基于多場(chǎng)耦合的先導(dǎo)式電磁開關(guān)閥特性研究

方繼根， 王西峰， 楊 帥2， 田 月2， 吳進(jìn)軍， 高 祥3， 呂 晉

(1. 機(jī)械科學(xué)研究總院中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心， 北京 100044；2. 燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 河北秦皇島 066004； 3. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院， 北京 100083)

引言

先導(dǎo)式電磁開關(guān)閥是高速開關(guān)閥的一種，具有體積小、響應(yīng)快、可靠性高等特點(diǎn)[1]，廣泛應(yīng)用于電液控制系統(tǒng)中，由于其具有先導(dǎo)機(jī)構(gòu)，通流流量大于常規(guī)高速開關(guān)閥， 在汽車ESC系統(tǒng)的液壓控制單元中， 常作為吸入閥使用[2]。為提高ESC液壓系統(tǒng)的控制精度，需要對(duì)先導(dǎo)式電磁開關(guān)閥的相關(guān)特性進(jìn)行深入研究。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)電磁閥特性進(jìn)行了大量研究,包括閥體結(jié)構(gòu)創(chuàng)新[3]、控制策略優(yōu)化[4]、流量估算[5]以及閥的動(dòng)態(tài)特性分析[6-7]等。先導(dǎo)式電磁開關(guān)閥是一個(gè)復(fù)雜的多物理耦合系統(tǒng)，涉及動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)、電磁學(xué)等學(xué)科。但在研究中，大都只考慮機(jī)械場(chǎng)、電磁場(chǎng)的聯(lián)合作用效果[8-13]，而忽略了熱力場(chǎng)對(duì)閥動(dòng)態(tài)特性的影響，由于電磁線圈通電后溫度變化會(huì)導(dǎo)致電阻變大，進(jìn)而導(dǎo)致磁場(chǎng)強(qiáng)度變化，并最終影響閥的控制精度。

本研究采用多場(chǎng)耦合的分析方式，依次建立先導(dǎo)式電磁閥的機(jī)械子模型、電磁場(chǎng)模型、熱力場(chǎng)模型和液動(dòng)力模型，通過各子模型間的公共參數(shù)進(jìn)行耦合，得到多場(chǎng)耦合的先導(dǎo)式電磁開關(guān)閥數(shù)學(xué)模型，以提升閥的控制精度。

1 先導(dǎo)式電磁開關(guān)閥結(jié)構(gòu)及工作原理

先導(dǎo)式電磁開關(guān)閥的結(jié)構(gòu)如圖1所示。該閥由動(dòng)鐵、定鐵、鋼球、歸位彈簧1、歸位彈簧2、閥體、大閥座、小閥座等組成。先導(dǎo)式電磁開關(guān)閥為常閉閥，線圈通電產(chǎn)生磁場(chǎng)，動(dòng)鐵與定鐵吸合，從而改變電磁閥的開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)進(jìn)油口無背壓時(shí)，線圈通電產(chǎn)生的電磁力使動(dòng)鐵、鋼球、歸位彈簧2、小閥座和小閥座外殼整體向上移動(dòng)，大閥座閥口打開；當(dāng)進(jìn)油口有背壓，并超過一定值時(shí)，線圈產(chǎn)生的電磁力無法直接打開大閥座的閥口，而是通過先打開小閥座的閥口，使進(jìn)出口壓差減小后，再打開大閥座的閥口使油液通過。先導(dǎo)機(jī)構(gòu)的作用是保證閥在有無背壓時(shí)均能夠正常開啟。

圖1 先導(dǎo)式電磁開關(guān)閥結(jié)構(gòu)圖

2 多場(chǎng)耦合模型建立

2.1 機(jī)械模型

在該先導(dǎo)式電磁開關(guān)閥中，動(dòng)鐵與鋼球共同組成閥芯結(jié)構(gòu)，對(duì)閥芯進(jìn)行受力分析，如圖2所示，根據(jù)牛頓第二定律得到：

(1)

Fs=K(x+G0)

(2)

(3)

Ff=k·mg

(4)

(5)

式中，m為動(dòng)鐵和閥芯總質(zhì)量；v為閥芯運(yùn)動(dòng)速度；t為閥芯的運(yùn)動(dòng)時(shí)間；FM為電磁力；Fst為油液作用合力；Fs為彈簧力；Fv為阻尼力；Ff為摩擦力；K為彈簧剛度；x為閥芯位移；G0為彈簧預(yù)壓縮量；c為流體阻尼系數(shù)；k為摩擦系數(shù)；g為重力加速度。

