集成式電磁閥設(shè)計(jì)及閥芯卡滯優(yōu)化

崔瑾，韓川波，易偉亮，周坤

(蜂巢傳動(dòng)科技河北有限公司，河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定 071000)

0 前言

液壓控制以其傳遞效率高、穩(wěn)定好的優(yōu)勢(shì)被廣泛用于航空、船舶、汽車等領(lǐng)域的傳動(dòng)系統(tǒng)[1]。但隨著整機(jī)輕量化進(jìn)程的加快、節(jié)能高效理念的凸顯，液壓系統(tǒng)體積大、響應(yīng)慢的劣勢(shì)也愈加明顯。液壓控制模塊作為自動(dòng)變速器傳動(dòng)比轉(zhuǎn)換的重要成員[2]，亟待實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的小型化、靈敏化。

電磁閥接收電控單元出發(fā)的命令，控制液壓油路的通斷或切換，響應(yīng)迅速，既能兼顧液壓控制的優(yōu)勢(shì)又可彌補(bǔ)液壓響應(yīng)的短板，成為了液壓控制系統(tǒng)中的重要成員。

為應(yīng)對(duì)快速開發(fā)，一體式插裝式電磁閥是項(xiàng)目進(jìn)程中的首選，但其價(jià)格昂貴，且具有技術(shù)壟斷性。采用機(jī)械滑閥式閥芯，加之彈簧，然后匹配相應(yīng)的電磁鐵，就可以將插裝閥變更為集成閥，既可以降低成本，又可以在空間布置上獲得極大的靈活性。

1 集成式電磁閥

1.1 電磁閥閥芯卡滯原因

集成式電磁閥由四部分組成：閥芯、彈簧、閥體、電磁鐵。閥體可根據(jù)設(shè)計(jì)需求，集成在液壓控制模塊上，或者另辟空間采用獨(dú)立閥體設(shè)計(jì)。當(dāng)電磁閥的閥芯在各個(gè)功能狀態(tài)下都處于一種受力平衡狀態(tài)(電磁鐵對(duì)閥芯的電磁力與彈簧力等大反向)時(shí)，電磁閥設(shè)計(jì)即可滿足各設(shè)計(jì)功能要求。閥芯在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，閥口開度和位置的變化會(huì)導(dǎo)致油液流動(dòng)方向及速度發(fā)生變化，進(jìn)而使得液體動(dòng)量發(fā)生變化，對(duì)閥芯產(chǎn)生附加力，即液動(dòng)力。閥芯附加力的大小是影響液壓閥的關(guān)鍵因素[3-4]。閥芯液動(dòng)力既可以與閥芯運(yùn)動(dòng)方向平行(即軸向液動(dòng)力)，也可以與閥芯運(yùn)動(dòng)方向垂直(即徑向液動(dòng)力)。軸向液動(dòng)力對(duì)閥芯運(yùn)動(dòng)起到推動(dòng)或者阻礙的作用，徑向液動(dòng)力則能夠使閥芯產(chǎn)生偏航。

輕微的偏航可以讓閥芯與閥孔內(nèi)壁產(chǎn)生刮蹭、劃傷，形成雜質(zhì)，導(dǎo)致油品清潔度惡化，當(dāng)沒有足夠強(qiáng)大的過(guò)濾系統(tǒng)時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致閥芯卡滯[5]；嚴(yán)重的偏航足以讓閥芯與閥孔直接進(jìn)行劇烈碰撞，產(chǎn)生閥芯卡滯。

圖1 電磁閥示意

1.2 電磁閥參數(shù)設(shè)計(jì)

該電磁閥為一款常開式線性比例開關(guān)閥，確定設(shè)計(jì)空間后，對(duì)電磁閥的開度、行程、功能等進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，采用一維軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)校核。電磁鐵采用電流-位移信號(hào)轉(zhuǎn)換功能模擬代替。該電磁閥是液壓控制模塊中眾多閥中的一個(gè)，對(duì)單一閥進(jìn)行校核，需要對(duì)該閥下游的負(fù)載進(jìn)行等效，采用等效節(jié)流孔的方式搭進(jìn)一維模型中。

校核過(guò)程，電磁閥前端采用壓力源(如圖2所示)，最大壓力為1 MPa，閥芯最大行程位移為2.5 mm。電磁閥有兩級(jí)閥口控制油路的通斷，通過(guò)閥芯運(yùn)動(dòng)過(guò)程中幾個(gè)關(guān)鍵位置的流量數(shù)值，即可以校核閥芯和油路尺寸的設(shè)計(jì)可行性，具體如下：

