高壓電磁閥性能優(yōu)化仿真分析

李文斌，孫海鵬，張占峰，程 博

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

高壓電磁閥性能優(yōu)化仿真分析

李文斌，孫海鵬，張占峰，程 博

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

高壓電磁閥主閥背壓腔進(jìn)氣和排氣的流量影響高壓電磁閥啟閉特性。通過對高壓電磁閥進(jìn)行局部流場分析，計算了主閥受力影響；用AMESim建立仿真模型，分析了高壓電磁閥動態(tài)特性。通過分析計算，提出主閥背壓腔進(jìn)氣量化控制措施，達(dá)到了穩(wěn)定的控制效果。

高壓電磁閥；流量；動態(tài)特性

0 引 言

高壓電磁閥是某運載火箭三級補(bǔ)壓系統(tǒng)的重要閥門，用于控制常溫高壓氦氣瓶向液氧箱及液氫箱補(bǔ)壓的通道，以便在需要時利用氣瓶向貯箱補(bǔ)壓。高壓電磁閥曾經(jīng)在總裝測試時出現(xiàn)主閥顫振問題，電磁閥在工作時顫振影響主閥正常打開，造成補(bǔ)壓不穩(wěn)定或不能補(bǔ)壓的現(xiàn)象。本文對高壓電磁閥進(jìn)行流場及動態(tài)特性分析，計算出小孔直徑與啟閉特性的關(guān)系，并提出改進(jìn)措施。

1 工作原理

高壓電磁閥為先導(dǎo)式電磁閥，其工作原理是：電磁閥通過給電磁鐵通電，使銜鐵動作，打開小閥，使主閥背壓腔內(nèi)壓力釋放，主閥在入口高壓氣體的作用下開啟，入口到下游的通路連通；電磁閥斷電，小閥在回位彈簧作用下回位關(guān)閉，入口氣體進(jìn)入主閥背壓腔，在彈簧作用下主閥關(guān)閉。

高壓電磁閥采用波紋帶、漲圈結(jié)構(gòu)實現(xiàn)阻尼和泄漏量控制，由于顫振現(xiàn)象的發(fā)生，密封面和閥座多次碰撞，致使密封面損傷，導(dǎo)致電磁閥誤打開，對系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響。漲圈結(jié)構(gòu)對電磁閥背壓腔進(jìn)氣和排氣的影響非常關(guān)鍵，如果漲圈出現(xiàn)質(zhì)量問題將導(dǎo)致電磁閥打不開或關(guān)閉延遲，并且活閥開度將影響在開啟過程中的活閥的平衡和穩(wěn)定性。因此，本文對活閥開度以及波紋帶漲圈的泄漏量控制對電磁閥工作過程中的活閥的動穩(wěn)定性進(jìn)行仿真分析，并提出優(yōu)化改進(jìn)方案。

2 活閥開度流場仿真分析

2.1 仿真模型建立

模型按照高壓電磁閥結(jié)構(gòu)建立，以z軸為中心選取四分之一作為計算域，利用Gambit軟件選取非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對計算域進(jìn)行網(wǎng)格剖分，對閥座等速度梯度比較大的位置網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，網(wǎng)格數(shù)目約30萬左右（見圖1）。入口邊界條件和出口邊界條件使用壓力邊界條件，yz平面和yz平面上的對稱面使用對稱邊界條件，其他邊界使用壁面邊界條件。

使用Fluent軟件[1]對流場進(jìn)行計算，該問題屬于定常的可壓縮粘性流動，流動介質(zhì)為氦氣，進(jìn)口氦氣壓力為21 MPa，選取隱式耦合求解器，湍流模型采用Saplart-Allmaras方程模型，流動、湍流動能及湍流耗散率均采用二階格式求解，courant數(shù)取2，使用出口邊界條件對初場進(jìn)行賦值。