圖2 閥芯受力分析圖

2.2 電磁場(chǎng)模型

先導(dǎo)式電磁開關(guān)閥的電磁場(chǎng)可以分解為電場(chǎng)和磁場(chǎng)。在電路回路里，線圈中電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)在氣隙之間發(fā)生磁壓降，磁壓降在兩個(gè)軟磁鐵的氣隙之間產(chǎn)生互相吸引的作用力，即電磁力。

根據(jù)麥克斯韋電磁力公式，電磁力FM為：

(6)

式中，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；Ae為主氣隙截面積；μ0為空氣磁導(dǎo)率；φδ為氣隙磁通量；L為線圈電感；i為通過線圈的電流；N為電磁線圈匝數(shù)。

從式(6)中可以看出，電磁力主要受線圈匝數(shù)、氣隙、電流以及一些結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響。對(duì)于確定的先導(dǎo)式電磁開關(guān)閥，電磁力大小主要與閥芯位移和電流有關(guān)。

從電場(chǎng)的角度分析，電磁線圈可以簡(jiǎn)化為一個(gè)電阻R和一個(gè)電感L?；诨鶢柣舴螂妷憾?，得到電場(chǎng)模型為:

(7)

式中,U為線圈供電電壓；R為線圈電阻；ψ為磁鏈。

對(duì)于磁場(chǎng)，分析方法與電場(chǎng)的分析方法類似，將磁場(chǎng)等效為磁回路，磁回路如圖3所示，表1為電場(chǎng)和磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖3 磁路

電場(chǎng)(參數(shù))磁場(chǎng)(參數(shù))電流磁流載流導(dǎo)體磁流管電阻磁阻電勢(shì)磁勢(shì)電壓降磁壓降

由基爾霍夫的磁路第二定律得:

Ni=φδRT=φδ(RM+Rδ1+Rδ2)

(8)

式中,RT為磁路總磁阻；RM為磁路中軟磁鐵磁阻；Rδ1為主氣隙磁阻；Rδ2為次氣隙磁阻。

由于主氣隙和次氣隙的間隙非常小，在分析時(shí)，可以忽略因氣隙導(dǎo)致的磁漏通，進(jìn)而將通過氣隙的磁通量近似等于總磁通量，即φδ=φ。式(8)中的磁阻分別為：

RM=HMlM

(9)

式中，HM為軟磁鐵磁場(chǎng)強(qiáng)度；lM為磁路中軟磁鐵長(zhǎng)度；δ0為最大主氣隙；S為線圈橫截面積；r7，r8為次氣隙兩同心圓的半徑；ln為磁路中次氣隙長(zhǎng)度。

(10)

式中，φ為總磁通量；μr為軟磁鐵的相對(duì)磁導(dǎo)率；μM為軟磁鐵的絕對(duì)磁導(dǎo)率。

將式(7)帶入式(10)得到線圈電感與閥芯位移和電流的關(guān)系式為：

(11)

同時(shí)得：

(12)

2.3 熱力場(chǎng)模型

由于線圈溫度變化對(duì)電阻和磁場(chǎng)強(qiáng)度均有影響，且兩個(gè)因素是耦合的，通過建立閥的熱力場(chǎng)模型，得到線圈工作時(shí)溫度和電阻變化情況。

對(duì)于三維模型中的瞬態(tài)溫度場(chǎng)T(x,y,z,t)滿足微分方程：

(13)

式中，ρ為材料的密度；c為材料的比熱容；λx，λy，λz為材料沿3個(gè)方向的熱傳導(dǎo)系數(shù)；qV為單位時(shí)間內(nèi)單位體積所發(fā)出的熱流量。

在求解上述微分方程的過程中，為了滿足單值條件的要求，需要給定初始條件和邊界條件，初始條件是環(huán)境溫度即：

T(x,y,z,t)=T0(x,y,z,t)

(14)

溫度場(chǎng)需要滿足的邊界條件包括：

1) 第一類邊界條件

已知壁面溫度T0，得到：

TΓ=T0

(15)

式中，TΓ為邊界溫度。

2) 第二類邊界條件

已知穿過線圈邊界的熱流密度q，得到：

(16)

式中，nx，ny，nz為邊界上外法線的方向余弦。

3) 第三類邊界條件

已知線圈邊界面的空氣溫度即壁面溫度T0和邊界面與空氣之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h，得到：

