液力平衡形式開關(guān)電磁閥流量及動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性仿真研究

李波

摘要：本文介紹了液力平衡形式開關(guān)電磁閥的工作原理，并以電磁閥的流量和閥芯的響應(yīng)特性為優(yōu)化目標(biāo)，搭建其AMESim仿真模型，完成了該型開關(guān)電磁閥的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：開關(guān)電磁閥 AMESim 設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化

開關(guān)式電磁閥是一種電磁控制執(zhí)行器，是控制流體方向的自動(dòng)化基礎(chǔ)元器件，在各行各業(yè)有這廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，基于仿真平臺(tái)開展的設(shè)計(jì)與優(yōu)化成為越來越被普遍采用的方法。本文采用AMESim仿真平臺(tái)，搭建某種液力平衡式開關(guān)電磁閥的詳細(xì)仿真模型，研究其關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)其流量及響應(yīng)特性的影響，并最終完成其優(yōu)化設(shè)計(jì)。

一、研究對(duì)象

本文研究對(duì)象為某種液力平衡式電磁閥開關(guān)閥。該閥采用錐面密封，閥芯錐角<閥座錐角。電磁閥通電，閥芯受到電磁力作用后打開，兩側(cè)高壓油路通過密封座面泄油。電磁閥斷電后，閥芯在頂部復(fù)位彈簧的作用下關(guān)閉，座面位置形成密封。在閥關(guān)閉狀態(tài)，閥芯不受高壓燃油液壓力作用。

二、電磁閥流量特性數(shù)值計(jì)算

由閥口（錐臺(tái)）幾何流通面積計(jì)算式（式1）

式中：——密封面錐角，deg；

h——閥芯升程，mm；

d——密封直徑，mm。

式1可知：

密封錐角α一定時(shí)，閥口的幾何流通面積與正比于密封直徑和閥芯升程。

三、基于AMESim的仿真分析

（一）仿真模型的搭建

為進(jìn)一步探究液力平衡式開關(guān)電磁閥關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)參數(shù)對(duì)其流量及響應(yīng)特性的影響并最終完成參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，本文采用AMESim平臺(tái)搭建該開關(guān)電磁閥的詳細(xì)仿真模型，根據(jù)其工作原理，并綜合考慮系統(tǒng)中的泄漏、壓力波動(dòng)等，建立的仿真模型。

（二）計(jì)算方案的制定

在滿足閥口流通能力設(shè)計(jì)要求的前提下，以提高銜鐵運(yùn)動(dòng)響應(yīng)為目標(biāo)開展計(jì)算，制訂計(jì)算方案如下：

1.單因素分析——獲取密封直徑 、電磁閥升程和彈簧預(yù)緊力等參數(shù)對(duì)開關(guān)電磁閥響應(yīng)特性和實(shí)際通過流量的影響規(guī)律。

2.確定最終結(jié)構(gòu)參數(shù)方案——根據(jù)單因素優(yōu)化計(jì)算結(jié)果確定因子范圍，進(jìn)行尋優(yōu)計(jì)算獲取最終結(jié)構(gòu)參數(shù)方案。

3.磨損后所需彈簧預(yù)緊力計(jì)算——通過計(jì)算得出具體磨損寬度對(duì)應(yīng)所需的保證電磁閥正常關(guān)閉的彈簧預(yù)緊力數(shù)值。

（三）單因素計(jì)算

1.升程的影響

升程增大時(shí)開啟響應(yīng)時(shí)間、關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間和流量同時(shí)呈線性增大的趨勢(shì)。流量隨升程的增大而增大，與理論計(jì)算保持一致。

2.密封直徑的影響

密封直徑對(duì)銜鐵的啟閉響應(yīng)時(shí)間影響較小，但對(duì)通過流量影響顯著。這是由于該型開關(guān)閥采用平衡結(jié)構(gòu)，密封直徑影響較小，但磨損后，液壓力作用在閥芯上，密封直徑對(duì)其響應(yīng)特性的影響將加大。

3.彈簧預(yù)緊力影響

（1）開啟響應(yīng)時(shí)間隨彈簧預(yù)緊力的增大而顯著增大，關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間隨彈簧預(yù)緊力的增大而顯著下降。預(yù)緊力在兩條曲線相交時(shí)使得不增加開啟響應(yīng)的前提下，關(guān)閉響應(yīng)達(dá)到最小。

