直動(dòng)式電磁閥響應(yīng)時(shí)間的參數(shù)影響性研究

冉振華，孫海亮，馬方超，陳二鋒，黃 輝

0 引 言

為實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化發(fā)射，新型運(yùn)載火箭增壓輸送系統(tǒng)中在控制、吹除、隔離、增壓等閥門中均有電磁閥使用。直動(dòng)式電磁閥以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)在貯箱壓力控制方面具有突出優(yōu)勢(shì)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于電磁閥的動(dòng)態(tài)特性已經(jīng)有了較廣泛的研究[1～3]，沈赤兵[4]等建立了電動(dòng)氣閥吸動(dòng)過程的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性的數(shù)值計(jì)算，分析了電動(dòng)氣閥的動(dòng)態(tài)特性。袁洪濱[5]等建立了基于AMESim的直動(dòng)式電磁閥動(dòng)態(tài)仿真模型研究了軟磁材料、勵(lì)磁電壓等參數(shù)對(duì)直動(dòng)式電磁閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響。

本文以運(yùn)載火箭增壓輸送系統(tǒng)中的電磁閥為對(duì)象，基于ANSYS電磁力分析結(jié)果建立了包括電磁力變化、機(jī)械運(yùn)動(dòng)、氣體流動(dòng)等物理過程的較完整的AMESim模型，基于該模型對(duì)入口壓力、初始?xì)庀?、初始彈簧力、閥門通徑和閥后孔板對(duì)閥門性能的影響。

1 電磁閥結(jié)構(gòu)、工作原理及使用工況

1.1 電磁閥結(jié)構(gòu)及工作原理

直動(dòng)式電磁閥結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 直動(dòng)式電磁閥結(jié)構(gòu)原理Fig.1 Schematic Diagram of Direct-acting Solenoid Valve

電磁閥工作原理為：通電后，電磁鐵受激建立磁場(chǎng)，閥芯克服氣體力、彈簧力等與套筒組件吸合，電磁閥入口與出口的通道打開；系統(tǒng)斷電，電磁鐵受激磁場(chǎng)消失，閥芯釋放，在彈簧和氣體壓力作用下回位，電磁閥入口與出口的通道關(guān)閉。

1.2 直動(dòng)式電磁閥試驗(yàn)系統(tǒng)

電磁閥試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。電磁閥入口壓力為20 MPa，電磁閥供電DC27V，通過出口截止閥調(diào)節(jié)閥后節(jié)流元件開度模擬閥后負(fù)載，試驗(yàn)中通過電磁閥電流曲線測(cè)試儀記錄電磁閥響應(yīng)過程電流曲線。

圖2 電磁閥試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 Test System of the Solenoid Valve

2 仿真建模

2.1 閥芯受力分析

電磁閥模型中的閥芯的運(yùn)動(dòng)包括吸合過程和釋放過程。吸合過程中，當(dāng)電磁吸力小于反力，閥芯尚未運(yùn)動(dòng)時(shí)為觸動(dòng)過程；當(dāng)電磁吸力大于反力，閥芯開始運(yùn)動(dòng)時(shí)為運(yùn)動(dòng)過程。類似地，釋放過程也分為觸動(dòng)過程和運(yùn)動(dòng)過程。

閥芯的運(yùn)動(dòng)方程：

式中pF為閥芯所受氣體壓力；eF為電磁力；sF為彈簧力；fF為閥芯和套筒組件之間的摩擦力；m為閥芯質(zhì)量。

電磁力可通過ANSYS Multiphysics對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算[6,7]，將分析結(jié)果導(dǎo)入到AMESim中，可精確獲得閥芯運(yùn)動(dòng)過程中的電磁力，從而獲得電磁鐵閥芯運(yùn)動(dòng)規(guī)律。計(jì)算過程中電磁力通過已有氣隙及電流下的電磁力、磁通量插值計(jì)算，同時(shí)考慮線圈在通斷電時(shí)由于自感電動(dòng)勢(shì)所引起的電磁力響應(yīng)的延遲。其中線圈中電流通過式（2）計(jì)算：

