基于AMESim的先導(dǎo)膜片式電磁閥動(dòng)態(tài)特性仿真

徐登偉，尤裕榮，袁洪濱，趙雙龍

（西安航天動(dòng)力研究所,陜西西安710100）

基于AMESim的先導(dǎo)膜片式電磁閥動(dòng)態(tài)特性仿真

徐登偉，尤裕榮，袁洪濱，趙雙龍

（西安航天動(dòng)力研究所,陜西西安710100）

介紹了先導(dǎo)膜片式電磁閥的結(jié)構(gòu)及工作原理，建立了其多物理過程耦合的數(shù)學(xué)模型，利用AMESim軟件建立了先導(dǎo)式電磁閥動(dòng)態(tài)仿真模型，研究了節(jié)流孔、工作壓力、彈簧剛度及彈簧力對(duì)先導(dǎo)膜片式電磁閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響。結(jié)果表明：節(jié)流孔對(duì)響應(yīng)時(shí)間的影響因素較大，隨著節(jié)流孔的增大，閥門的打開響應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間越短。該分析方法可應(yīng)用于先導(dǎo)式電磁閥的設(shè)計(jì)和分析，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

先導(dǎo)膜片式電磁閥；動(dòng)態(tài)特性；AMESim；仿真

0 引言

電磁閥作為開關(guān)執(zhí)行元件，控制流體的通斷，是一種低成本、低能耗、快響應(yīng)、自動(dòng)化的產(chǎn)品，在航天、航空、石化、汽車等行業(yè)大量應(yīng)用。隨著科技的發(fā)展，工業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，工業(yè)生產(chǎn)呈現(xiàn)大容量、高參數(shù)的趨勢(shì)，對(duì)電磁閥的工作壓力要求愈來愈高，對(duì)通徑要求愈來愈大。國(guó)內(nèi)外在高壓、大通徑時(shí)，一般采用先導(dǎo)閥的結(jié)構(gòu)，應(yīng)用導(dǎo)閥帶動(dòng)主閥，從而巧妙的利用介質(zhì)力來工作，實(shí)現(xiàn)大流量。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同，先導(dǎo)式電磁閥可分為膜片式結(jié)構(gòu)和活塞式結(jié)構(gòu)。由于膜片承壓能力有限，與活塞式結(jié)構(gòu)相比，膜片式結(jié)構(gòu)工作壓力相對(duì)較低，但膜片式電磁閥具有感壓元件有效面積大、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，適用壓力相對(duì)較低，流量較大的工作場(chǎng)合。

本文以研發(fā)的先導(dǎo)膜片式電磁閥為研究對(duì)象，介紹了其結(jié)構(gòu)及工作原理，建立了包含氣體流動(dòng)、機(jī)械運(yùn)動(dòng)和電磁力變化等物理過程的數(shù)學(xué)模型，并利用AMESim軟件對(duì)先導(dǎo)膜片式電磁閥進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真。

1 先導(dǎo)膜片式電磁閥的工作原理

先導(dǎo)膜片式電磁閥結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該閥主要由主閥體、導(dǎo)閥（電磁閥）、主閥芯、膜片等組成，工作介質(zhì)一般是空氣、氮?dú)狻⑻烊粴狻⑺龋c普通電磁閥相比，其優(yōu)點(diǎn)是主閥的開度與線圈的電磁吸力無關(guān)，只與介質(zhì)壓力產(chǎn)生的壓差相關(guān)，因此，能夠滿足高壓、大流量的要求。

閥工作原理是：當(dāng)給線圈通電時(shí)，線圈產(chǎn)生足夠的電磁力克服彈簧和介質(zhì)壓力，驅(qū)動(dòng)導(dǎo)閥芯運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)閥打開，主閥芯上腔壓力迅速下降，并形成上低下高的壓差，在介質(zhì)力的作用下推動(dòng)主閥芯克服彈簧力向上移動(dòng)，主閥打開；當(dāng)線圈斷電時(shí)，電磁力消失，導(dǎo)閥芯在彈簧力和介質(zhì)壓力作用下復(fù)位，并形成密封，導(dǎo)閥關(guān)閉，入口壓力通過節(jié)流孔在主閥芯上腔迅速建壓，當(dāng)壓力達(dá)到平衡時(shí)，主閥芯在復(fù)位彈簧力作用下向下運(yùn)動(dòng)，最終在介質(zhì)力和彈簧力的共同作用下與閥座形成密封，主閥關(guān)閉。