電磁閥模型中熱源主要有兩種，一是電流流過導(dǎo)電體產(chǎn)生的焦耳熱量，簡(jiǎn)稱為銅損；二是由于電流變化導(dǎo)致磁場(chǎng)的變化，變化的磁場(chǎng)在鐵磁體中產(chǎn)生渦流和磁滯損耗現(xiàn)象，進(jìn)而生成熱，簡(jiǎn)稱為鐵損。

1) 生熱模型

銅損PR：

PR=i2R

(18)

鐵損Pe：

(19)

式中，Je為渦流密度；σ為電導(dǎo)率。

線圈電阻隨溫度變化而變化，電阻與溫度關(guān)系式：

(20)

式中，R0為線圈常溫下的電阻值；αw為電阻溫度系數(shù)。

根據(jù)麥克斯韋方程得到獨(dú)立電、磁場(chǎng)方程如下：

(21)

(22)

2) 散熱模型

線圈散熱主要有熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射三種形式。

熱傳導(dǎo)：

qhc=-λgradT

(23)

式中，qhc為熱流密度；λ為導(dǎo)熱率；T為物體溫度。

熱對(duì)流：

qtc=α(T-T0)

(24)

式中，qtc為熱對(duì)流熱通量；α為傳熱系數(shù)；T為發(fā)熱體表面溫度；T0為流體介質(zhì)溫度。

熱輻射：

(25)

式中，qtr為熱輻射熱通量；σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)；εf為黑體系數(shù)；T為受輻射體的表面溫度；T1為發(fā)熱表面溫度。

電磁線圈的熱傳導(dǎo)問題，可以看作是圓筒壁的熱傳導(dǎo)問題，圓筒壁的熱傳導(dǎo)與平面壁熱傳導(dǎo)的區(qū)別在于其內(nèi)外表面的面積不一樣，熱流穿過圓筒壁的傳熱面積隨圓筒半徑的變化而變化，單層圓筒壁的傳熱模型如圖4所示。

圖4 單層圓筒壁的傳熱模型

分析單層圓筒壁時(shí)，假設(shè)圓筒某傳熱層的內(nèi)半徑為r1，外半徑為r2，長(zhǎng)度為l，在半徑為r處取一個(gè)微分厚度dr，其傳熱面積為2πrl。根據(jù)傅里葉定律，通過該微分厚度dr的導(dǎo)熱速率為：

(26)

整理得：

(27)

線圈是由線圈外殼、銅線繞組和尼龍支架組成的多層壁的散熱結(jié)構(gòu)，多層壁的散熱結(jié)構(gòu)如圖5所示，各層的熱傳導(dǎo)效率可以表達(dá)為：

(28)

式中，Q2為熱量從線圈中心向線圈與尼龍骨架結(jié)合面?zhèn)鬟f的速率；Q3為熱量從線圈中心向線圈與線圈外殼結(jié)合面?zhèn)鬟f的速率；Q34為熱量從線圈與線圈外殼結(jié)合面向外殼外表面?zhèn)鬟f的速率；Q21為熱量從線圈與尼龍骨架結(jié)合面向骨架內(nèi)側(cè)傳遞的速率；T1，T2，T，T3，T4為尼龍骨架內(nèi)表面、骨架與線圈結(jié)合面、線圈中心、線圈與外殼結(jié)合面、外殼表面處溫度；r1，r2，r，r3，r4為尼龍骨架內(nèi)側(cè)、尼龍骨架外側(cè)、線圈中心、外殼內(nèi)側(cè)、外殼外側(cè)離中心線的距離。

圖5 多層壁的散熱結(jié)構(gòu)

對(duì)于電磁線圈外表面，溫度范圍為常溫到300 ℃之間，在這個(gè)溫度范圍內(nèi)，熱對(duì)流和熱輻射具有同等的數(shù)量級(jí)，需要同時(shí)予以考慮。由于熱輻射散熱是一個(gè)高階非線性問題，求解難度大，這里將熱輻射散熱等效為熱對(duì)流換熱，二者關(guān)系用β表示：

(29)

線圈外殼的散熱模型可以表達(dá)為：

Q10=2πr1l(1+β)α(T1-T0)

Q40=2πr4l(1+β)α(T4-T0)

(30)

式中，Q10為熱量從尼龍骨架表面輻射和傳遞的速率；Q40為熱量從線圈外殼表面輻射和傳遞的速率。

據(jù)傅里葉定律，電磁線圈的熱量傳遞動(dòng)態(tài)過程，可以用以下積分式來表達(dá):

