電磁閥關(guān)閉電流曲線尖峰現(xiàn)象研究

史 剛，高 健，岳 兵，余武江

0 引 言

電磁閥是運載火箭增壓輸送系統(tǒng)的重要元件，主要用于火箭飛行中控制增壓氣體的通斷[1]。某型運載火箭電磁閥在進行關(guān)閉電流曲線測試時，在正常的關(guān)閉曲線反峰前，出現(xiàn)一個短暫的尖峰。本文結(jié)合AMESim和Maxwell仿真分析軟件，對該尖峰現(xiàn)象進行了機理研究，提出結(jié)構(gòu)改進措施，并進行了驗證試驗。試驗結(jié)果表明，機理分析正確，改進效果良好。

1 電磁閥關(guān)閉電流曲線尖峰現(xiàn)象

1.1 電磁閥工作原理

電磁閥工作原理如圖1所示，主要由線圈、套筒、閥體、彈簧、銜鐵、擋鐵組成[2]，其進氣口與高壓氣瓶相連，出氣口與推進劑貯箱相通。電磁閥通電工作時，銜鐵在電磁吸力作用下與擋鐵吸合，閥門開啟，高壓氣瓶的氣體流入貯箱進行增壓；斷電后，銜鐵在彈簧力作用下向下運動回位密封，閥門關(guān)閉[3]。

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圖1 電磁閥工作原理示意Fig.1 Working Principle Diagram of Solenoid Valve

1.2 關(guān)閉電流曲線尖峰現(xiàn)象

在進行電磁閥電流曲線測試時，通常得到的典型關(guān)閉曲線如圖2中的Toff段所示[4]。電磁閥在D點斷電后，電流從穩(wěn)定值逐漸減少，到E點前銜鐵開始動作，但因速度較慢，電流繼續(xù)下降但比指數(shù)曲線平緩，越過E點后，銜鐵速度繼續(xù)增大，切割磁感線產(chǎn)生反向電動勢，使電流不降反升，形成F點的正常關(guān)閉反峰。之后銜鐵回位落座，電流繼續(xù)呈指數(shù)規(guī)律下降[5]。

圖2 典型關(guān)閉電流特性曲線Fig.2 Typical Closing Current Curve

某型運載火箭電磁閥實際測試時，電磁閥通電打開時入口壓力為1.8 MPa，出口壓力為0.4 MPa（電磁閥開啟過程中可認為上下游壓力值不變）。斷電后，得到的電流曲線如圖3所示。從圖3中可以看到，與通常的典型關(guān)閉電流曲線相比，在正常的關(guān)閉反峰之前，多了一個短暫的尖峰。出現(xiàn)在第2.2 s，峰值約0.25 A，持續(xù)時間較短，約4 ms。

圖3 關(guān)閉電流曲線尖峰現(xiàn)象特性曲線Fig.3 Sharp Peek Phenomenon of Closing Current Curve

2 機理分析

2.1 不通氣關(guān)閉曲線復測

為分析現(xiàn)象產(chǎn)生的機理，在電磁閥上下游均不通氣的工況下進行關(guān)閉曲線復測，結(jié)果表明不通氣時無此尖峰現(xiàn)象，這說明尖峰現(xiàn)象與通氣狀態(tài)有關(guān)，即與氣體壓力的作用有關(guān)。

2.2 銜鐵受力分析

以銜鐵為研究對象，分析其受力情況，如圖4所示。在銜鐵吸合狀態(tài)下，所受向下的力有背壓腔氣壓作用力F背、彈簧力F彈、擋鐵的支持力F支和閥口腔與出口腔壓差作用力F’，向上的力有電磁吸力F吸[6]，不考慮重力影響其力平衡關(guān)系為

圖4 吸合狀態(tài)下銜鐵受力情況示意Fig.4 Force Condition of Armature Being Pulled

當電磁閥上下游無氣體時，F(xiàn)背=F’=0。通電吸合時，F(xiàn)吸=208 N，F(xiàn)彈= 10 N，則可得F支=198 N；斷電后，F(xiàn)彈不變，而F吸逐漸下降，相應(yīng)的F支也逐漸下降，但銜鐵還處于吸合位置。當電流下降到圖 3所示的第 1個尖峰點（第2.2 s）時，根據(jù)電流值計算得此時F吸=62.5 N，仍然遠遠大于F彈，所以銜鐵此時不應(yīng)發(fā)生運動。直到第2.28 s時，F(xiàn)吸下降至9.4 N，此時銜鐵已經(jīng)在彈簧力的作用下開始運動，切割磁感線產(chǎn)生正常關(guān)閉反峰。而當電磁閥上下游有氣體時，F(xiàn)背和F′均不再為0，就會影響銜鐵的受力和運動。