（2）當(dāng)彈簧預(yù)緊力增大一定數(shù)值，在不提高保持電流的前提下，閥芯無(wú)法到最大升程。

（3）閥口出的流通面積不隨彈簧預(yù)緊力變化而變化，即電磁閥的通過流量基本無(wú)變化。

（四）磨損后所需彈簧預(yù)緊力計(jì)算

閥座密封線在未磨損前，閥芯不受液壓力作用，而在閥座密封線磨損后，閥芯與閥座接觸處變成一個(gè)環(huán)狀密封帶，閥芯在開啟過程和關(guān)閉落座過程中都存在液壓力的作用，關(guān)閉過程需要克服這個(gè)環(huán)狀流道中的液壓力。由此可知：

1.隨著磨損量的增大，閥芯開啟響應(yīng)時(shí)間越來越短，而關(guān)閉響應(yīng)則越來越長(zhǎng)。通過流量基本不隨磨損寬度和彈簧預(yù)緊力變化而變化。

2.當(dāng)磨損寬度達(dá)到一定數(shù)值，在原有彈簧預(yù)緊力下，閥芯已無(wú)法正常關(guān)閉；

3.加大彈簧預(yù)緊力可以使得磨損后閥芯正常關(guān)閉。但由上文中閥芯啟閉時(shí)間隨彈簧預(yù)緊力變化規(guī)律可知，預(yù)緊力加大后，閥芯開啟過程時(shí)間變長(zhǎng)，甚至無(wú)法開啟。

因此，磨損后為要保證關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間達(dá)到磨損前的響應(yīng)時(shí)間，彈簧預(yù)緊力就存在一個(gè)最小值。相應(yīng)的，模型要保證閥芯正常開啟，彈簧預(yù)緊力也存在一個(gè)最大限制。

經(jīng)仿真計(jì)算得到，當(dāng)磨損量使得密封直徑增加0.5mm時(shí)，滿足關(guān)閉響應(yīng)要求所需最小彈簧力為140N。為保證正常開，其最大彈簧力不得超過190N。由此可見，當(dāng)座面磨損量較大時(shí)（如0.5mm），雖可采用加大彈簧預(yù)緊力的方式保證開關(guān)電磁閥的正常工作，但對(duì)彈簧及其安裝預(yù)緊力的精度要求較高，電磁閥穩(wěn)定工作的可靠性將大幅下降。因此，建議在對(duì)電磁閥密封錐面進(jìn)行特殊處理，降低其磨損風(fēng)險(xiǎn)和磨損間隔時(shí)間，并使用過程中需定期檢查、及時(shí)更換。

四、結(jié)語(yǔ)

本文通過理論及仿真計(jì)算探究了液力平衡式開關(guān)電磁閥關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)其流量和響應(yīng)特性的影響；綜合單因素影響分析和尋優(yōu)計(jì)算結(jié)果確定了電磁閥詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)方案；并校核了不同磨損寬度對(duì)彈簧預(yù)緊力的需求。分析過程中得到的相關(guān)結(jié)論如下：

（一）該型電磁閥開啟響應(yīng)時(shí)間、關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間和流量隨升程的增大同時(shí)呈線性增大的趨勢(shì)；

（二）密封直徑對(duì)銜鐵的啟閉響應(yīng)時(shí)間影響較小，但對(duì)通過流量影響顯著，流量隨密封直徑的增大而增大；

（三）開啟響應(yīng)時(shí)間隨彈簧預(yù)緊力的增大而顯著增大，關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間隨彈簧預(yù)緊力的增大而顯著下降；

（四）密封座面磨損后，采用加大彈簧預(yù)緊力的方式可保證電磁閥的正常工作，但對(duì)彈簧及其安裝預(yù)緊力的精度要求較高，電磁閥穩(wěn)定工作的可靠性將大幅下降。

參考文獻(xiàn)：

[1]賈錫印，李曉波.柴油機(jī)燃油噴射及調(diào)整[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2001.

（作者單位：牡丹區(qū)何樓辦事處 簸箕屯小學(xué)）