力求解模塊。b)氣壓差力模塊：該模塊是依據(jù)氣壓差力F1的求解公式建立的氣壓差力求解模塊。c)彈簧模塊：該模塊是依據(jù)胡克定律求解彈簧力的大小。d)阻尼模塊：該模塊是阻尼系數(shù)和速度的乘積。e)合外力控制模塊：該模塊是代替閥體和主閥芯之間的彈力作用，取合外力的絕對(duì)值，防止出現(xiàn)負(fù)的位移。f)質(zhì)量控制模塊：該模塊是模擬實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程中運(yùn)動(dòng)體的質(zhì)量變化。該模塊產(chǎn)生一個(gè)階躍信號(hào)，模擬運(yùn)動(dòng)體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的質(zhì)量變化。當(dāng)運(yùn)動(dòng)體位移X=X1時(shí)(X1表示動(dòng)鐵芯和主閥芯接觸瞬時(shí)的運(yùn)動(dòng)體位移)，質(zhì)量控制模塊產(chǎn)生信號(hào)階躍，由動(dòng)鐵芯質(zhì)量變化為動(dòng)鐵芯和主閥芯的質(zhì)量和。g)速度控制模塊：該模塊是由于模塊e的存在，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)體由動(dòng)鐵芯變?yōu)閯?dòng)鐵芯和主閥芯組成的整體時(shí)，出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)體因具備了一定的初速度而直接將主閥芯打開的仿真結(jié)果。該模塊根據(jù)運(yùn)動(dòng)體所受合外力FS和運(yùn)動(dòng)體位移的狀態(tài)控制運(yùn)動(dòng)體速度，具體控制條件見表1。綜合以上模塊再結(jié)合式(3)搭建一些必須的輔助模塊(如積分模塊)，使該仿真模型可精確模擬電磁閥的實(shí)際工作情況。

圖5 Simulink仿真模型

X

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 仿真結(jié)果

運(yùn)用Simulink仿真模型，對(duì)電磁閥進(jìn)行仿真，分別得到電磁閥運(yùn)動(dòng)體的位移與速度曲線(圖6)、電磁鐵的電流與電磁力曲線(圖7)、運(yùn)動(dòng)體氣壓差力與氣隙腔壓力曲線(圖8)、先導(dǎo)小孔和環(huán)形縫隙質(zhì)量流量曲線(圖9)。

圖6 運(yùn)動(dòng)體位移與速度曲線

圖7 電磁鐵電流與電磁力曲線

圖8 運(yùn)動(dòng)體氣壓差力與氣隙腔壓力曲線

圖9 先導(dǎo)小孔和環(huán)形縫隙質(zhì)量流量曲線

分析圖6-圖9知：電磁閥的運(yùn)動(dòng)體(此時(shí)運(yùn)動(dòng)體是動(dòng)鐵芯)在8 ms時(shí)開始運(yùn)動(dòng)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)體位移等于0.1 mm后將帶動(dòng)密封圓片(見圖1(b))運(yùn)動(dòng)，打開先導(dǎo)小孔，氣隙腔開始泄壓。當(dāng)動(dòng)鐵芯向上運(yùn)動(dòng)到0.8 mm時(shí)，動(dòng)鐵芯將與主閥芯的擋環(huán)(見圖1(b))接觸，由于擋環(huán)的存在迫使動(dòng)鐵芯和主閥芯成為一個(gè)整體，運(yùn)動(dòng)體也變?yōu)橹鏖y芯和動(dòng)鐵芯的結(jié)合體。由于此時(shí)主閥芯上存在很大的氣壓差力(見圖8)，將迫使動(dòng)鐵芯速度瞬間降為0(如圖6(b)所示)。隨著時(shí)間的增加，氣壓差力逐漸降低，電磁力逐漸升高，在58 ms時(shí)電磁力最終克服阻力，運(yùn)動(dòng)體又重新開始運(yùn)動(dòng)，主閥芯打開。此處仿真的電磁閥打開時(shí)間為58 ms，符合實(shí)際CNG汽車對(duì)電磁閥的響應(yīng)要求。