2.3 背壓腔憋壓模式分析

電磁閥通電開啟前，背壓腔和閥口腔壓力與上游氣瓶壓力一致，均為1.8 MPa。出口壓力與下游壓力一致，為0.4 MPa。電磁閥通電開啟時，銜鐵快速向上運動并與擋鐵吸合。若此時銜鐵和擋鐵的接觸面表面質(zhì)量較好，形成密封環(huán)帶，那么背壓腔氣體將被密封于背壓腔內(nèi)，形成憋壓，如圖5所示。

圖5 背壓腔憋壓示意Fig.5 Diagram of Pressure Suppression

由圖5可知，電磁閥斷電時，銜鐵會額外受到F背的作用。當電流下降到第2.2 s時，F(xiàn)吸雖然仍遠遠大于F彈與 F′的合力，但由于背壓腔憋住了高壓，使得 F吸小于F彈，F(xiàn)′和F背三者的合力，銜鐵提前發(fā)生了向下運動，并切割磁感線產(chǎn)生電流尖峰。當銜鐵向下運動后，銜鐵和擋鐵脫離接觸，背壓腔的氣體迅速流出到閥口腔中，兩個腔的壓力恢復平衡，向下的力F背大幅減小或消失，所以此時銜鐵又被迅速吸回，尖峰消失，電流曲線恢復原來的下降趨勢。

若銜鐵和擋鐵的接觸面表面質(zhì)量較差，在電磁閥持續(xù)通電開啟過程中，背壓腔的高壓氣體會從接觸面的微小氣流通道中排出，迅速達到平衡，此時也就沒有了向下的F背的作用，無法使得斷電后銜鐵提前運動。

綜上所述，此種模式下，第2.2 s時的電流曲線尖峰是由于銜鐵發(fā)生了向下運動切割磁感線產(chǎn)生，而銜鐵向下運動是因為受到了背壓腔憋壓額外產(chǎn)生的向下的 F背的作用。為驗證此種模式是否成立，分別使用AMESim和Maxwell進行了仿真分析。

2.4 AMESim仿真分析

使用AMsim進行背壓腔憋壓仿真分析，通過提取銜鐵的位移，計算銜鐵與套筒間隙的流道面積，等效為可變截面積的孔板[7]。設(shè)置電磁閥入口壓力為1.8 MPa，出口壓力為0.4 MPa。計算得到的背壓腔和閥口腔壓力曲線如圖6所示。由圖6可知，壓力穩(wěn)定段背壓腔壓力為1.84 MPa，閥口腔壓力為0.49 MPa。計算結(jié)果說明，背壓腔確實發(fā)生了憋壓現(xiàn)象。

圖6 背壓腔、閥口腔壓力對比特性曲線Fig.6 Pressure Contrast Curve

2.5 Maxwell仿真分析

采用Maxwell的瞬態(tài)磁場仿真模塊對電磁閥響應(yīng)時間進行仿真計算。Maxwell軟件提供自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)，可以對曲率大、間隙小的區(qū)域進行完善。網(wǎng)格在自適應(yīng)剖分過程中，自動確定模型中網(wǎng)格需要加密的區(qū)域，并對其加密剖分，提高了計算的準確度。圖7為電磁閥的磁路軸對稱半剖面模型和網(wǎng)格自適應(yīng)剖分圖。

圖7 Maxwell軸對稱仿真模型和網(wǎng)格自適應(yīng)剖分示意Fig.7 Simulation Model by Maxwell

設(shè)置材料的電磁特性，輸入擋鐵和銜鐵所用軟磁材料的B-H曲線，對線圈加載100 ms開/150 ms關(guān)的27 V脈沖電壓，設(shè)置勵磁線圈的匝數(shù)為1600 匝、阻值為25 ?。同時設(shè)置力學條件，輸入彈簧初始負載力為10 N，設(shè)置銜鐵黏性系數(shù)為10 N?m?s，銜鐵質(zhì)量為0.05 kg。求解時間步長選擇固定步長設(shè)置，步長為1×10-3s，時間歷程為250 ms，非線性殘差為0.000 1。由此開展電磁閥瞬態(tài)仿真計算[8]。

