雙向切換電磁閥復(fù)位特性的優(yōu)化設(shè)計

王營軍，樊 蕾，文小平，劉照智，謝建明

(北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100076)

引言

在地面供氣系統(tǒng)中，雙向切換電磁閥實現(xiàn)了供氣切換工作，在低溫加注階段不僅控制地面低溫加注閥的動作，還影響儲箱活門的打開和關(guān)閉。其工作性能指標(biāo)、快速響應(yīng)特性和可靠性對所屬系統(tǒng)的整體性能和任務(wù)可靠性有關(guān)鍵性的影響。

關(guān)于電磁閥的動態(tài)響應(yīng)特性研究，可以通過軟件實現(xiàn)動態(tài)特性的快速預(yù)測并分析電磁閥的設(shè)計因素對其動態(tài)響應(yīng)的影響[1-3]。其中AMESim軟件在電磁閥仿真中應(yīng)用較多，可結(jié)合電磁閥的結(jié)構(gòu)特點建立對應(yīng)的仿真模型[4-5]。徐登偉等[6]使用AMESim軟件發(fā)現(xiàn)先導(dǎo)式電磁閥上下游參數(shù)中入口壓力在一定范圍內(nèi)變化對閥門響應(yīng)時間影響較小，但節(jié)流孔的增大和彈簧力的增加會導(dǎo)致打開響應(yīng)時間延長。閥件優(yōu)化過程中使用試驗方法不僅可以對仿真計算進(jìn)行驗證，還實現(xiàn)了理論樣機(jī)快速迭代[7-8]。馬建強(qiáng)等[9]通過仿真和試驗方法驗證了起落架收放電磁閥關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計的合理性，認(rèn)為摩擦力和測壓管路的距離是導(dǎo)致實測協(xié)調(diào)動作時間稍大于仿真時間的主要原因。孫曉等[10]結(jié)合雙線圈電磁閥的數(shù)學(xué)模型，通過試驗證明了雙線圈電磁閥的導(dǎo)通續(xù)流控制方法可以明顯提高電磁閥動作頻率。

電磁閥中閥芯運(yùn)動規(guī)律確定了整閥切換的性能[11]。宗書宇等[12]分別研究了線圈匝數(shù)、驅(qū)動電壓和初始?xì)庀秾﹄姶艤筇匦缘挠绊懀⒍空f明了閥芯無法關(guān)閉時的驅(qū)動電壓。方洋等[13]通過高速開關(guān)閥的閥芯位移動態(tài)響應(yīng)模型得到各參數(shù)與閥芯位移隨時間變化曲線規(guī)律，分析了響應(yīng)時間滯后的原因，從而提出參數(shù)優(yōu)化調(diào)整建議。研究閥芯運(yùn)動規(guī)律和影響因素可以對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，大大節(jié)約研發(fā)成本，起到降本增效的作用。

本研究介紹了一種單點控制先導(dǎo)式結(jié)構(gòu)的雙向切換電磁閥，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點，說明了電磁閥的切換過程；在復(fù)雜工況下該電磁閥存在竄氣現(xiàn)象，通過試驗和仿真闡明了竄氣的原因，同時在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化，證明了優(yōu)化的效果，對雙向切換電磁閥的設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

1 雙向切換電磁閥介紹

1.1 工作原理

雙向切換電磁閥主要由電磁鐵、主活門、先導(dǎo)活門、活塞等組成，其結(jié)構(gòu)見圖1。該電磁閥采用先導(dǎo)式控制結(jié)構(gòu)，通過電磁鐵通斷電驅(qū)動先導(dǎo)活門，實現(xiàn)先導(dǎo)部分的充放氣過程，同時利用氣體介質(zhì)壓力差的作用控制常開、常閉兩側(cè)氣路切換供氣。