2 數(shù)學(xué)模型

先導(dǎo)式電磁閥的動(dòng)態(tài)特性受電磁變化、機(jī)械運(yùn)動(dòng)、氣體流動(dòng)等因素影響，其數(shù)學(xué)模型可分為電磁模型、機(jī)械運(yùn)動(dòng)模型和氣路模型。為簡(jiǎn)化計(jì)算作以下假設(shè)：

1）忽略銜鐵及非工作氣隙磁阻；

2）忽略電磁閥及其內(nèi)部氣體與外界環(huán)境間的傳熱過程的影響；

3）流體為理想氣體，節(jié)流前后溫度不變；4）工作過程中節(jié)流截面流量系數(shù)不變。

2.1 電磁路模型

電磁鐵電路微分方程按（1） 式計(jì)算[2－3]:

式中：U為線圈電壓，V；i為線圈電流，A；RW為線圈電阻，Ω；NW為線圈匝數(shù)，匝；t為通電時(shí)間，s；Φm為磁通量，Wb。

根據(jù)基爾霍夫磁壓定律,可得出磁路計(jì)算的數(shù)學(xué)模型,即

式中：Φδ為氣隙處的磁通量，Wb；Rδ為氣隙磁阻，Ω；Hm為磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m；Lm為磁路長(zhǎng)度，m。

聯(lián)立方程（1） 和（2），根據(jù)麥克斯韋爾電磁吸力公式，先導(dǎo)閥電磁銜鐵的吸力公式為：

式中：S為氣隙處的磁極面積，m2；μ0為真空磁導(dǎo)率，H/m。

2.2 運(yùn)動(dòng)模型

先導(dǎo)式電磁閥的運(yùn)動(dòng)模型包括先導(dǎo)閥和主閥2部分的運(yùn)動(dòng)模型。

2.2.1 先導(dǎo)閥運(yùn)動(dòng)模型

式中：md為電磁閥閥芯（銜鐵）質(zhì)量，kg；Fdx為電磁吸力，N；Fdt1為彈簧安裝力，N；Fdt2為彈簧工作力，N；Fdy為液壓不平衡力，N；Fdf為摩擦力，N。

式 (4a)為閥芯吸合過程運(yùn)動(dòng)件運(yùn)動(dòng)方程，式 (4b)為閥芯釋放過程運(yùn)動(dòng)件運(yùn)動(dòng)方程。

2.2.2 主閥運(yùn)動(dòng)模型

式 (5a)為主閥芯打開過程運(yùn)動(dòng)方程，式(5b)為主閥芯關(guān)閉過程運(yùn)動(dòng)方程。

式中：mz為主閥芯組件質(zhì)量，kg；Fzt1為主閥彈簧安裝力，N；Fzt2為主閥彈簧工作力，N；Fzy1和Fzy2為液壓不平衡力，N；Fzf為摩擦力，N。

2.3 氣路模型

先導(dǎo)膜片式電磁閥包含4個(gè)控制腔，分別為主閥芯上下2個(gè)腔和導(dǎo)閥芯左右2個(gè)腔。主閥左右2個(gè)腔通過膜片上的節(jié)流孔連通，導(dǎo)閥芯上下2個(gè)腔通過導(dǎo)閥芯上的渦流槽連通。根據(jù)能量守恒和質(zhì)量守恒可得各個(gè)控制腔內(nèi)氣體狀態(tài)變化的微分方程如下：

式中：ρ為腔內(nèi)氣體的密度，kg/m3；T為腔內(nèi)氣體的溫度，K；p為控制腔內(nèi)氣體的壓力，Pa；h為腔內(nèi)氣體的焓，J；hin和hout分別為流進(jìn)和流出控制腔的氣體焓，J；Qin和Qout分別為流入和流出控制腔的氣體流量，kg/s；m為腔內(nèi)氣體的質(zhì)量，kg；x為主閥芯或?qū)чy芯的位移，m；V為控制腔體積，m3；A為控制腔截面積，m2。

閥內(nèi)各控制腔之間的氣體通道以及電磁閥出入口按節(jié)流孔進(jìn)行處理，流入和流出控制腔的氣體質(zhì)量流量按氣體經(jīng)過節(jié)流截面的流量公式計(jì)算。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 仿真模型的建立

AMESim是一種高級(jí)建模仿真軟件，具有豐富的模型庫(kù)，利用各個(gè)模塊的組合，能方便、準(zhǔn)確地建立動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模型。先導(dǎo)膜片式電磁閥由導(dǎo)閥和主閥組成，涉及電、磁、機(jī)、氣多個(gè)領(lǐng)域知識(shí)，本文基于AMESim軟件建立先導(dǎo)膜片式電磁閥的物理模型，如圖2所示。通過調(diào)用各個(gè)模塊的參數(shù)，并利用分析工具，可以直觀清楚的分析出電流、響應(yīng)時(shí)間、位移等各個(gè)動(dòng)態(tài)量的變化信息。

