電磁脈沖閥動態(tài)性能的AMESim仿真及雙壓控制改進(jìn)

何志壯， 葉 騫

(1.上海交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 上海 200240； 2.中國科學(xué)院 上海天文臺射電天文科學(xué)與技術(shù)研究室， 上海 200030)

引言

脈沖袋式除塵器自20世紀(jì)50年代問世以來，已經(jīng)取得了很大的發(fā)展，在工程上具有廣泛的應(yīng)用，尤其在尾氣清灰處理方面具有重要的應(yīng)用價值[1]。電磁脈沖閥是袋式除塵器的重要部分。國內(nèi)對于脈沖閥的研究主要包括流量特性、清灰性能、清灰機(jī)理、閥片有限元分析等方面，均取得了不少的研究成果[2-5]。電磁脈沖閥涉及機(jī)械、電磁、氣動等領(lǐng)域， 氣路結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，難以從理論公式對脈沖閥進(jìn)行分析和改進(jìn)。本研究基于已有的高速開關(guān)閥、比例閥等電磁閥的AMESim系統(tǒng)仿真模型[6-9]，以某公司提供的脈沖閥產(chǎn)品為研究對象進(jìn)行系統(tǒng)建模，并且基于該系統(tǒng)模型應(yīng)用雙壓控制策略進(jìn)行了仿真改進(jìn)設(shè)計和實驗驗證，以此建立了一套以仿真實驗為基礎(chǔ)的性能改進(jìn)方案。

1 電磁脈沖閥結(jié)構(gòu)和原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)

電磁脈沖閥的主要結(jié)構(gòu)由主閥、先導(dǎo)閥、膜片、閥體以及相應(yīng)連接固定零件組成，工作介質(zhì)為空氣。與普通電磁閥相比，脈沖閥的特點(diǎn)在于通過先導(dǎo)閥內(nèi)較小的電磁吸力來控制主閥上下腔形成較大壓差，從而快速開啟閥口，進(jìn)而可以同時滿足高壓、大流量等工況要求，先導(dǎo)膜片式電磁脈沖閥結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.極靴 2.線圈 3.先導(dǎo)閥復(fù)位彈簧 4.先導(dǎo)閥閥芯 5.節(jié)流孔 6.主閥復(fù)位彈簧 7.主閥組件與膜片

1.2 工作原理

脈沖閥噴吹過程的工作原理[10]：在脈沖閥噴吹控制儀的作用下，先導(dǎo)閥的線圈通電，線圈產(chǎn)生電磁吸力克服先導(dǎo)閥復(fù)位彈簧的預(yù)緊力，驅(qū)動先導(dǎo)閥閥芯運(yùn)動至開啟狀態(tài)。此時主閥芯上腔與大氣連通，壓力迅速下降，在膜片兩側(cè)形成了上部分低氣壓下部分高氣壓的壓力分布。在上下壓差形成的壓力大于主閥膜片組件受到的復(fù)位彈簧預(yù)緊力和其他阻力的情況下，主閥開始向上運(yùn)動直至主閥完全打開，進(jìn)口氣流向出口流出，開啟噴吹過程；當(dāng)控制信號斷開，線圈斷電時，電磁吸力消失，先導(dǎo)閥閥芯在復(fù)位彈簧的作用下復(fù)位形成密封，先導(dǎo)閥閥芯關(guān)閉。入口氣體通過節(jié)流孔持續(xù)流入主閥上腔使得氣壓不斷升高至膜片上下壓力恢復(fù)平衡。于是，主閥膜片組件受彈簧力影響下降，主閥關(guān)閉，進(jìn)口氣流被隔開，噴吹過程結(jié)束。

2 電磁脈沖閥數(shù)學(xué)模型

先導(dǎo)式電磁脈沖閥動態(tài)特性的影響因素包含電磁變化、機(jī)械運(yùn)動、氣體流動。為便于計算，提出以下假設(shè)條件[6]：

(1) 忽略內(nèi)部傳熱過程；

(2) 流體為理想氣體；

(3) 所有非工作氣隙磁阻等效為1個磁阻。

2.1 電磁模型

先導(dǎo)閥的驅(qū)動電路方程按式(1)計算：

(1)