2.2 計算結(jié)果及分析

對主活閥開度1 mm和0.5 mm的流場分別進(jìn)行了計算，獲得速度矢量和壓力分布云圖，見圖2、圖3。

從圖2中看出，開度為0.5 mm時，在閥座截流后速度的尾跡影響區(qū)域短而細(xì)，靠近管壁面的流速不高，而隨著開度增加的過程，閥座截流后速度的尾跡影響區(qū)域變長、變粗，出口管壁面的流速越來越高，在相對較遠(yuǎn)的位置管路上的速度大致均勻。閥座之前的上游進(jìn)口部分流域的速度也是隨著開度的增加而提高。

從圖3中看出，氣體流動到圓錐形狀的管路中靜壓有明顯上升的趨勢，在閥座處壓力梯度急劇增加。在開度為0.5 mm時，閥座上游流動區(qū)域的壓力比較高，隨著開度的增大，閥座上游的壓力逐步變低，而閥座下游流動區(qū)域的壓力升高。

2.3 主活閥受力分析

主活閥在實際工作中受彈簧力、背壓腔氣壓力、活閥閥座一側(cè)氣壓力等作用，電磁閥打開，背壓腔放氣，壓力降低?；铋y開啟的動力來源于活閥兩側(cè)的壓差。在定常的流場計算中可以顯示主活閥在閥座一側(cè)的氣壓力情況。不同開度壓力場在閥座處的局部放大如圖4所示。

主活閥表面壓力可分為表面閥座外側(cè)的環(huán)帶區(qū)域（即不平衡面積區(qū)域）和表面閥座中心區(qū)域。這兩個區(qū)域在開度變化過程中壓力變化規(guī)律不一致。

a）環(huán)帶區(qū)域：隨著主活閥開度的增大，閥座處流量變大，由于閥座是整個流場中的截流位置，整個流場中的流量由閥座處的流量來確定，因此閥座附近上游的流速增加，由于此處總壓不變，導(dǎo)致該處靜壓下降。由圖4可知，在開度增大過程中，主活閥表面的閥座外側(cè)環(huán)帶的壓力降低。

b）中心區(qū)域：由于氣體經(jīng)過閥座截流之后速度提高，在閥座處向心徑向進(jìn)氣，大部分氣流隨著管路流出，小部分氣流在主活閥中心處氣流會合，速度降得很低，在主活閥中心處靜壓升高。從圖4中看出，主閥開度增大的同時，主活閥表面在閥座內(nèi)側(cè)壓力逐漸升高。

因此，隨著開度變大，主活閥表面外側(cè)環(huán)帶壓力降低，而主活閥表面中心區(qū)域壓力升高，主活閥表面受到的壓力隨著開度的增大，將影響主活閥的平衡位置，導(dǎo)致主活閥的顫動。在活閥開度為1 mm以下時，活閥局部流暢比較均勻，并且主活閥前后的壓力場分布更容易實現(xiàn)活閥的動平衡和穩(wěn)定。為了消除主活閥表面壓力對主活閥的影響，可增大環(huán)帶區(qū)域的受力，減小中心區(qū)域的壓力。

3 波紋帶漲圈泄漏量影響分析

對高壓電磁閥建立AMESim[2]模型進(jìn)行波紋帶漲圈的泄漏量對電磁閥性能的影響分析，高壓電磁閥系統(tǒng)AMESim仿真模型如圖5所示。

電磁閥的指揮閥等效流通孔徑為0.98 mm，通過仿真計算發(fā)現(xiàn)當(dāng)漲圈等效孔徑大于0.72 mm后主閥無法打開。鑒于實際漲圈間隙面積無法確定，分別對等效孔徑為0.7 mm、0.6 mm、0.5 mm、0.4 mm、0.3 mm、0.2 mm和0.1 mm間隙面積下電磁閥動態(tài)特性進(jìn)行仿真分析，在指揮閥不斷打開、關(guān)閉過程中，分別對應(yīng)的主活閥時間位移特性曲線如圖6所示。圖6中，橫軸起始時間為指揮開啟時刻，持續(xù)間隔時間2 s。

