基于AMESim的HXD2機車用撒沙電磁閥仿真與分析*

杜凱軍，劉建新，王甜甜，王俊勇，陳迪來

(1 西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，四川成都610031; 2 青島地鐵集團有限公司 運營分公司，山東青島266000; 3 西南交通大學 機械工程學院，四川成都610031)

基于AMESim的HXD2機車用撒沙電磁閥仿真與分析*

杜凱軍1，劉建新1，王甜甜2，王俊勇3，陳迪來3

(1 西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，四川成都610031; 2 青島地鐵集團有限公司 運營分公司，山東青島266000; 3 西南交通大學 機械工程學院，四川成都610031)

分析了HXD2機車用撒沙電磁閥的結構及工作原理，利用AMESim軟件對該撒沙電磁閥進行了建模和仿真，從仿真結果分析了各參數對撒沙電磁閥的影響，對改進及優化撒沙電磁閥的內部結構，提高撒沙電磁閥工作性能有著重要意義。

HXD2機車;撒沙電磁閥;AMESim;建模;仿真

HXD2電力機車由中國北車集團大同電力機車有限責任公司與法國阿爾斯通交通股份公司聯合開發研制，為八軸電力機車，單軸功率為1 250 kW，總功率可達10 000 kW。HXD2電力機車擔負著大秦線繁重的運輸任務，撒沙系統可以直接改善機車輪軌間的黏著系數，性能優異的撒沙系統可以有效的抑制輪對的空轉，在惡劣的輪軌條件下可以改善機車的輪軌黏著提高牽引性能，從而保障運輸能力和行車安全，而撒沙電磁閥在撒沙系統中又起到最關鍵的作用。

1 撒沙電磁閥結構及工作原理

1.1 撒沙閥的結構

撒沙電磁閥主要由撒沙閥閥體、電磁閥、閥芯、彈簧、膠套、膠塞、托板、密封圈等組成。如圖1所示。

1－撒沙閥閥體;2－O形密封圈;3－堵頭1;4－膠塞;5－M4絲堵;6－撒沙閥閥芯; 7－O形密封圈;8－膠套1;9－銅套;10－膠套2;11－托板;12－堵頭2; 13－預緊彈簧;14－電磁閥;15－撒沙閥閥體。圖1撒沙電磁閥結構組成圖

1.2 撒沙電磁閥工作原理

撒沙電磁閥未通電時，電磁閥氣路是斷開狀態，膠套10在彈簧B的壓力作用下壓緊在閥體內的錐面上，進氣口A與出氣口B不通氣。此時，氣室Ⅰ與進氣口相通，氣室Ⅱ與出氣口相通，氣室Ⅲ與排氣口相通，氣室Ⅳ通過氣孔H通大氣，氣室Ⅴ通過電磁閥氣孔D通大氣。

撒沙電磁閥通電時，電磁閥氣路接通，進氣口A處的壓縮空氣依次經過氣路G、氣孔F、氣孔D、氣路E，進入氣室Ⅴ，空氣壓力作用在閥芯的膠塞上，克服彈簧壓力、閥芯組件與閥體間摩擦力以及作用在閥芯托板上的空氣壓力等，推動閥芯組件向左移動，同時膠套10與閥體錐面分離，膠套8與閥體錐面壓緊，進氣口A處壓縮空氣從出氣口B排出，吹動沙子到輪軌接觸面，撒沙電磁閥實現撒沙動作。

當完成撒沙后，將撒沙電磁閥斷電，電磁閥氣孔D與氣孔F間氣路斷開，同時氣室Ⅴ中的壓縮空氣通過電磁閥氣孔D通大氣，在彈簧壓力及作用在托板上的空氣壓力下，閥芯組件被推動向右移動，膠套10重新壓緊在閥體內的錐面上，膠套8與閥體內的錐面分離，排氣口B與氣室Ⅱ中的壓力氣體通過排氣口C通大氣。