式中 φ為線圈磁通量；I為通過線圈電流；N為線圈匝數(shù)；UΔ為線圈兩端電壓；eddyR為渦電阻；R為線圈電阻。

a）閥門開啟觸動(dòng)過程。

閥門處于閉合狀態(tài)，閥芯受力情況如圖3所示，閥芯在氣體力、彈簧力和接管嘴支持力作用下保持平衡。

式中1NF 為接管嘴支持力。

在電磁閥通電后，電磁鐵電磁力由 0逐漸增大，當(dāng)電磁力剛好與氣體力、彈簧力和摩擦力平衡時(shí)，接管嘴的支持力降為0，閥芯開始向套筒方向移動(dòng)。

圖3 閥門打開時(shí)閥芯受力分析Fig.3 Force Analysis of the Openning Process

b）閥門關(guān)閉觸動(dòng)過程。

閥門處于打開狀態(tài)，閥芯受力情況如圖4所示，閥芯在電磁力、氣體力、彈簧力、摩擦力和套筒支持力作用下保持平衡。

式中 FN2為套筒支持力。

在電磁閥斷電后，電磁鐵電磁力逐漸減小，當(dāng)電磁力、摩擦力剛好與彈簧力和氣體力平衡時(shí)，套筒組件閥芯的支持力降為0，閥芯開始向接管嘴方向移動(dòng)。

圖4 閥門關(guān)閉時(shí)閥芯受力分析Fig.4 Force Analysis of the Closing Process

2.2 直動(dòng)式電磁閥AMESim建模

根據(jù)分析，基于AMESim的直動(dòng)式電磁閥模型示意如圖5所示。

圖5 單機(jī)驗(yàn)收試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽釬ig.5 Simulation Model of the Solenoid Valve

模型元件子模型選擇偏重于實(shí)現(xiàn)氣體流量的精確計(jì)算、動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)精確模擬，主要元件子模型設(shè)置見表1，計(jì)算用參數(shù)值見表2。

表1 主要元件子模型設(shè)置表Tab.1 Main Model Settings

模型中的主要參數(shù)見表2。

表2 計(jì)算用參數(shù)值表Tab.2 Main Parameters

3 仿真結(jié)果

3.1 電磁閥啟、閉性能分析

電磁閥“入口”供氣壓力為20 MPa，電源接通時(shí)，電磁閥線圈電流及閥芯速度變化情況如圖6、圖7所示。閥門打開時(shí)閥芯撞擊套筒組件最大速度為0.79 m/s，關(guān)閉時(shí)閥芯撞擊接管嘴的最大速度為0.61 m/s。

圖6 閥芯運(yùn)動(dòng)過程線圈電流變化情況Fig.6 Current Variation with Time

圖7 閥芯速度變化情況Fig.7 Velocity Variation with Time

電磁鐵通電后，閥芯未開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，電流逐漸增大，電磁力也逐漸增大；當(dāng)電磁力增大至閥芯開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，隨著磁阻變小，線圈電感迅速增大導(dǎo)致感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)增大，線圈電流瞬間減?。划?dāng)閥芯運(yùn)動(dòng)至限位，電磁閥完全打開后，電流不再變化，電流繼續(xù)增大。

信息化教學(xué)是目前各級(jí)各類學(xué)校普遍應(yīng)用的教學(xué)方式，因?yàn)橥ㄟ^信息化的手段可以使師生輕松獲得更多優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，改善教學(xué)方法、提高教學(xué)效率、拓展知識(shí)視野，真正實(shí)現(xiàn)人人處處時(shí)時(shí)皆可學(xué)習(xí)。在信息化教學(xué)中，考試也逐漸從單一的筆試慢慢過渡到筆試+機(jī)試等多樣化的考試方式，通過計(jì)算機(jī)考試、評(píng)閱可以最大限度保證閱卷的公平性，降低誤判、錯(cuò)判的幾率，節(jié)省人力、物力，克服了人為差錯(cuò)的可能性。目前，很多考試、測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)中客觀題均實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)評(píng)閱，但主觀題的自動(dòng)評(píng)閱一直是瓶頸問題，本文重點(diǎn)研究了主觀題自動(dòng)評(píng)閱在信息化教學(xué)中的重要意義及可實(shí)施性。