式中,U—— 線圈兩端的電壓，V

I—— 線圈通過的電流，A

R—— 線圈電阻，Ω

N—— 線圈匝數(shù)，T

t—— 通電時間，s

φ—— 磁通量，Wb

根據(jù)安培環(huán)路定律，可得出磁路數(shù)學(xué)模型，見式(2)：

IN=φδRδ+HBLB

(2)

式中，φδ—— 氣隙的磁通量，Wb

Rδ—— 氣隙磁阻，Ω

HB—— 磁場強(qiáng)度，A/m

LB—— 磁路長度，m

根據(jù)麥克斯韋吸力計算公式，先導(dǎo)閥銜鐵受到的電磁吸力表達(dá)式為式(3)：

(3)

式中，S—— 氣隙處的銜鐵面積，m2

μ0—— 真空磁導(dǎo)率，H/m

2.2 運(yùn)動模型

1) 先導(dǎo)閥運(yùn)動模型[6]

根據(jù)牛頓第二定律，先導(dǎo)閥吸合和釋放過程中閥芯的運(yùn)動方程為：

(4)

式中，md—— 先導(dǎo)閥閥芯質(zhì)量，kg

Fdc—— 電磁吸力，N

F0—— 彈簧預(yù)緊力，N

Fx—— 彈簧力，N

Ff—— 摩擦力，N

Fq—— 壓差造成的壓力，N

2) 主閥運(yùn)動模型[6]

主閥開啟和關(guān)閉過程中閥芯的運(yùn)動方程為：

(5)

式中,mz—— 主閥芯質(zhì)量，kg

Fqy1，F(xiàn)qy2—— 開啟和關(guān)閉過程中的壓差力，N

Fz0—— 主閥彈簧的預(yù)緊力，N

Fzx—— 主閥彈簧的工作力，N

Ff—— 摩擦力，N

2.3 氣路模型

先導(dǎo)膜片式電磁脈沖閥包含主閥膜片組件的上下腔和先導(dǎo)閥閥芯上下腔。主閥膜片組件的上下腔由膜片上的節(jié)流孔相連，導(dǎo)閥閥芯上下腔通過導(dǎo)閥芯與導(dǎo)閥底座閉合隔開。導(dǎo)閥上腔通過閥芯與導(dǎo)向管之間的間隙與主閥上腔的管道連通，各氣腔內(nèi)氣體的狀態(tài)變化微分方程如下[6]：

(6)

式中，ρ—— 介質(zhì)氣體的密度，kg/m3

T—— 閥內(nèi)氣體的溫度，K

p—— 氣體壓力，MPa

h—— 閥內(nèi)氣體的焓，J

hin，hout—— 流入和流出氣腔的氣體焓，J

Qin，Qout—— 流入和流出氣腔的氣體流量，kg/s

m—— 氣體的質(zhì)量，kg

x—— 閥芯位移，m

V—— 氣腔體積，m3

A—— 氣腔截面積，m2

3 系統(tǒng)模型建立和仿真結(jié)果驗證

3.1 系統(tǒng)模型的建立

AMESim是液壓氣動領(lǐng)域常用的建模仿真軟件，其優(yōu)點(diǎn)在于具備多領(lǐng)域的元件模型庫，通過各領(lǐng)域不同功能的模塊相組合，能方便、準(zhǔn)確地建立起涉及多領(lǐng)域的系統(tǒng)仿真。先導(dǎo)式電磁脈沖閥的仿真涉及電磁、機(jī)械、氣路等多領(lǐng)域模型，本研究使用AMESim軟件來完成先導(dǎo)膜片式電磁脈沖閥的系統(tǒng)仿真模型建立，系統(tǒng)模型如圖2所示。