由圖6可以看出，泄漏間隙的微小差別對主活閥關(guān)閉位移特性影響很大。對于一定的泄漏間隙存在某個壓力區(qū)間，在該壓力區(qū)間外主閥關(guān)閉響應(yīng)時間一般不大于0.4 s，而該區(qū)間內(nèi)關(guān)閉響應(yīng)時間則大大延長，最長的可能超過2.2 s，并且主閥發(fā)生了不同程度的顫振。由于環(huán)形間隙通路的流量受主閥腔和背壓腔的壓力影響較大，該流量又反過來影響背壓腔壓力和主閥開度，這種相互作用加劇了流量的不穩(wěn)定性，主閥打開過程中發(fā)生位移的往復(fù)，在一定壓力區(qū)間發(fā)生顫振現(xiàn)象。

4 性能優(yōu)化及分析驗證

由于波紋帶、漲圈結(jié)構(gòu)的間隙流量受主閥腔和背壓腔壓力影響較大，而且泄漏間隙的微小差別會造成泄漏量的較大變化，流量無法得到穩(wěn)定控制，因此波紋帶、漲圈結(jié)構(gòu)性能不穩(wěn)定，可靠性不高。為此，在結(jié)構(gòu)上采用在主閥體上加工小孔實現(xiàn)向背壓腔的漏氣，并且設(shè)計不同的彈性元件分別實現(xiàn)密封和阻尼，相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)修改所對應(yīng)的電磁閥的分析模型如圖7所示。

從改進(jìn)后的電磁閥系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化分析發(fā)現(xiàn)，背壓腔和主閥腔之間小孔孔徑大于0.72 mm時，會因為漏氣量過大，背壓腔壓降不夠，致使主閥無法打開；考慮到加工和使用可靠性，小孔孔徑為0.6 mm。在沒有阻尼力的情況下，主閥打開和關(guān)閉時主閥的位移的情況如圖8所示。

由圖8可以看到，相對環(huán)形間隙結(jié)構(gòu)，小孔漏氣結(jié)構(gòu)的漏氣量受兩端壓力影響較小，因此主閥的開關(guān)比較穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)位移的往復(fù)。但是由于沒有阻尼力，主閥完全打開后有提前回位的趨勢，因此需要施加合適的阻尼力。根據(jù)計算結(jié)果，當(dāng)阻尼力為6～8 N時，主閥打開后的開度保持較好。

初步確定小孔直徑和阻尼力之后，計算在指揮閥不斷打開關(guān)閉過程中主閥的位移結(jié)果（見圖9）。

由圖9可以看出，主閥各個階段的位移都沒有出現(xiàn)往復(fù)和顫振，打開和關(guān)閉響應(yīng)迅速，動作穩(wěn)定，改進(jìn)理想。改進(jìn)后進(jìn)行試驗驗證，性能優(yōu)化結(jié)果滿足要求。

5 結(jié) 論

通過高壓電磁閥性能優(yōu)化仿真分析，計算出影響高壓電磁閥啟閉的因素是主閥背壓腔流量的控制，通過小孔實現(xiàn)流量量化控制，可有效降低壓力和流量之間的相互作用，而且小孔結(jié)構(gòu)與波紋帶、漲圈結(jié)構(gòu)相比，工藝性能更加可靠，流通面積的一致性更容易實現(xiàn)，可以保證對流量的穩(wěn)定控制，從而避免主閥的顫振現(xiàn)象。

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Simulation Analysis on Dynamic Characteristics of High Pressure Solenoid Valve

Li Wen-bin, Sun Hai-peng, Zhang Zhan-feng, Cheng Bo
(Beijing Institute of Astronautical System Engineering, Beijing, 100076)

Chief disc back capacity’s flow influences the open or close of high pressure solenoid valve. In this paper fluid-structure of solenoid valve was analyzed, and force of chief disc was calculated. Using AMESim to analyze the dynamic characteristics, give advices to control flow of Chief disc back capacity, the effcctiveness has increase.

High pressure solenoid valve; Mass-flux; Dynamic characteristics

V432

A

1004-7182(2017)03-0041-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20170309

2017-01-10；

2017-04-28

李文斌（1971-），男，高級工程師，主要研究方向為結(jié)構(gòu)設(shè)計