新型電磁閥流通特性研究

楊揚

(晉中職業技術學院車輛工程學院，山西晉中 030060)

0 引言

由于某企業研發生產的高通過性越野車，特殊的工作狀況使得車輛需要連續不斷地長時間在惡劣環境下運行，所以對整車性能的穩定性要求極高。而該企業研發的某型號特種高通過性越野車，在長時間運行中變速器換擋時存在異常響動，同時換擋不能順利完成的故障。針對這一故障現象，本文作者研發出一種適合于長時間運行的換擋電磁閥[1]，并有效解決企業研發車輛存在的問題，經過長時間實際行車中，故障現象沒有再次發生。故通過解決上述問題，將研究方法和產品進行描述；同時也為了滿足國內市場高通過性車輛對液壓元件的特殊需求，以及提供一種液壓元件設計和指導方法。文中主要基于AMESim軟件及數值模擬的方法，來研究換擋電磁閥的動態特性，從而對其進行優化處理[2]。

1 設計說明

文中研究的電磁閥屬于一款市場上比較常見的兩位三通閥，其實現的功能也是簡單的開啟和閉合[2]，但是在結構上和市場上的換向閥存在很大不同之處，其結構方面擁有新穎和獨創性[1]。

根據某企業研發生產的特種設備車輛，主要考慮到安裝位置的特殊和局限性，以及其工作特殊性的要求，提出如下設計標準。

(1)換向時間應小于40 ms；

(2)整個系統在3.2 MPa工作時，測試得到的泄漏量應在15 mL/min以內；

(3)整個液壓工作時規定流量為3.0 L/min時，測試得到的壓差應該在0.25 MPa以內；

(4)總質量應小于500 g，同時在結構方面也有嚴格的要求，否則無法安裝。

2 電磁閥的結構

針對某企業研發生產的特殊高通過性越野車輛工作特殊性，以及經常和長時間行駛在惡劣的道路環境；同時考慮到與其他液壓元件的協調性和安裝位置，設計出來的電磁閥結構示意圖如圖1所示。

圖1 換擋電磁閥結構

3 選定最佳運動參數

3.1 HCD模型

為了更好地研究該閥來解決特殊車輛換擋的不穩定性，在充分解讀和剖析實際車型上換擋閥內部結構，集合需要解決的問題對其進行了合理簡化處理。

這種結構的閥主要有磁極、閥身及球型芯三部分；其工作過程為沒有接通電源時，球閥閥芯8在內部螺旋彈簧2的強制壓力下球閥與閥座緊緊貼合，這個時候工作介質只能流向油箱中；當磁極通電時產生吸力將彈簧力消除，球閥閥芯在液動力作用下處于開啟狀態，此時工作介質可以通過P到達A，這個時候回油口T關閉[5]。最終確定HCD模型如圖2所示。

圖2 HCD電磁換擋閥模型

3.2 原始參數

液壓閥原始參數見表1。

表1 液壓閥原始參數

3.3 流通特性研究

對于液壓元件的流通能力，可以通過進出口的壓差損失來反應，壓差損失越小流通能力越好，閥的性能也越好[6],壓差損失特性如圖3所示。

圖3 壓差損失特性

3.3.1 進油口流量與流通特性關系

車輛最初設計為2.8 L/min，現在探究流量為2.4、2.8、3.2 L/min流量下進出口壓強特性，仿真數據如圖4和圖5所示。

圖4 流量對出口端壓力的影響

圖5 流量對進口端壓力的影響

由圖可知，2.4 L/min壓力損失為0.139 855 MPa；2.8 L/min壓力損失為0.190 729 MPa；3.2 L/min壓力損失為0.249 068 MPa。由圖還可以看出：系統壓強差隨著進口流量的增加，壓差也在逐漸增大，達到一定程度時趨于穩定狀態，表明隨著流量的增大閥的流通能力逐漸降低。

通過以上對不同進口流量數據可以看出，進油口流量對閥的整體性能有明顯的影響，所以在設計過程中要選擇合理的流量來提升整體閥的流通性能。

3.3.2 進油口直徑與壓差特性關系

探究了不同進油口直徑對壓差特性的影響，分別對直徑為1.6、2.0、2.4 mm進行模擬分析，結果如圖6和圖7所示。

圖6 進油口直徑對出口端壓力的影響

圖7 進油口直徑對進口端壓力的影響

通過批處理得到的模擬結果可以看出：進油口直徑是1.6 mm 時，進油口與出油口壓差為0.364 686 MPa；進油口直徑是2.0 mm時，進油口與出油口壓差為0.190 611 MPa；進油口直徑是2.4 mm時，進油口與出油口壓差為0.090 716 MPa。

在以上得到的數據圖中可以看出：壓力損失隨著進油口直徑增大反而降低，進油口直徑與壓差呈負相關，說明進油口直徑越大閥的流通性能越好[7]。

3.3.3 閥芯直徑對壓力損失性能的影響

以下探究球閥閥芯直徑和壓差特性的關系，分別對閥芯直徑為2.6、3.0、3.4 mm進行仿真分析,結果如圖8和圖9所示。

圖8 閥芯直徑對出口端壓力的影響

圖9 閥芯直徑對進口端壓力的影響

由圖可以看出，其中球閥閥芯直徑為2.6 mm時仿真提示邏輯性錯誤，也就是這個參數不符合設計要求仿真無意義；球閥閥芯直徑是3.0 mm時，進油口與出油口之間壓差為0.194 408 MPa；當球閥閥芯直徑是3.4 mm時，進油口與出油口之間壓差為0.086 764 MPa。

從以上批處理仿真得到的數據可以看出：在球閥設計時一定要符合設計要求，否則閥在運行過程中可能出現機械故障；壓差特性隨著閥芯直徑的增大而降低，可見壓差特性與球閥直徑呈負相關，在一定范圍內球閥直徑越小流體性能越好。

4 結論

文中分別探究了進油口流量與壓差特性之間的關系，進油口直徑與壓差特性之間的關系，球閥直徑與壓差特性之間的關系。從模擬得到的數據結果可以看出，進油口流量與壓差呈正相關，進油口直徑與壓差呈負相關，球閥直徑與壓差呈負相關。通過以上得到的模擬結果以及結論，可以為今后同類產品研發給出指導[8]。