由圖2可知，此模型涉及AMESim中的氣動(dòng)、電磁、機(jī)械、信號(hào)等模型庫(kù)，根據(jù)閥門的結(jié)構(gòu)和研究對(duì)象選擇合理的子模型，然后根據(jù)具體結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)置參數(shù)，完成建模后設(shè)置仿真參數(shù)，步長(zhǎng)設(shè)為0.000 1 s，仿真模式為動(dòng)態(tài)仿真。計(jì)算時(shí)，按下表進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。設(shè)置t=1 s時(shí)刻線圈電壓為24 V（通電），1.4 s后線圈電壓為0 V（斷電），仿真總時(shí)間為3 s。

表1 先導(dǎo)膜片式電磁閥主要結(jié)構(gòu)及工況參數(shù)Tab.1 Main structure and parameters of pilot-operated diaphragm solenoid valve

3.2 導(dǎo)閥對(duì)響應(yīng)特性的影響

先導(dǎo)膜片式電磁閥的響應(yīng)時(shí)間由導(dǎo)閥響應(yīng)時(shí)間和主閥芯運(yùn)動(dòng)時(shí)間兩部分組成，因此，提高導(dǎo)閥的響應(yīng)時(shí)間有助于加快閥門的響應(yīng)。仿真可知導(dǎo)閥打開響應(yīng)時(shí)間15 ms，關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間43 ms，關(guān)閉比打開時(shí)間長(zhǎng)，這是由于線圈斷電時(shí)，電流釋放較慢，占用了部分時(shí)間，導(dǎo)致關(guān)閉時(shí)間延長(zhǎng)。

由圖3可知，先導(dǎo)膜片式電磁閥工作初期，主閥自身有一打開、關(guān)閉的過程，此時(shí)導(dǎo)閥雖未通電動(dòng)作，但由于主閥膜片上腔無介質(zhì)壓力，介質(zhì)充填瞬間，膜片下腔壓力大于上腔壓力，主閥打開；隨著介質(zhì)的充填，膜片上、下腔壓力逐漸平衡，主閥芯在復(fù)位彈簧力的作用下自動(dòng)關(guān)閉，這種現(xiàn)象只在閥門工作初期才會(huì)出現(xiàn)，當(dāng)閥門正常工作后，該現(xiàn)象就會(huì)消失，其持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短與膜片上腔建壓速率密切相關(guān)。從仿真曲線可以看出，主閥打開響應(yīng)時(shí)間136 ms，關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間158 ms，而導(dǎo)閥打開、關(guān)閉的響應(yīng)時(shí)間分別占總響應(yīng)時(shí)間的11%和27%，相對(duì)而言，導(dǎo)閥關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間對(duì)主閥響應(yīng)時(shí)間影響更大一些。通過分析，增大導(dǎo)閥復(fù)位彈簧力或增加釋放電路的方法，可有效減少導(dǎo)閥的關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間，從而在一定程度上降低導(dǎo)閥對(duì)響應(yīng)特性的影響。

3.3 節(jié)流孔對(duì)響應(yīng)特性的影響

由圖4可以看出，當(dāng)節(jié)流孔0.8 mm時(shí)，主閥打開響應(yīng)時(shí)間63 ms，關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間780 ms；當(dāng)節(jié)流孔1.5 mm時(shí)，主閥打開響應(yīng)時(shí)間228 ms，關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間107.5 ms。隨著節(jié)流孔的增大，閥門的打開響應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間越短。說明當(dāng)節(jié)流孔增大時(shí)，膜片上腔通過導(dǎo)閥的泄壓速率和節(jié)流孔的建壓速率越接近，導(dǎo)致閥門打開時(shí)間延長(zhǎng)。關(guān)閉時(shí)，膜片上腔建壓的速率相應(yīng)加快，有利于主閥芯的關(guān)閉，閥門的關(guān)閉時(shí)間越短。

3.4 入口壓力對(duì)響應(yīng)特性的影響

由圖5可以看出，當(dāng)入口壓力為0.3～1.2 MPa時(shí)，主閥打開響應(yīng)時(shí)間為228～234 ms，關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間為107.5～120 ms，說明入口壓力在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，對(duì)閥門響應(yīng)時(shí)間的影響較小；當(dāng)入口壓力降低至0.2 MPa時(shí)，膜片上腔泄壓速率變慢，導(dǎo)致打開響應(yīng)時(shí)間增大，此時(shí)主閥打開響應(yīng)時(shí)間823 ms，關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間180 ms；說明工作壓差較小時(shí)，入口壓力的變化對(duì)主閥打開響應(yīng)時(shí)間影響較大，關(guān)閉過程由于主閥芯受彈簧力和介質(zhì)力的共同作用，特別是在低壓工況下，入口壓力的變化對(duì)關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間的影響相對(duì)較小。