(31)

式中，m1，m2，m3為線圈、尼龍骨架和線圈殼的質(zhì)量；c1，c2，c3為線圈、尼龍骨架和線圈殼的比熱容。

將方程組轉(zhuǎn)換為微分形式：

(32)

初始值為：

T(0)=T1(0)=T2(0)=T3(0)

=T4(0)=T0=20 ℃

(33)

上式方程組通過建立Simulink模型求解，得到線圈溫度隨時(shí)間的變化曲線，熱交換模型如圖6所示。

圖6 熱交換模型

2.4 液動(dòng)力模型

作用在閥芯上的油液作用合力Fst(可看作廣義液動(dòng)力)包括液動(dòng)力和液壓力。

Fst=Ffl-Fp

(34)

式中，F(xiàn)fl為閥芯液動(dòng)力；Fp為液壓力。

先導(dǎo)閥閥芯的液動(dòng)力可以通過對(duì)閥口液流的控制體積分析求得，圖7為閥口位置的徑向截面圖。

圖7 閥口控制體積截面

根據(jù)控制體積的動(dòng)量守恒方程可以得到：

(35)

按照?qǐng)D7中的參數(shù)計(jì)算，閥芯受到的液動(dòng)力的表達(dá)式為：

Ffl=ρQv1-ρQvjcosα+p2A2+cpjAwsinα-

cpjAjcosα

(36)

式中，ρ為油液密度；Q為通過閥口流量；α為小閥座的半錐角；Aw為小閥座壁面積；v1，vj為閥腔進(jìn)油口、過流節(jié)口流速；p2，pj為節(jié)流出口、過流節(jié)口壓力；A2，Aj為節(jié)流出口、過流節(jié)口面積；c是為了修正使用平均的過流節(jié)口壓力pj造成的誤差添加的修正系數(shù)。閥口流量Q可以使用小孔節(jié)流方程計(jì)算：

(37)

式中,p1為閥腔進(jìn)油口壓力；Cd為流量系數(shù)。

在兩節(jié)流處建立伯努利方程：

(38)

式中，v2為小閥座節(jié)流出口流速；ξ1，ξ2分別為兩個(gè)節(jié)流處能量耗散系數(shù)。

根據(jù)流量連續(xù)性方程：

Q=A1v1=Ajvj=A2v2=A0v0

(39)

式中，A1，A0為閥腔進(jìn)油口、小閥座出口面積；v0為小閥座出口流速。

將式(38)和(39)帶入式(37)整理得到：

(40)

式中， Δp為閥口兩端壓差。

(41)

式中，df為閥芯入口節(jié)流孔平均直徑；R為閥芯球頭半徑。

(42)

式中，d2為小閥座節(jié)流出口直徑；l為Aw在小閥座倒角面上的長(zhǎng)度。

(43)

ρQv2cosα=2CdAjΔpcosα

(44)

將式(40)～式(44)代入式(36)，得到液動(dòng)力的表達(dá)式為：

(45)

式中，Ad12為閥座錐角面在水平方向的投影面積。

閥芯受到的液壓力：

Fp=(p1-pj)A3

(46)

式中，A3為閥座錐角大端面面積。

將式(45)、式(46)帶入式(34)得到油液作用合力：

(47)

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)搭建

1) 電磁力測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)

電磁測(cè)量設(shè)備如圖8、圖9所示，主要包括激光位移傳感器、電磁線圈和開關(guān)閥的工裝、測(cè)量頭、拉壓力傳感器和氣隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。測(cè)量頭穿過開關(guān)閥的閥口與動(dòng)鐵螺紋連接，動(dòng)鐵與定鐵之間的電磁力可以通過測(cè)量頭傳遞給力傳感器，通過氣隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，可以測(cè)試不同氣隙下的電磁力大小，激光位移傳感器可以驗(yàn)證動(dòng)鐵的位移大小，熱電偶可以測(cè)量線圈的內(nèi)部溫度，由于體積小，圖中未標(biāo)識(shí)。在試驗(yàn)過程中，通過LabVIEW數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄動(dòng)鐵位移、氣隙大小、線圈溫度及電磁力的大小。

圖8 電磁力測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)截面圖

圖9 電磁力測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)

圖10 試驗(yàn)臺(tái)液壓原理圖

2) 流量壓力測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)