考慮憋壓的影響，根據(jù)AMESim背壓腔和閥口腔憋壓仿真結(jié)果，憋壓會使銜鐵在吸合后增加一定的關(guān)閉力，為在仿真計算中引入該力，在Maxwell運動設(shè)置中利用系統(tǒng)自帶的“pwl（y，x）”函數(shù)，將氣壓力和彈簧力的合力隨位移的變化關(guān)系作為銜鐵的受力輸入到仿真模型中，仿真得到的電流曲線如圖8所示。

圖8 Maxwell仿真電流曲線（憋壓狀態(tài)）Fig.8 Current Curve by Maxwell(Pressure Suppressed)

由圖8可知，在第140 ms左右出現(xiàn)了與實測曲線類似的尖峰。峰值約0.2 A，持續(xù)時間約5 ms。此尖峰消失后，電流繼續(xù)按原有趨勢下降。

銜鐵的運動曲線如圖9所示。從圖9中可知，當銜鐵受到的電磁吸力F吸小于F彈，F(xiàn)′和F背三者之和時，銜鐵開始向下運動，此時背壓腔的氣體迅速流出到閥口腔中，背壓腔壓力迅速下降或消失，同時F背迅速下降或消失，所以銜鐵又被迅速吸回。直到F吸繼續(xù)下降至一定值，銜鐵正常關(guān)閉回位。

圖9 Maxwell仿真銜鐵位移曲線（憋壓狀態(tài)）Fig.9 Armature Displacement Curve by Maxwell(Pressure Suppressed)

2.6 小 結(jié)

根據(jù)上述分析，電磁閥關(guān)閉電流曲線尖峰現(xiàn)象可定位于銜鐵和擋鐵吸合后，接觸面形成密封效果，導致背壓腔憋壓，給銜鐵提供了一個額外向下的力，使得電流下降到一定值時銜鐵即開始向下運動，產(chǎn)生第1個電流尖峰；銜鐵運動的同時，背壓腔氣體迅速流出，氣壓力消失，銜鐵又被吸回，電流按原有趨勢繼續(xù)下降，形成第2個正常的反峰。

3 現(xiàn)象復現(xiàn)試驗

為進一步驗證機理分析，進行了復現(xiàn)試驗。選取一件電磁閥產(chǎn)品，該產(chǎn)品在不通氣和通氣測試時均未出現(xiàn)第1個尖峰。由于銜鐵和擋鐵均為金屬，密封效應(yīng)不易復現(xiàn)，人為在銜鐵的頂端涂抹適量的7804密封脂，以提升密封效果。對此產(chǎn)品再次進行通氣時的關(guān)閉曲線測試，得到的電流曲線中尖峰現(xiàn)象復現(xiàn)，說明對此現(xiàn)象的機理分析定位準確。

4 結(jié)構(gòu)改進及驗證

根據(jù)機理分析，尖峰現(xiàn)象的主要原因是背壓腔的憋壓，造成背壓腔和閥口腔產(chǎn)生壓差。該現(xiàn)象不影響電磁閥的正常關(guān)閉，但會增加一次銜鐵的微動作。為消除此尖峰現(xiàn)象，對銜鐵進行結(jié)構(gòu)改進。在側(cè)面打4個通氣孔，可以有效連通背壓腔和閥口腔，如圖10所示。

圖10 銜鐵增加通氣孔Fig.10 Armature Adding Vent

增加通氣孔后，在銜鐵吸合狀態(tài)下，背壓腔和閥口腔壓力一致，消除了憋壓的影響，不會出現(xiàn)第 1個尖峰。經(jīng)過仿真和試驗驗證，表明改進后第1個尖峰已消除，說明增加通氣孔的措施合理有效。

5 結(jié) 論

通過本文的研究，可得出以下結(jié)論：

a）電磁閥關(guān)閉電流曲線尖峰產(chǎn)生的原因是銜鐵與擋鐵接觸產(chǎn)生密封效應(yīng)，造成背壓腔憋壓，電磁吸力還未下降到小于彈簧力和閥口腔與出口腔壓差力的合力時，銜鐵即開始向下運動，產(chǎn)生第1個電流尖峰；

b）尖峰現(xiàn)象只有電磁閥在通氣狀態(tài)下測試時才有可能產(chǎn)生，該現(xiàn)象不影響電磁閥的正常關(guān)閉動作；

c）通過在銜鐵上增加通氣孔，可消除此尖峰現(xiàn)象。