3.2 仿真結(jié)果分析

觀察圖6可知?jiǎng)予F芯在導(dǎo)套內(nèi)有兩段運(yùn)動(dòng)，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體在磁場(chǎng)中做切割磁感線運(yùn)動(dòng)，將會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。所以電磁鐵的電流在動(dòng)鐵芯的兩段運(yùn)動(dòng)過(guò)程中均有下降，而且當(dāng)動(dòng)鐵芯的速度為0時(shí)線圈的電流處于一個(gè)最低的峰值。通過(guò)對(duì)比圖6(b)圖7(a)可知，該仿真的結(jié)果符合電磁感應(yīng)定律。根據(jù)公式(7)可知電磁力受電流的影響很大，通過(guò)圖7(a)和圖7(b)的比較可知電磁力隨著電流的變化而變化。

電磁閥實(shí)際工作過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)體所受氣壓差力首先以較小的常值持續(xù)一段時(shí)間，然后瞬間變?yōu)?，并以0值持續(xù)一小段時(shí)間，再瞬間變?yōu)橐粋€(gè)較大的值，接著在較大值的基礎(chǔ)上逐漸下降，最后趨于一個(gè)穩(wěn)定值。圖8曲線趨勢(shì)和實(shí)際工作過(guò)程中運(yùn)動(dòng)體的氣壓差力的變化趨勢(shì)完全相同，可知仿真結(jié)果符合電磁閥實(shí)際工作情況。

分析氣隙腔內(nèi)壓力平衡的建立過(guò)程：先導(dǎo)小孔打開后，氣隙腔內(nèi)氣體通過(guò)先導(dǎo)小孔向外泄壓，同時(shí)，氣源內(nèi)的氣體通過(guò)主閥芯和導(dǎo)套之間的環(huán)形縫隙也在不斷向氣隙腔內(nèi)充氣。在此充放氣過(guò)程中，氣隙腔內(nèi)的壓力逐漸降低(見圖8)。當(dāng)氣隙腔流進(jìn)的流量和流出的流量相等時(shí)，氣隙腔內(nèi)壓力達(dá)到平衡狀態(tài)，即壓力降到最低點(diǎn)。該仿真過(guò)程忽略了初始狀態(tài)向氣隙腔內(nèi)充氣的過(guò)程，所以圖9先導(dǎo)小孔打開前，小孔的質(zhì)量流量和環(huán)形縫隙的質(zhì)量流量均為0。分析圖9可知：先導(dǎo)小孔打開后，由于小孔流出的質(zhì)量流量大于環(huán)形縫隙流入的質(zhì)量流量，所以氣隙腔內(nèi)壓力P2逐漸降低(見圖9)。因?yàn)镻2逐漸降低，氣隙腔與出口處壓力差逐漸下降，而進(jìn)氣口和氣隙腔內(nèi)壓力差逐漸升高，所以先導(dǎo)小孔的流量逐漸下降而環(huán)形縫隙的流量逐漸升高，直到兩者相等處于平衡狀態(tài)。由此可得：該電磁閥仿真模型可通過(guò)改變先導(dǎo)小孔和環(huán)形縫隙的結(jié)構(gòu)參數(shù)(主要指小孔直徑和長(zhǎng)度以及環(huán)形縫隙的徑向間隙和長(zhǎng)度)來(lái)優(yōu)化氣隙腔處泄壓過(guò)程，減少壓力平衡建立時(shí)間，提高電磁閥的響應(yīng)速度。綜上可得：關(guān)于氣隙腔泄壓的數(shù)學(xué)方程，即式(9)可用來(lái)模擬該電磁閥的實(shí)際工作過(guò)程。