試驗(yàn)臺(tái)液壓原理和實(shí)物如圖10、圖11所示，ESC柱塞泵為系統(tǒng)提供壓力油液，由直動(dòng)式溢流閥調(diào)節(jié)柱塞泵出口的最大壓力。由于ESC柱塞泵的最高供油壓力為15 MPa，而溢流閥可靠、穩(wěn)定的調(diào)壓范圍約為0.5～8 MPa，因此試驗(yàn)過程中先導(dǎo)閥的被壓選取1～8 MPa，間隔為1 MPa。兩個(gè)壓力傳感器分別采集開關(guān)閥進(jìn)出口的壓力，脈沖流量計(jì)采集通過開關(guān)閥的流量。

圖11 流量壓力測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖

圖12 電磁力-氣隙關(guān)系曲線

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

相同電壓激勵(lì)下，測(cè)試電磁力隨氣隙變化曲線，如圖12所示，電磁力的仿真值與測(cè)試值在試驗(yàn)的前一階段重合，在調(diào)整氣隙的過程中，電磁力的仿真值與試驗(yàn)值出現(xiàn)了一定的偏差，具體原因?qū)⒃诤竺鎯?nèi)容中說明。在相同氣隙條件下，分別為0.1 mm和0.3 mm時(shí)，測(cè)試電磁力隨電流變化曲線，如圖13所示，電磁力隨電流變化近似成線性關(guān)系，試驗(yàn)值與仿真值比較接近，呈現(xiàn)出較好的一致性，說明所建立數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性。

圖13 電磁力-電流關(guān)系曲線

氣隙和電壓都不變時(shí)，測(cè)試電磁力隨時(shí)間變化關(guān)系，如圖14所示。電磁力隨著通電時(shí)間的增大而逐漸減小，從0～150 s，電磁力快速下降，150～200 s下降速度減緩，200 s之后電磁力逐漸穩(wěn)定。

圖14 電磁力-時(shí)間關(guān)系曲線

由以上三組數(shù)據(jù)可以看出，在氣隙和電壓?jiǎn)巫兞織l件下，電磁力都會(huì)隨著試驗(yàn)時(shí)間推移而減小，可以推測(cè)電磁力受到電壓和氣隙之外因素的影響。在試驗(yàn)過程中，我們發(fā)現(xiàn)線圈的溫度變化較大。研究線圈的溫度特性，在不同電壓下，線圈溫度隨通電時(shí)間變化曲線如圖15所示。

在通電前150 s，溫度快速上升，150～200 s變化緩慢，200 s之后達(dá)到熱平衡，溫度穩(wěn)定。由金屬導(dǎo)線的性質(zhì)，導(dǎo)線的溫度升高會(huì)導(dǎo)致電阻的增大，測(cè)試通過線圈中的電流隨通電時(shí)間的變化如圖16所示。線圈電流在通電前150 s變化較快，150～200 s變化緩慢，200 s之后基本穩(wěn)定。由以上數(shù)據(jù)對(duì)比可知，電磁力的變化特性與電流的變化特性基本相似，也就驗(yàn)證了電磁力受溫度的影響，是由溫度導(dǎo)致線圈電阻變化引起的，與理論計(jì)算結(jié)果相符。

圖15 溫度-時(shí)間關(guān)系曲線

圖16 電流-時(shí)間關(guān)系曲線

響應(yīng)速度是高速開關(guān)閥的主要性能參數(shù)之一，需要其對(duì)影響因素驗(yàn)證分析。測(cè)試開關(guān)閥電流、壓力和流量特性曲線，如圖17所示。電流增加到一定值時(shí)，吸入閥打開，壓差減小，脈沖流量計(jì)的脈沖數(shù)增加，電流、壓差和流量基本同步。在一定測(cè)試時(shí)間內(nèi)，線圈電流有所下降，與前面分析結(jié)果一致。