(1)當(dāng)閥芯位移0 mm

(2)當(dāng)1.45 mm≤d≤1.9 mm時(shí)，一級(jí)、二級(jí)閥口全部關(guān)閉，電磁閥切斷液壓油路；

(3)當(dāng)1.9 mm

圖2 電磁閥一維模型

1.3 電磁閥3D建模

電磁閥參數(shù)設(shè)計(jì)完成后，采用3D建模軟件對(duì)電磁閥進(jìn)行三維實(shí)體建模。閥體油路共設(shè)計(jì)有5個(gè)通道[6]，其中3路為功能通道，其余2路為排油通道。電磁鐵零電流工況下，電磁力為零，彈簧呈自然安裝長(zhǎng)度，閥芯所處位置與閥體油道配合如圖3所示，一級(jí)通道開啟，呈現(xiàn)常開式。隨電流增大，電磁力增大，電磁鐵內(nèi)部鐵芯推動(dòng)閥芯運(yùn)動(dòng)，壓縮彈簧。在閥芯運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)閥芯與閥體油道不斷改變配合狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)閥口的開閉切換。In→Out1 為一級(jí)通道，常開；In→Out2 為二級(jí)通道，常閉。

圖3 電磁閥3D數(shù)模

2 電磁閥流體性能分析

2.1 基于初版設(shè)計(jì)的電磁閥CFD分析

基于初版電磁閥3D數(shù)模進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，去除設(shè)計(jì)中不必要的細(xì)節(jié)特征(如閥芯小于0.5 mm的圓角)，以減少有限元建模的網(wǎng)格數(shù)量。對(duì)簡(jiǎn)化后的數(shù)模抽取完整的流體域，然后進(jìn)行切割，分為油路、閥芯、等效阻尼孔等多個(gè)不同的流體域個(gè)體。將分割好的流體域逐一導(dǎo)入CFD軟件后，分步驟搭建電磁閥分析模型：

(1)按照不同個(gè)體，逐一進(jìn)行面切割，拾取并對(duì)功能面進(jìn)行命名(進(jìn)口面、出口面等)；

(2)油道采用統(tǒng)一的網(wǎng)格建模設(shè)置，閥芯采用六面體網(wǎng)格建模；

(3)各油道與閥芯之間以圓柱面的方式進(jìn)行交界面設(shè)置，傳遞求解計(jì)算過(guò)程中不同體之間數(shù)據(jù)的交互；

(4)邊界條件設(shè)置及工況加載：進(jìn)口加載1 MPa壓力，出口加載零壓力；閥芯響應(yīng)時(shí)間設(shè)置為100 ms，線性運(yùn)動(dòng)；

(5)提前調(diào)用曲線功能，讀取電磁閥功能數(shù)據(jù)(如位移、流量、液動(dòng)力等隨時(shí)間的變化曲線)；

(6)求解計(jì)算。

2.2 電磁閥仿真結(jié)果數(shù)據(jù)分析

初版電磁閥仿真結(jié)果數(shù)據(jù)與一維設(shè)計(jì)校核結(jié)果一致，如圖4所示?？芍阂患?jí)通道最大通流能力為6.2 L/min；二級(jí)通道最大通流能力為18.2 L/min；一、二級(jí)通道正常工作，且油路聯(lián)通狀態(tài)正確。

各通道的通流能力不同，閥體內(nèi)部的流動(dòng)狀態(tài)(流速、流向、壓力)也各異。即使在同一通道工作狀態(tài)下，閥口的開度不同，也會(huì)導(dǎo)致閥體內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化。這是一維軟件無(wú)法校核的，需借助三維軟件完成。

圖4 位移曲線和流量曲線

采用CFD分析方法，是監(jiān)測(cè)閥體內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)的一種有效手段，分析過(guò)程中能夠?qū)崟r(shí)輸出全運(yùn)動(dòng)行程中的壓力、流量、受力等數(shù)據(jù)。對(duì)仿真結(jié)果的分析形式也可是多樣化的，如云圖、流線、曲線、動(dòng)畫等。圖5所示為以流線和加速度場(chǎng)耦合的形式來(lái)呈現(xiàn)兩個(gè)通道各自工作過(guò)程中的流動(dòng)狀態(tài)。

圖5 電磁閥流動(dòng)狀態(tài)