圖1a所示是雙向切換電磁閥的斷電狀態(tài)。先導(dǎo)活門受氣體壓力作用在上部形成先導(dǎo)放氣密封，先導(dǎo)活門進(jìn)氣密封打開形成通路，氣體通過閥體內(nèi)的氣體通道給常閉側(cè)活塞的背壓腔充氣。常閉側(cè)活塞在氣體壓力作用下推動主活門，常閉側(cè)主活門進(jìn)氣密封關(guān)閉，常閉側(cè)主活門放氣密封打開形成通路，常開側(cè)背壓腔的氣體通過斜孔和常閉側(cè)主活門放氣密封通路從常閉側(cè)放氣口放氣，常閉側(cè)進(jìn)氣口也通過常閉側(cè)放氣口放氣，如圖1a中虛線所示。與此同時常開側(cè)主活門受進(jìn)氣壓力的作用，其進(jìn)氣密封打開開始供氣，常開側(cè)進(jìn)氣和常閉側(cè)背壓腔的供氣氣路見圖1a中實線所示。此時常開側(cè)進(jìn)氣口和常閉側(cè)活塞背壓腔與氣源連通，常開側(cè)活塞背壓腔和常閉側(cè)進(jìn)氣口與外部空間連通，壓力保持一致。

當(dāng)雙向切換電磁閥通電時，電磁鐵吸合推動頂桿，先導(dǎo)活門克服氣動力將先導(dǎo)進(jìn)氣密封關(guān)閉，通往常閉側(cè)活塞背壓腔的氣體通道被切斷，常閉側(cè)背壓腔內(nèi)的氣體通過打開的先導(dǎo)放氣密封進(jìn)行放氣。常閉側(cè)主活門在進(jìn)氣口氣體壓力作用下進(jìn)氣密封打開、放氣密封關(guān)閉，氣體向常閉側(cè)進(jìn)氣口供氣的同時通過斜孔向常開側(cè)活塞背壓腔供氣，如圖1b實線所示；常開側(cè)活塞在氣體壓力作用下推動主活門導(dǎo)致常開側(cè)進(jìn)氣密封關(guān)閉，常開側(cè)進(jìn)氣通過打開的常開側(cè)主活門放氣密封進(jìn)行放氣，如圖1b虛線所示。此時常閉側(cè)進(jìn)氣口和常開側(cè)活塞背壓腔與氣源連通，常閉側(cè)活塞背壓腔和常開側(cè)進(jìn)氣口與外部空間連通，壓力保持一致。

圖1 雙向切換電磁閥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of two-way switching solenoid valve

1.2 試驗說明

雙向切換電磁閥的瞬態(tài)采集試驗原理如圖2所示，在氣源下游連接過濾器，先關(guān)閉減壓閥下游的手動截止閥，通過軟管連接至二位三通電磁閥入口，在二位三通電磁閥與二位五通電磁閥之間連接手動截止閥。在電磁閥的常開側(cè)和常閉側(cè)供氣口分別安裝瞬態(tài)傳感器P1和P2，通過記錄儀采集傳感器信號，電源分別給電磁閥和傳感器供電。將減壓閥調(diào)節(jié)到指定壓力后打開手動截止閥對下游進(jìn)行供氣。為更好地反應(yīng)電磁閥的動態(tài)響應(yīng)特性，同時考慮數(shù)據(jù)采集時長，將記錄儀的采樣頻率設(shè)置為2 kHz，試驗過程中通過開關(guān)電磁閥供電電源來控制電磁閥的切換。根據(jù)雙向切換電磁閥的瞬態(tài)采集試驗原理搭建了相對應(yīng)的試驗系統(tǒng)，如圖3所示。

圖2 試驗原理圖Fig.2 Test schematic diagram

圖3 瞬態(tài)試驗采集系統(tǒng)Fig.3 Transient test acquisition system

雙向切換電磁閥兩側(cè)供氣口的壓力變化曲線如圖4所示，電磁鐵通斷電間隔為2 s，結(jié)合雙向切換的結(jié)構(gòu)示意圖對試驗過程進(jìn)行說明。開始電磁閥處于斷電狀態(tài)，常開側(cè)供氣口壓力和氣源保持一致，圖中黑色實所示，當(dāng)電磁閥通電后，常開側(cè)和常閉側(cè)主活門位置切換，常開側(cè)放氣的同時常閉側(cè)進(jìn)行供氣，在短時間內(nèi)兩側(cè)供氣口壓力完成切換。當(dāng)電磁閥再次斷電時，兩側(cè)供氣口的壓力再次切換。通過電磁鐵的通斷電來單點控制先導(dǎo)活門的充放氣，從而間接控制兩側(cè)供氣的切換。