圖17 1 MPa時(shí)壓力、流量特性曲線

由圖18可以看出電流在上升過程中出現(xiàn)了兩個(gè)拐點(diǎn)B和C，電磁線圈通電，電流逐漸上升(A～B點(diǎn))，并產(chǎn)生電磁場(chǎng)，磁場(chǎng)強(qiáng)度逐漸增大，產(chǎn)生的電磁力逐漸增大，當(dāng)電磁力足以克服彈簧力、液動(dòng)力、摩擦力和阻尼力之和時(shí)，動(dòng)鐵開始運(yùn)動(dòng)，由電磁感應(yīng)原理，動(dòng)鐵運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)(B～C點(diǎn))，進(jìn)而產(chǎn)生反向電流，阻止電流的繼續(xù)上升，也就出現(xiàn)局部電流下降的現(xiàn)象；動(dòng)鐵運(yùn)動(dòng)到終點(diǎn)時(shí)，也就是閥芯開啟后，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)消失，電流繼續(xù)上升至最大值。A～E點(diǎn)橫坐標(biāo)分別為線圈通電時(shí)刻、動(dòng)鐵運(yùn)動(dòng)開始時(shí)刻、動(dòng)鐵運(yùn)動(dòng)結(jié)束時(shí)刻、壓差開始下降時(shí)刻和壓力差穩(wěn)定時(shí)刻。那么可以定義A點(diǎn)和B點(diǎn)之間的時(shí)間差為電流響應(yīng)時(shí)間，即2.6 ms；B點(diǎn)和C點(diǎn)之間的時(shí)間差為動(dòng)鐵運(yùn)動(dòng)時(shí)間，即0.8 ms；A點(diǎn)和C點(diǎn)之間的時(shí)間差為閥的響應(yīng)時(shí)間，即3.4 ms；D點(diǎn)和E點(diǎn)之間的時(shí)間差為閥的壓力響應(yīng)時(shí)間，即3.2 ms。動(dòng)鐵運(yùn)動(dòng)時(shí)刻與壓差下降時(shí)刻基本一致，與實(shí)際工況相符，即閥芯運(yùn)動(dòng)時(shí)壓力開始下降，壓力響應(yīng)延遲時(shí)間與電流響應(yīng)時(shí)間相等。

圖18 1 MPa時(shí)壓力、電流響應(yīng)曲線

壓差為4 MPa時(shí)，先導(dǎo)閥體現(xiàn)了明顯的先導(dǎo)特性，由圖19可以看出先導(dǎo)閥開啟流量響應(yīng)時(shí)間為11.1 ms，通過先導(dǎo)閥的流量為1.8703 L/min，主閥開啟后的流量為3.1124 L/min，主閥開啟后的流量明顯增大，但增大的比例并不是主閥閥口截面積與先導(dǎo)閥閥口截面積的比值，這是由于主閥開啟后，閥口增大，閥口節(jié)流效應(yīng)大大減小，壓差大大降低，與理論計(jì)算結(jié)果相符。

由圖20所示，電流響應(yīng)時(shí)間隨壓差增大不斷增加，壓力響應(yīng)時(shí)間隨著壓差的增大不斷減小，壓差越大，壓力響應(yīng)越快；隨著壓差的增大，壓力的延遲時(shí)間增大，這是由于作用在閥芯上的電磁力相等的條件下，壓差越大液動(dòng)力越大，閥芯受合力越小，加速度越小，運(yùn)動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)。壓力響應(yīng)時(shí)間與延遲時(shí)間的和基本不隨壓差變化。

圖19 4 MPa時(shí)脈沖流量特性曲線

圖20 壓差-電流、壓力響應(yīng)曲線

4 結(jié)論

通過對(duì)先導(dǎo)式電磁開關(guān)閥的多耦合場(chǎng)分析，得到以下結(jié)論：

(1) 氣隙對(duì)電磁力的影響呈非線性變化特征，隨著氣隙的增大，電磁力不斷減小，0～0.6 mm氣隙范圍內(nèi)電磁力隨氣隙變化較大，隨著氣隙繼續(xù)增大0.6～0.8 mm，電磁力緩慢下降并趨向穩(wěn)定；氣隙一定時(shí)，電磁力隨電流的變化呈近似線性關(guān)系；

(2) 氣隙足夠大，電磁力將不隨氣隙而變化，并呈現(xiàn)出比例電磁鐵的特性；

(3) 隨著激勵(lì)電壓的增大，線圈達(dá)到熱平衡的時(shí)間越短，電磁力隨時(shí)間下降越快，熱平衡時(shí)的溫度也越高，達(dá)到熱平衡時(shí)通過線圈的電流保持穩(wěn)定；

(4) 從宏觀上看，通過先導(dǎo)閥的流量、壓力與電磁線圈的電流響應(yīng)基本同步，但壓力響應(yīng)較電流響應(yīng)略有延遲，大約在3 ms，并隨著先導(dǎo)閥進(jìn)出口壓差的增大，壓力響應(yīng)的延遲時(shí)間增加，壓力響應(yīng)時(shí)間縮短。