圖6所示為運(yùn)動(dòng)過(guò)程中閥芯三相液動(dòng)力的實(shí)時(shí)變化?？芍涸?8 ms時(shí)刻，閥芯位移達(dá)到1.45 mm，通道一完全關(guān)閉，此時(shí)液動(dòng)力曲線發(fā)生了突變，這是閥門瞬間關(guān)閉時(shí)刻的液體沖擊。

閥芯液動(dòng)力是否會(huì)導(dǎo)致閥芯存在卡滯風(fēng)險(xiǎn)，需要通過(guò)電磁鐵的性能來(lái)判斷。該項(xiàng)目選型的電磁鐵常用量程是300～1 200 mA，對(duì)應(yīng)電磁力為4～25 N，電磁力的公差隨電磁力增大而增大，最大公差為±1.5 N。因此初版設(shè)計(jì)校核的電磁閥液動(dòng)力f3Y=2.1 N,如圖6所示，已經(jīng)超出了電磁力的設(shè)計(jì)要求，需要對(duì)閥芯液動(dòng)力進(jìn)行優(yōu)化。

圖6 閥芯液動(dòng)力

3 閥芯設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1 優(yōu)化參數(shù)選擇

電磁閥閥芯初版設(shè)計(jì)已經(jīng)包含了環(huán)槽和坡角設(shè)計(jì)，以盡量減小閥芯液動(dòng)力。閥芯的關(guān)鍵參數(shù)如圖7所示。

圖7 閥芯的關(guān)鍵參數(shù)

在閥芯上增加環(huán)槽設(shè)計(jì)，可以在有限設(shè)計(jì)空間內(nèi)，起到閥門提前開啟或延遲關(guān)閉的作用，并且在沿環(huán)槽深度H方向，降低閥門因瞬間開、閉導(dǎo)致的流體沖擊。

坡角α的設(shè)計(jì)同樣也是有效降低液體沖擊的一種方法，初始設(shè)計(jì)在閥芯與各通道連接位置增加了坡角設(shè)計(jì)(如圖7中標(biāo)記的3個(gè)位置)，在初始設(shè)計(jì)值基礎(chǔ)上進(jìn)行角度的調(diào)整，優(yōu)化液動(dòng)力。

3.2 優(yōu)化結(jié)果

采用單一變量的方法，對(duì)選擇的優(yōu)化參數(shù)(環(huán)槽深度H、坡角數(shù)值α，坡角位置)進(jìn)行驗(yàn)證。優(yōu)化方案及優(yōu)化結(jié)果如表1所示。

表1 優(yōu)化方案及優(yōu)化結(jié)果

3.3 測(cè)試結(jié)果

采用液壓閥體試驗(yàn)臺(tái)對(duì)電磁閥進(jìn)行單體測(cè)試[7]，進(jìn)口接定排量泵，固定油泵轉(zhuǎn)速，出口接流量計(jì)，對(duì)電磁閥出口流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，油泵多余的流量從工裝回流口回流至油箱。電磁鐵的電信號(hào)采用線性控制。

實(shí)際樣件加工時(shí)，只針對(duì)方案1和方案9進(jìn)行了樣件制作，并進(jìn)行了測(cè)試。方案1與方案9的樣件實(shí)測(cè)結(jié)果如圖8所示。可知：(1)電磁閥測(cè)試流量與仿真一致，誤差小于5%(實(shí)測(cè)通道一最大流量6.4 L/min，通道二最大流量18.6 L/min)；(2)方案1在兩級(jí)閥口工作狀態(tài)下，都存在明顯卡滯現(xiàn)象，流量異常突變，且隨流量越大，卡滯現(xiàn)象越明顯；(3)方案9也存在兩次輕微卡滯，但引起的流量波動(dòng)幅值小于0.5 L/min，且持續(xù)時(shí)間小于5 ms，對(duì)液壓系統(tǒng)工作影響很小，可忽略。

圖8 電流-流量關(guān)系曲線

4 結(jié)論

針對(duì)插裝電磁閥的空間布局受限、價(jià)格高昂、供貨壟斷的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一款集成式電磁閥。采用一維軟件進(jìn)行參數(shù)校核、3D建模軟件進(jìn)行細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)、CFD軟件進(jìn)行電磁閥流體性能校核，并針對(duì)設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行閥芯優(yōu)化，有效降低了閥芯液動(dòng)力。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，仿真與試驗(yàn)一致性良好，證明增加閥芯槽深或在閥芯出口位置增加坡角設(shè)計(jì)，能夠有效解決電磁閥卡滯問(wèn)題。