電磁鐵斷電后，線圈內(nèi)電流迅速減小，當(dāng)電磁力逐漸減小至閥芯開始運(yùn)動(dòng)瞬間，線圈自感電動(dòng)勢(shì)迅速增大阻礙電流減小，產(chǎn)生一個(gè)電流峰值，閥芯停止運(yùn)動(dòng)后由于線圈自感的減小，該電動(dòng)勢(shì)迅速減小。

電磁閥打開關(guān)閉時(shí)，電流曲線的突變點(diǎn)對(duì)應(yīng)于閥芯動(dòng)作過程，試驗(yàn)中可通過測(cè)量電流變化情況來確定電磁閥的響應(yīng)時(shí)間。以此方法判斷閥門打開響應(yīng)時(shí)間為0.011 s，關(guān)閉時(shí)間為0.182 s。

表3給出了產(chǎn)品試驗(yàn)中5件產(chǎn)品打開響應(yīng)時(shí)間為0.008～0.019 s，關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間為 0.154～0.236 s，與本文計(jì)算結(jié)果基本一致。

表3 電磁閥響應(yīng)時(shí)間實(shí)測(cè)值Tab.3 Measured Values of Response Time

3.2 入口壓力對(duì)電磁閥響應(yīng)時(shí)間影響分析

電磁閥入口氣體壓力變化時(shí)，線圈電流隨時(shí)間變化曲線如圖8所示。由圖8可知，隨著入口氣體壓力的增大，閥芯開啟時(shí)所需克服的氣體壓力增大，電磁鐵電流較大時(shí)，才可以克服氣體力和彈簧力使電磁閥打開，電磁閥關(guān)閉時(shí)，氣體力有利于閥門關(guān)閉，所以壓力越高，關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間越小。

圖8 不同入口壓力下線圈電流變化情況Fig.8 Current Variation According to the Inlet Pressure

3.3 初始?xì)庀秾?duì)電磁閥響應(yīng)時(shí)間影響分析

初始?xì)庀恫煌瑫r(shí)，電磁閥線圈電流變化情況如圖9所示。由圖9可知，閥門初始?xì)庀对酱?，通電后初始電磁力越小，增大至打開時(shí)所需電磁力需要較大電流，打開時(shí)間越長(zhǎng)，當(dāng)初始彈簧力不變時(shí)，初始?xì)庀秾?duì)斷電后閥芯所受的不平衡力沒有影響，閥門關(guān)閉時(shí)間基本相同。

圖9 不同初始?xì)庀断戮€圈電流變化情況Fig.9 Current Variation According to the Initial Air Gap

3.4 初始彈簧力對(duì)電磁閥響應(yīng)時(shí)間影響分析

圖10 為初始彈簧力不同時(shí)，線圈電流隨時(shí)間變化情況，彈簧力越大，閥開啟時(shí)所克服的反力越大，電磁閥開啟響應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)；電磁閥關(guān)閉時(shí)，彈簧力使得閥芯快速回位，彈簧力越大，電磁閥關(guān)閉時(shí)間越短。

圖10 不同彈簧安裝力時(shí)線圈電流變化情況Fig.10 Current Variation According to the Initial Spring Force

3.5 閥門通徑對(duì)電磁閥響應(yīng)時(shí)間影響分析

不同電磁閥通徑時(shí)電磁閥打開關(guān)閉時(shí)間如圖11所示。圖12給出了閥芯所受氣體力大小，電磁閥通徑越大，閥門打開前氣體作用面積越大，閥芯所受氣體力越大，閥門打開時(shí)間越長(zhǎng)；閥門打開后，通徑越大則通過閥門的流量越大，使得閥芯所受氣體力越大，閥門關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間越短。