2 撒沙電磁閥的數學模型

在建立撒沙電磁閥數學模型時，特作如下假設:(1)把工作介質看作是理想氣體，氣體流動為一維定常等熵流動，閥體是絕熱的;(2)描述閥腔內的氣體參數采用集中參數方法，認為閥腔內氣體的溫度、壓力以及密度分布均勻;(3)不考慮閥體密封不良造成的氣體泄漏的影響;(4)認為氣體流動初始狀態速度為零;(5)忽略氣體的動能和位能;(6)不計氣體流動時的沿程損失;(7)不考慮溫度變化對電阻的影響。

2.1 質量流量方程

氣體在閥體、管路中的流動過程是非常復雜的，為了便于研究，通常把氣路系統中的氣孔等效成收縮噴嘴。氣孔的質量流量計算公式為:

式中Cd為孔口流量系數;A為孔口截面積;pi、pe為分別表示孔口入口壓力、孔口出口壓力;Ti為孔口入口空氣溫度;R為氣體常數;k為空氣絕熱指數;ε0為臨界壓力比(對于空氣及雙原子氣體ε0=0.528)。

2.2 質量守恒方程

根據質量守恒定律，單位時段內流入閥體內的氣體質量、單位時段內流出閥體外的氣體質量、單位時段內閥體內氣體總質量的變化量，三者相等，計算公式為:

式中ρi為流入閥體氣體的密度;ρe流出閥體氣體的密度;Ai為流入閥體孔口的截面積;Ae為流出閥體孔口的截面積;vi流入閥體氣體速度;ve為流出閥體氣體速度;表示單位時段內閥體內氣體總質量的變化量。

2.3 能量守恒方程

在假設中忽略了氣體的動能和位能，但在閥體動作過程中，閥體內的氣體還會做機械功，可得閥體內能量方程為:式中E=CVTM(內能方程);h=CPT(焓方程)。

2.4 質量系統的運動方程

在撒沙電磁閥動作過程中，閥芯受到的力除了彈簧預緊力、氣體壓力之外，還有非線性的摩擦力、阻尼力還有氣體流動作用力等。對閥芯組件進行運動分析，可得出閥芯組件的受力平衡方程為:式中M為閥芯組件的等效質量;C為阻尼系數;K為預緊彈簧剛度;X為閥芯位移;t為時間;FK為彈簧預緊力;Ff為摩擦力;Fl為流體流動作用力;A1為膠塞等效受力面積;A2為托板等效受力面積。

2.5 電路方程

電磁閥線圈中的電路模型計算公式為:

式中U為線圈電壓;i為線圈電流;R為回路總電阻;ψ為線圈總磁鏈;t為通電時間;L為線圈電感;x為氣隙長度。

2.6 磁路方程

撒沙電磁閥中電磁閥模型的磁路方程為:

式中H1為軸向磁路磁場強度;l1為軸向磁路長度;H2為徑向磁路磁場強度;l2為徑向磁路長度;H3為銜鐵和極靴磁場強度;l3為銜鐵和極靴長度;為磁路中的磁通量;Rm為漏磁元件等效磁阻;H0為氣隙中的磁場強度;δ0為初始氣隙長度;xv為閥芯位移量。

線圈磁場強度B計算公式為:

式中μ0為真空磁導率;N為線圈匝數;i為線圈中的電流;lg為閥口氣隙長度。電磁力計算公式為:

3 撒沙電磁閥的AMESim建模仿真分析

3.1 軟件簡介

AMESim軟件是由Imagine公司開發的多領域系統仿真集成平臺，可以創建和運行多物理場仿真模型，以分析復雜的系統特性，可以進行機、電、液、氣、控、熱、電磁等多學科綜合系統仿真，有效解決了試驗研發耗時耗資的缺點，成為系統虛擬優化設計的主流技術。使用AMESim對撒沙電磁閥進行建模仿真分析，具有建模便捷、模型準確、運算快速等優點，基于仿真結果進行的靜動態特性分析，能夠較好的仿真撒沙電磁閥性能，對撒沙電磁閥的動作狀態和結構機理可做到更全面直觀的理解，能夠預測各結構參數對閥性能的影響，可以更好的指導閥的設計和改進工作，有效節省設計和試驗成本。

