液力平衡形式開關電磁閥流量及動態響應特性仿真研究

李波

摘要：本文介紹了液力平衡形式開關電磁閥的工作原理，并以電磁閥的流量和閥芯的響應特性為優化目標，搭建其AMESim仿真模型，完成了該型開關電磁閥的關鍵結構設計參數優化設計。

關鍵詞：開關電磁閥 AMESim 設計參數優化

開關式電磁閥是一種電磁控制執行器，是控制流體方向的自動化基礎元器件，在各行各業有這廣泛的應用。同時，基于仿真平臺開展的設計與優化成為越來越被普遍采用的方法。本文采用AMESim仿真平臺，搭建某種液力平衡式開關電磁閥的詳細仿真模型，研究其關鍵設計參數對其流量及響應特性的影響，并最終完成其優化設計。

一、研究對象

本文研究對象為某種液力平衡式電磁閥開關閥。該閥采用錐面密封，閥芯錐角<閥座錐角。電磁閥通電，閥芯受到電磁力作用后打開，兩側高壓油路通過密封座面泄油。電磁閥斷電后，閥芯在頂部復位彈簧的作用下關閉，座面位置形成密封。在閥關閉狀態，閥芯不受高壓燃油液壓力作用。

二、電磁閥流量特性數值計算

由閥口（錐臺）幾何流通面積計算式（式1）

式中：——密封面錐角，deg；

h——閥芯升程，mm；

d——密封直徑，mm。

式1可知：

密封錐角α一定時，閥口的幾何流通面積與正比于密封直徑和閥芯升程。

三、基于AMESim的仿真分析

（一）仿真模型的搭建

為進一步探究液力平衡式開關電磁閥關鍵結構設參數對其流量及響應特性的影響并最終完成參數的優化設計，本文采用AMESim平臺搭建該開關電磁閥的詳細仿真模型，根據其工作原理，并綜合考慮系統中的泄漏、壓力波動等，建立的仿真模型。

（二）計算方案的制定

在滿足閥口流通能力設計要求的前提下，以提高銜鐵運動響應為目標開展計算，制訂計算方案如下：

1.單因素分析——獲取密封直徑 、電磁閥升程和彈簧預緊力等參數對開關電磁閥響應特性和實際通過流量的影響規律。

2.確定最終結構參數方案——根據單因素優化計算結果確定因子范圍，進行尋優計算獲取最終結構參數方案。

3.磨損后所需彈簧預緊力計算——通過計算得出具體磨損寬度對應所需的保證電磁閥正常關閉的彈簧預緊力數值。

（三）單因素計算

1.升程的影響

升程增大時開啟響應時間、關閉響應時間和流量同時呈線性增大的趨勢。流量隨升程的增大而增大，與理論計算保持一致。

2.密封直徑的影響

密封直徑對銜鐵的啟閉響應時間影響較小，但對通過流量影響顯著。這是由于該型開關閥采用平衡結構，密封直徑影響較小，但磨損后，液壓力作用在閥芯上，密封直徑對其響應特性的影響將加大。

3.彈簧預緊力影響

（1）開啟響應時間隨彈簧預緊力的增大而顯著增大，關閉響應時間隨彈簧預緊力的增大而顯著下降。預緊力在兩條曲線相交時使得不增加開啟響應的前提下，關閉響應達到最小。

（2）當彈簧預緊力增大一定數值，在不提高保持電流的前提下，閥芯無法到最大升程。

（3）閥口出的流通面積不隨彈簧預緊力變化而變化，即電磁閥的通過流量基本無變化。

（四）磨損后所需彈簧預緊力計算

閥座密封線在未磨損前，閥芯不受液壓力作用，而在閥座密封線磨損后，閥芯與閥座接觸處變成一個環狀密封帶，閥芯在開啟過程和關閉落座過程中都存在液壓力的作用，關閉過程需要克服這個環狀流道中的液壓力。由此可知：

1.隨著磨損量的增大，閥芯開啟響應時間越來越短，而關閉響應則越來越長。通過流量基本不隨磨損寬度和彈簧預緊力變化而變化。

2.當磨損寬度達到一定數值，在原有彈簧預緊力下，閥芯已無法正常關閉；

3.加大彈簧預緊力可以使得磨損后閥芯正常關閉。但由上文中閥芯啟閉時間隨彈簧預緊力變化規律可知，預緊力加大后，閥芯開啟過程時間變長，甚至無法開啟。

因此，磨損后為要保證關閉響應時間達到磨損前的響應時間，彈簧預緊力就存在一個最小值。相應的，模型要保證閥芯正常開啟，彈簧預緊力也存在一個最大限制。

經仿真計算得到，當磨損量使得密封直徑增加0.5mm時，滿足關閉響應要求所需最小彈簧力為140N。為保證正常開，其最大彈簧力不得超過190N。由此可見，當座面磨損量較大時（如0.5mm），雖可采用加大彈簧預緊力的方式保證開關電磁閥的正常工作，但對彈簧及其安裝預緊力的精度要求較高，電磁閥穩定工作的可靠性將大幅下降。因此，建議在對電磁閥密封錐面進行特殊處理，降低其磨損風險和磨損間隔時間，并使用過程中需定期檢查、及時更換。

四、結語

本文通過理論及仿真計算探究了液力平衡式開關電磁閥關鍵結構設計參數對其流量和響應特性的影響；綜合單因素影響分析和尋優計算結果確定了電磁閥詳細設計參數方案；并校核了不同磨損寬度對彈簧預緊力的需求。分析過程中得到的相關結論如下：

（一）該型電磁閥開啟響應時間、關閉響應時間和流量隨升程的增大同時呈線性增大的趨勢；

（二）密封直徑對銜鐵的啟閉響應時間影響較小，但對通過流量影響顯著，流量隨密封直徑的增大而增大；

（三）開啟響應時間隨彈簧預緊力的增大而顯著增大，關閉響應時間隨彈簧預緊力的增大而顯著下降；

（四）密封座面磨損后，采用加大彈簧預緊力的方式可保證電磁閥的正常工作，但對彈簧及其安裝預緊力的精度要求較高，電磁閥穩定工作的可靠性將大幅下降。

參考文獻：

[1]賈錫印，李曉波.柴油機燃油噴射及調整[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2001.

（作者單位：牡丹區何樓辦事處 簸箕屯小學）