當(dāng)閥門通徑大于閥后孔板通徑后，氣體將在孔板處限流，繼續(xù)增大閥門通徑對(duì)閥門關(guān)閉時(shí)間影響較小。

圖11 不同閥門通徑時(shí)線圈電流變化情況Fig.11 Current Variation According to the Diameter of Valve

圖12 閥門通徑不同時(shí)，閥芯所受氣體力Fig.12 Gas Pressure Variation According to the Diameter of Valve

3.6 閥后孔板對(duì)電磁閥響應(yīng)時(shí)間影響分析

閥后安裝不同孔板時(shí)，線圈電流和電磁閥前后壓差分別如圖13、圖14所示。閥門打開前，閥后孔板不影響閥門前后流場(chǎng)，因此孔板通徑對(duì)閥門打開時(shí)間無影響。閥后安裝孔板小于電磁閥最小通徑時(shí)，閥門打開后氣流在孔板處限流，閥門流量主要受孔板參數(shù)的影響，孔板越小，閥后壓力越高，閥芯所受的氣體力越小，閥門關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)；閥后孔板大于電磁閥最小通徑時(shí)，氣流在閥門處節(jié)流，孔板對(duì)關(guān)閉時(shí)間影響較小。

閥后節(jié)流元件對(duì)電磁閥閥后孔板對(duì)電磁閥響應(yīng)時(shí)間影響較大，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不能僅考慮單機(jī)響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果，尤其當(dāng)閥后元件最小通徑小于電磁閥通徑時(shí)應(yīng)特別注意。

圖13 閥后孔板通徑不同時(shí)線圈電流變化情況Fig.13 Current Variation According to the Diameter of the Orifice after Valve

圖14 閥后孔板通徑不同時(shí)電磁閥前后壓差Fig.14 Differerntial Pressure According to the Diameter of the Orifice after Valve

4 結(jié) 論

本文以運(yùn)載火箭增壓輸送系統(tǒng)中的電磁閥為對(duì)象，利用AMESim建立了仿真模型，基于模型開展了電磁閥響應(yīng)時(shí)間的影響因素分析，得到了以下結(jié)論：

a）電磁鐵通斷電時(shí)，線圈電流隨時(shí)間非線性變化，電流曲線的突變點(diǎn)對(duì)應(yīng)于閥芯開始動(dòng)作時(shí)間，試驗(yàn)中可測(cè)量電流變化情況來確定電磁閥的響應(yīng)時(shí)間；

b）氣源壓力、初始彈簧力越大，閥芯開啟時(shí)所需克服的氣體壓力和彈簧力就越大，開啟響應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間越短；

c）初始?xì)庀对酱?，通電后初始電磁力越小，打開響應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，初始?xì)庀秾?duì)斷電后閥芯所受的不平衡力沒有影響，閥門關(guān)閉時(shí)間基本相同；

d）在本文分析范圍內(nèi)，直動(dòng)式電磁閥通徑越大則閥芯所受氣體力越大，閥門打開時(shí)間越長(zhǎng)，同理，關(guān)閉時(shí)間越短。但當(dāng)閥門通徑大于閥后孔板通徑后，氣體將在孔板處限流，繼續(xù)增大孔板對(duì)閥門關(guān)閉時(shí)間影響較??；

e）閥后孔板對(duì)電磁閥開啟響應(yīng)時(shí)間影響可忽略，閥后安裝孔板小于電磁閥最小通徑時(shí)，氣流在孔板處限流，閥門流量主要受孔板參數(shù)的影響，孔板越小，閥后壓力越高，閥芯所受的氣體力越小，閥門關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)；閥后孔板大于電磁閥最小通徑時(shí)，氣流在閥門處節(jié)流，孔板對(duì)關(guān)閉時(shí)間影響較小；

f）閥后節(jié)流元件對(duì)電磁閥響應(yīng)時(shí)間影響較大，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不能簡(jiǎn)單以單機(jī)響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行考慮，尤其當(dāng)閥后元件最小通徑小于電磁閥通徑時(shí)應(yīng)特別注意。