3.2 模型的建立

使用AMESim建模時分為4步:從應用庫中選取需要的現有的圖形模塊來建立系統的模型見圖2;為每個圖形模塊選取合適的數學模型;為每個圖形模塊設定特定的參數見表1～表2。運行模型仿真并分析仿真結果。

3.3 撒沙電磁閥的AMESim模型仿真分析

撒沙電磁閥在穩定狀態下工作時，若不考慮外界環境溫度對其的影響，其溫度基本沒有變化，氣體溫度的變化主要是由于氣體壓力變化導致氣體體積變化而引起的，撒沙電磁閥能否穩定可靠的工作，主要取決于其本身的結構參數等內部因素，下面分析工作電壓、線圈匝數、氣隙長度、預緊彈簧剛度對撒沙電磁閥響應的影響，見圖3～圖12。

表1 主要子模型功能

圖2 基于AMESim的撒沙電磁閥仿真模型

圖3 電磁閥閥芯位移、撒沙閥閥芯位移仿真響應曲線

表2 主要仿真參數

由圖3和圖4對比可以看出，電磁閥閥芯完全開啟響應時間為30～35 ms，完全關閉響應時間為 44～50 ms。由圖3和圖5對比可以看出，撒沙閥閥芯完全開啟響應時間為20～25 ms，完全關閉響應時間為16～25 ms。仿真曲線與試驗曲線吻合的很好，響應時間基本一致，證明了仿真模型的準確性。

圖4 電磁閥閥芯位移試驗響應曲線

圖5 撒沙閥閥芯位移試驗響應曲線

從圖3中可以看出，電磁閥閥芯、撒沙閥閥芯在開啟關閉過程中存在著明顯的延遲現象。其主要原因是:首先，開啟電磁閥閥芯時，需要克服作用在閥芯上的各種阻力，由電磁感應原理可知，線圈的電磁力不可能在瞬間上升到最大值，所以電磁閥閥口完全打開需要一定的時間;而撒沙閥依靠壓縮空氣推動閥芯運動，電磁閥閥芯剛開始運動時開口很小，從壓縮空氣通過電磁閥閥口充滿氣室Ⅴ到克服阻力推動閥芯運動也需要一定的時間。其次，撒沙閥閥芯、電磁閥閥芯本身有一定質量，在運動過程中必須克服相應的慣性力，產生動作延遲。再者，電磁線圈在斷電時會產生自感電流，在斷開開關的同時，電磁力不會瞬間消失，從而導致關閉延遲。最后，遲滯現象產生的剩磁也會導致閥芯運動的延遲。由以上分析可知，閥芯動作延遲是固有物理特性，是不能完全消除的，只能盡量減小。

圖6 電壓對電磁閥閥芯位移響應的影響

圖7 電壓對撒沙閥閥芯位移響應的影響

撒沙電磁閥正常工作的電壓為直流110 V，按照EN 50155標準規定供電電壓變化:最小電壓為0.7 U，最大電壓為1.25 U。取輸入電壓為77 V、110 V、137.5 V進行仿真，得到的結果如圖6、圖7所示，從圖中可以看出，在3種電壓下，撒沙電磁閥均能順利開啟關閉。輸入的電壓越大，回路中的電流越大，電磁力越大，閥開啟的時間越短。因為軟磁材料有剩磁的特性，當切斷電壓后仍然具有磁性，電壓越高，剩磁越多，電磁閥關閉時則需要更長的時間來克服剩余磁力。