4 結(jié) 論

本文建立了先導(dǎo)式高壓電磁閥的仿真模型，模型通過(guò)合外力控制模塊、質(zhì)量控制模塊以及速度控制模塊等對(duì)電磁閥運(yùn)動(dòng)體的兩段運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明：a)將電磁閥氣隙腔模型簡(jiǎn)化為固定容積同時(shí)充放氣模型，可近似模擬氣隙腔實(shí)際的工作狀態(tài)；b)針對(duì)a)中所述簡(jiǎn)化模型建立的壓力變化微分方程，可近似模擬電磁閥實(shí)際工作中氣隙腔壓力的變化；c)改變先導(dǎo)小孔和環(huán)形縫隙的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可優(yōu)化氣隙腔壓力平衡建立過(guò)程，從而提高電磁閥響應(yīng)速度。

然而，本文的仿真結(jié)果只是同電磁閥的實(shí)際工作要求相符合，沒有設(shè)計(jì)精確實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，而且電磁力計(jì)算模塊未考慮漏磁。后續(xù)研究需實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果，采用合理的方法來(lái)考慮漏磁問題。

[1] DONG D, LI X N.Simulation and experimental research on the response of a novel high-pressure pneumatic pilot-operated solenoid valve[C]//Proceedings of the 19th International Conference on Mechatronics and Machine Vision in Practice. Auckland, New-Zealand：AUT University,2012:480-484.

[2] 戈和偉.基于Ansoft的微型氣動(dòng)高壓電磁閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性仿真分析[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2014,11(2)：87-88.

[3] 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.

[4] 胥景，楊忠炯，周立強(qiáng)，等.TBM掘進(jìn)機(jī)電磁換向閥動(dòng)態(tài)特性仿真分析[J].計(jì)算機(jī)仿真，2015,32(1)：248-253.

[5] DASGUPTA K, WATTON J. Dynamic analysis of proportional solenoid controlled piloted relief valve by bondgraph[J]. Simulation Modelling Practice and Theory,2005,13(1):21-38.

[6] VAUGHAN N D, GAMBLE J B. The modeling and simulation of a proportional solenoid valve[J]. Dynamic Systems, Measurement, and Control,1996,118(1):120-125.

[7] ZIEBA J. Simulation of a solenoid actuator for a device for investigating dynamic air permeability through flat textile products[J]. Fibres & Textiles in Eastern Europe.2003,11(2)：85-87.

[8] 劉同娟，金能強(qiáng).電磁鐵瞬態(tài)特性的仿真研究[J].低壓電器，2005(6)：14-17.

[9] 汪志剛，張敬國(guó)，陳勤學(xué).電控柴油機(jī)用高速電磁閥的仿真研究[J].機(jī)電設(shè)備，2003，20(4)：22-26.

[10] 路甬祥.液壓氣動(dòng)技術(shù)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002：34-35.

(責(zé)任編輯： 康 鋒)

Dynamic Simulation Analysis of High-pressure Pneumatic Pilot Solenoid Valve

YEHong,XIANGZhong,HUXudong

(Faculty of Mechanical Engineering & Automation, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)

Simulation analysis was carried out for high-pressure pneumatic pilot solenoid valve which integrates the pilot structure and the main valve core. The kinematic equation of the solenoid valve was created based on Newton’s second law. Then, the dynamic model of the electromagnet was established according to the characteristics of the solenoid valve module. Then，the differential equations of gap chamber pressure change was established based on the model of a fixed volume charge and discharge model. Based on the kinematic equations of solenoid valve, Matlab/Simulink was applied to achieve dynamic simulation analysis of high-pressure pneumatic pilot solenoid valve with two sections of displacement. The simulation results show that the optimization of gap chamber in solenoid valve gas circuit can improve the speed of pressure balance establishment in the pressure relief process of pilot holes and then increase response speed of solenoid valve.

CNG vehicles; high-pressure pneumatic pilot solenoid valve; dynamic characteristic; Simulink; pneumatic

10.3969/j.issn.1673-3851.2017.01.014

2016-06-01

日期： 2017-01-03

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAF06B03)

葉 宏(1991-)，男，安徽六安人，碩士研究生，主要從事先導(dǎo)式高壓電磁閥方面的研究。

向 忠，E-mail:xz@zstu.edu.cn

TS101.9

A

1673- 3851 (2017) 01- 0085- 07