圖4 雙向切換電磁閥兩側(cè)壓力變化曲線Fig.4 Pressure curves on both sides of solenoid valve

2 雙向切換電磁閥復(fù)位特性優(yōu)化設(shè)計

2.1 復(fù)雜工況過程分析

雙向切換電磁閥在切換過程中，兩側(cè)主活門和活塞的運(yùn)動主要是由氣體壓差驅(qū)動，在持續(xù)供氣條件下先導(dǎo)活門通斷電決定了兩側(cè)主活門和活塞的位置。一般工況下，電磁閥在持續(xù)供氣情況下進(jìn)行切換動作達(dá)到兩側(cè)交替供氣，完成供配氣后電磁閥要先斷電使常開側(cè)主活門位于打開狀態(tài)，氣源再放氣，這是為了保證下次使用時電磁閥常開側(cè)處于打開狀態(tài)、常閉側(cè)處于關(guān)閉狀態(tài)。

在復(fù)雜工況下，即雙向切換電磁閥在先放氣后斷電再供氣時，兩側(cè)主活門和活塞的相對位置和一般工況時不同。電磁閥在切換過程中，兩側(cè)主活門的進(jìn)口密封交替變化，當(dāng)先導(dǎo)活門通電時，先對氣源進(jìn)行放氣，如圖5所示。此時常開側(cè)的主活門進(jìn)氣處于關(guān)閉狀態(tài)，常閉側(cè)主活門處于打開狀態(tài)，常閉側(cè)進(jìn)氣口和常閉側(cè)背壓腔內(nèi)的氣體反向放氣。當(dāng)電磁閥內(nèi)無氣體時，再對控制先導(dǎo)活門的電磁鐵斷電，先導(dǎo)活門在彈簧力作用下在上部形成密封。

圖5 復(fù)雜工況下先放氣后閥位示意圖Fig.5 Schematic diagram of valve position after deflation under complicated conditions

為了研究復(fù)雜工況下常閉側(cè)主活門閥位對供氣的影響，對該狀態(tài)的雙向切換電磁閥再次供氣時，氣體會按圖5中放氣指示的反方向進(jìn)行電磁閥供氣，壓力變化如圖6常閉側(cè)竄氣壓力峰值所示。其中常開側(cè)壓力略滯后于氣源壓力，但開始時常閉側(cè)主活門處于打開位置，在供氣瞬間導(dǎo)致少量氣體進(jìn)入常閉側(cè)進(jìn)氣口，壓力峰值達(dá)到0.22 MPa，出現(xiàn)了復(fù)雜工況下雙向切換電磁閥的竄氣現(xiàn)象。

2.2 復(fù)位式雙向切換電磁閥方案設(shè)計

以上分析了在復(fù)雜工況下雙向切換電磁閥的竄氣現(xiàn)象，結(jié)合雙向切換電磁閥的工作原理，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化后的雙向切換電磁閥結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。和原結(jié)構(gòu)不同的是，在常閉側(cè)活塞的后端安裝復(fù)位彈簧，使電磁閥在不帶氣的情況彈簧處于預(yù)壓縮狀態(tài)，保證常閉側(cè)主活門能自動復(fù)位，常閉側(cè)主活門復(fù)位后在進(jìn)口處形成密封，避免雙向切換電磁閥在先放氣后斷電再供氣時，氣體通過常閉側(cè)的進(jìn)氣密封處形成竄氣現(xiàn)象。

圖7 復(fù)雜工況下先放氣后閥位復(fù)位示意圖Fig.7 Reset schematic diagram of valve position after deflation under complicated conditions

2.3 彈簧不同壓縮量對竄氣的影響

在雙向切換電磁閥的瞬態(tài)采集試驗系統(tǒng)基礎(chǔ)上，開展了復(fù)位式雙向切換電磁閥在先放氣后斷電再供氣時的動態(tài)特性試驗研究。該試驗主要對比了電磁閥在復(fù)雜工況下彈簧在不同預(yù)壓縮量時常閉側(cè)的竄氣情況，結(jié)果如圖8所示。橫坐標(biāo)包括了四種工況，分別是原型和安裝彈簧后在不同預(yù)壓縮量時的竄氣試驗；縱坐標(biāo)是常閉側(cè)進(jìn)氣口在復(fù)雜工況時，壓力變化曲線的峰值。從圖中可知，沒有彈簧時，常閉側(cè)的竄氣最大值明顯大于帶有彈簧的工況。隨著彈簧預(yù)壓縮量的增加，常閉側(cè)竄氣曲線的峰值逐漸減小，當(dāng)彈簧的預(yù)壓縮量Δx增加到1.0 mm時，常閉側(cè)在復(fù)雜工況下不存在竄氣情況。