圖8 線圈匝數對電磁閥閥芯位移響應的影響

圖9 線圈匝數對撒沙閥閥芯位移響應的影響

由式(8)可知，理論上電磁力與線圈匝數的平方成正比。從圖8、圖9可以看出，隨著線圈匝數的增加，電磁力相應增加，閥芯響應時間變短，但是同時也使線圈的感應系數增大，線圈感應電壓變大，彈簧力克服電磁力關閉閥的時間變長。若線圈匝數太多，閥開啟響應變快，但感應電壓產生的電磁力變大，閥的關閉響應時間變長。若線圈匝數太少，關閉響應雖會變快，但線圈產生的電磁力太小，閥芯開啟的動作會很慢甚至無法開啟;所以需要合理選擇線圈匝數，在滿足閥可靠工作的前提下，使開啟時間和關閉時間得到平衡。

圖10 氣隙長度對電磁閥閥芯位移響應的影響

圖11 氣隙長度對撒沙閥閥芯位移響應的影響

氣隙長度對電磁閥、撒沙閥動作響應的影響由圖10、圖11可以看出，當氣隙變大時，氣隙間的磁阻變大，初始時電磁力變小，電磁力上升過程變慢，所以閥的開啟時間變長。關閉時，由于閥芯的運動行程變長，閥關閉的時間變長。當氣隙很大時，電磁力很小，閥將開啟很慢甚至無法開啟。氣隙太小時，對加工工藝要求太高，容易造成氣隙存在的相對誤差變大。氣隙的大小對電磁閥的工作性能、適用范圍有很大的影響，所以我們要合理選擇氣隙長度。

圖12 預緊彈簧剛度對撒沙閥閥芯位移響應的影響

由圖12可以看出，開啟時，彈簧剛度越大，閥芯克服的彈簧阻力越大，開啟時間越長;關閉時，彈簧剛度越大，彈簧力越大，閥芯關閉時間越短。所以選擇彈簧剛度時，在確定合理的彈簧預緊力的同時，還要兼顧閥開啟時間和關閉時間。

4 結束語

分析了撒沙電磁閥結構及工作過程，建立了其數學模型，通過使用AMESim軟件對撒沙電磁閥進行了建模仿真，實現了氣動系統、機械系統、電磁系統之間的耦合，分析了工作電壓、線圈匝數、氣隙長度、預緊彈簧剛度對撒沙電磁閥工作性能的影響，發現改變閥體的某些結構參數能使撒沙電磁閥開啟響應(關閉響應)得到優化，但會使關閉響應(開啟響應)惡化，優化撒沙電磁閥結構參數時需要全面綜合考慮，通過嚴格的計算仿真以及充分的試驗驗證才能最終確定。對于整體把握撒沙電磁閥結構性能提供了參考，為理解和深入分析撒沙電磁閥的特性奠定了基礎。

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［4］ 尤裕榮，曾維亮.氣體減壓閥的穩定性分析［J］.火箭推進.2009，(5):34-38.

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Simulation and Analysis of HXD2 Locomotive Sanding Solenoid Valve Based on AMESim

DU Kaijun1，LIU Jianxin1，WANG Tiantian2，WANG Junyong3，CHEN Dilai3
(1 Traction Power State Key Laboratory，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031 Sichuan，China; 2 Operations Branch，Qingdao Metro Group Co.，Ltd.，Qingdao 266000 Shandong，China; 3 School of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031 Sichuan，China)

This paper analyzes the structure and working principle of HXD2 Locomotive sanding solenoid valve makes modeling and simulation for sanding solenoid valve based on AMESim software，and analyzes the factors which affected the sanding solenoid valve according to the simulation.This research has important significance for improving internal structure and working performance of sanding solenoid valve.

HXD2 locomotive;sanding solenoid valve;AMESim;modeling;simulation

U264.91

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2015.01.08

1008－7842(2015)01－0041－06

*國家自然科學基金項目(51375403)

9—)男，碩士研究生(

2014－08－28)