3.5 彈簧剛度對(duì)響應(yīng)特性的影響

由圖6可以看出，當(dāng)彈簧剛度為2.5 N/mm時(shí)，主閥打開響應(yīng)時(shí)間228 ms，關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間107.5 ms；當(dāng)彈簧剛度為7 N/mm時(shí)，當(dāng)主閥打開響應(yīng)時(shí)間1 100 ms，關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間101 ms。隨著主閥復(fù)位彈簧剛度的增大，閥門打開響應(yīng)時(shí)間增大，關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間幾乎保持不變。彈簧剛度的增大導(dǎo)致膜片上腔泄壓速率變慢，致使打開響應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)。關(guān)閉過程，由于膜片有效面積較大，介質(zhì)作用力遠(yuǎn)大于彈簧力，因此，彈簧剛度的變化對(duì)閥門關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間影響不大。3.6 彈簧力對(duì)響應(yīng)特性的影響

由圖7可以看出，當(dāng)彈簧力為2.5 N時(shí)，主閥打開響應(yīng)時(shí)間228 ms，關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間107.5 ms；當(dāng)彈簧力為30 N時(shí)，當(dāng)主閥打開響應(yīng)時(shí)間1080 ms，關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間97 ms。隨著主閥復(fù)位彈簧力的增大，閥門打開響應(yīng)時(shí)間增大，關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間減小。彈簧力的增大導(dǎo)致膜片上腔泄壓速率變慢，致使打開響應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)。當(dāng)彈簧力增大到一定值時(shí)，主閥芯將無法開啟。關(guān)閉過程，由于介質(zhì)作用力遠(yuǎn)大于彈簧力，因此，彈簧力的變化對(duì)閥門關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間影響不大。

4 結(jié)論

通過AMESim軟件對(duì)先導(dǎo)膜片式電磁閥進(jìn)行仿真，分析了各參數(shù)對(duì)其動(dòng)態(tài)特性的影響。先導(dǎo)膜片式電磁閥的響應(yīng)特性與膜片上腔建壓速率密切相關(guān)，節(jié)流孔對(duì)響應(yīng)時(shí)間的影響因素較大，隨著節(jié)流孔的增大，閥門的打開響應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間越短；入口壓力在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，對(duì)閥門響應(yīng)時(shí)間的影響較小；隨著彈簧剛度、彈簧力的增大，閥門打開響應(yīng)時(shí)間增大，關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間幾乎保持不變。因此，先導(dǎo)膜片式電磁閥設(shè)計(jì)時(shí)需關(guān)注導(dǎo)閥閥座孔徑與節(jié)流孔徑的匹配關(guān)系，根據(jù)系統(tǒng)需求選擇合適的匹配關(guān)系。

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（編輯：陳紅霞）

AMESim-based simulation analysis on dynamic characteristics of pilot-operated diaphragm solenoid valve

XU Dengwei,YOU Yurong,YUAN Hongbin,ZHAO Shuanglong
（Xi’an Aerospace Propulsion Institute,Xi’an 710100,China）

The mechanical structure and working principle of a pilot-operated diaphragm solenoid valve are introduced.A mathematical model for coupling of multi-physical processes is set up.The AMESim-based dynamic simulation model of the pilot-operated solenoid valve is built.The influences of throttling orifice,work pressure,spring stiffness and spring force on the dynamic response characteristics of the pilot-operated diaphragm solenoid valve are analyzed.The results show that throttling orifice has a great influence on the response time of the pilot-operated diaphragm solenoid valve,and the opening response time prolongs and the close response time decreases with increase of the throttling orifice.The method in this paper can be applied to the design and analysis of pilot-operated solenoid valve,and has a certain value in engineeringapplication.

pilot-operated diaphragm solenoid valve;dynamic characteristic;AMESim;simulation

V434-34

A

1672-9374(2017)04-0041-05

2015-09-15；

2015-10-11

基礎(chǔ)科研項(xiàng)目（JCKY2016203C050）

徐登偉（1985—），男，工程師，研究領(lǐng)域?yàn)橐后w火箭發(fā)動(dòng)機(jī)閥門設(shè)計(jì)