圖8 彈簧不同壓縮量對竄氣的影響Fig.8 Effect of different spring pre-compression on gas channeling

3 仿真分析

3.1 仿真模型

本研究采用AMESim軟件進(jìn)行仿真分析，如圖9所示，圖中黑色方框外為雙向切換電磁閥的仿真模型。為了對雙向切換電磁閥的復(fù)雜工況進(jìn)行仿真研究，在其進(jìn)口處設(shè)置二位三通電磁閥模型，根據(jù)雙向切換電磁閥和二位三通電磁閥電磁鐵的通電時序建立雙向切換電磁閥的復(fù)雜工況。

圖9 不同工況下雙向切換電磁閥仿真模型Fig.9 Simulation model of two-way switching solenoid valve under different conditions

根據(jù)雙向切換電磁閥復(fù)位特性的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，在常閉側(cè)增加彈簧元件，同時分別在其常開側(cè)和常閉側(cè)進(jìn)氣口設(shè)置數(shù)值監(jiān)測點，通過對彈簧設(shè)置不同的預(yù)壓縮量對比其在復(fù)雜工況下常閉側(cè)的竄氣現(xiàn)象。

3.2 結(jié)果分析

雙向切換電磁閥數(shù)值檢測點的壓力變化如圖10所示。電磁鐵通斷電間隔為2 s，圖中首先對比了一般工況下，雙向切換電磁閥切換過程中兩側(cè)壓力的試驗與仿真結(jié)果，數(shù)值與試驗監(jiān)測點的壓力呈交替變化。在2個周期內(nèi)，仿真和試驗結(jié)果基本保持一致，該仿真模型可以較好地對雙向切換電磁閥進(jìn)行仿真分析。

圖10 不同工況下雙向切換電磁閥兩側(cè)供氣曲線變化Fig.10 Pressure curves on both sides of solenoid valveunder different conditions

根據(jù)圖9仿真模型中一般工況下電磁閥的加電時序，對雙向切換電磁閥進(jìn)口的二位三通電磁閥進(jìn)行加電控制，模擬復(fù)雜工況下數(shù)值檢測點的曲線變化。在第3秒時對進(jìn)口的二位三通電磁閥加電，此時雙向切換電磁閥內(nèi)的氣體反向放氣；在第4秒時將雙向切換電磁閥斷電，此時雙向切換電磁閥內(nèi)常閉側(cè)的主活門處于打開狀態(tài)；在第5秒時對進(jìn)口的二位三通電磁閥斷電，再次供氣時雙向切換電磁閥常閉側(cè)的數(shù)值傳感器會有略微的凸起，在圖10中放大顯示，壓力最大值達(dá)到0.18 MPa。

根據(jù)雙向切換電磁閥復(fù)位特性的方案設(shè)計，在仿真模型的常閉側(cè)增加復(fù)位彈簧，在仿真計算過程中，隨著彈簧預(yù)壓縮量的增加，常閉側(cè)監(jiān)測的壓力峰值逐漸減小。繼續(xù)壓縮彈簧后，電磁閥在復(fù)雜工況下常閉側(cè)不會出現(xiàn)竄氣現(xiàn)象。仿真過程驗證了在常閉側(cè)背壓腔安裝復(fù)位彈簧可以有效避免竄氣現(xiàn)象。

4 結(jié)論

本研究對雙向切換電磁閥在復(fù)雜工況下常閉側(cè)復(fù)位特性進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，得出以下結(jié)論：

(1) 先導(dǎo)式雙向切換電磁閥兩側(cè)在氣動力作用下實現(xiàn)快速切換，試驗與仿真結(jié)果保持一致。通過試驗和仿真的方法可以對雙向切換電磁閥的動態(tài)特性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計；

(2) 雙向切換電磁閥在先放氣后斷電再供氣工況下，由于常閉側(cè)主活門沒有復(fù)位導(dǎo)致在進(jìn)口處沒有形成密封，在再次供氣的瞬間常閉側(cè)存在竄氣現(xiàn)象；

(3) 可以在常閉側(cè)背壓腔安裝彈簧的方式來抑制電磁閥在復(fù)雜工況下的竄氣量，試驗和仿真結(jié)果說明隨著彈簧力的增加，常閉側(cè)竄氣量隨之減少。