圖2 先導(dǎo)膜片式脈沖閥仿真模型

由圖2可知，此系統(tǒng)仿真模型包含了氣動、電磁、機(jī)械、信號等模型庫，系統(tǒng)用到的主要子模型見表1，根據(jù)具體結(jié)構(gòu)和工況設(shè)置的參數(shù)見表2。

表1 先導(dǎo)膜片式脈沖閥主要子模型

表2 先導(dǎo)膜片式脈沖閥參數(shù)

3.2 仿真結(jié)果驗證

在建立了脈沖閥的系統(tǒng)仿真模型后，需要通過實驗驗證系統(tǒng)仿真模型的準(zhǔn)確性，實驗裝置的原理圖如圖3所示，脈沖閥實驗驗證的測試臺如圖4所示。

1.氣源和過濾器 2.調(diào)壓閥 3.進(jìn)氣控制閥 4.等溫容器 5.脈沖閥

實驗驗證方法采用等溫容器放氣法[11]對脈沖閥進(jìn)行流量特性測試，并設(shè)定仿真的系統(tǒng)模型與實驗條件一致，以等溫容器內(nèi)氣壓曲線為參考目標(biāo)，通過調(diào)整模型中脈沖閥前后測壓管的直徑長度來替代等效流阻以修正仿真結(jié)果。

從脈沖閥的結(jié)構(gòu)上可以初步判斷該款脈沖閥流量較大，根據(jù)ISO 6358等溫容器放氣法的標(biāo)準(zhǔn)要求，填充的換熱材料為銅絲，直徑為50 μm，填充密度為0.3 kg/L[12]。如圖4所示，在等溫容器和脈沖閥之間以及脈沖閥出口與大氣之間均有連接測壓管，用于保證脈沖閥進(jìn)出口氣壓測量時處于穩(wěn)定狀態(tài)。圖中的壓力傳感器3，4分別測量容器內(nèi)氣壓p1和出口氣壓p3，由于容器內(nèi)氣壓在等溫容器放氣法中可用于計算流量，出口氣壓為改進(jìn)的目標(biāo)參數(shù)，因此該兩處的氣壓測量對精度要求較高，所選傳感器型號為 DRUCK-PMP4010，測量范圍為0～1 MPa，測量精度為0.05%。壓力傳感器5用于測量脈沖閥進(jìn)口氣壓p2，所選型號為SMC公司的PSE540A-R06，測量范圍為0～1 MPa，測量精度為1%，測試裝置的主要參數(shù)見表3。實驗測試過程：首先，調(diào)節(jié)等溫容器進(jìn)氣口的調(diào)壓閥，控制容器內(nèi)氣壓為設(shè)定值，關(guān)閉進(jìn)氣口；其次，通過控制電路使得脈沖閥保持持續(xù)開啟的狀態(tài) ，此時在壓差作用下持續(xù)放氣，直到結(jié)束；最后，關(guān)閉脈沖閥，對傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1.脈沖閥 2.等溫容器 3-5.壓力傳感器 6、7.ISO 6358標(biāo)準(zhǔn)測壓管 8.控制電路

表3 脈沖閥測試裝置參數(shù)與指標(biāo)

容器內(nèi)氣壓變化曲線仿真和實驗對比如圖5所示。由圖5可知，在上游壓力較大的情況下，仿真和實驗數(shù)據(jù)較為一致，隨著噴吹進(jìn)行，在較低壓的情況下誤差較大，最大誤差為3.6%。脈沖閥的實際工作壓力范圍為0.2～0.3 MPa，此壓力段的相對誤差最大僅為0.89%。該系統(tǒng)仿真模型和實驗數(shù)據(jù)的誤差在可允許范圍內(nèi)，驗證了目前的系統(tǒng)仿真模型的準(zhǔn)確性。

圖5 等溫容器放氣過程容器氣壓變化仿真實驗對比

4 脈沖閥性能改進(jìn)

4.1 改進(jìn)指標(biāo)

脈沖閥噴吹性能改進(jìn)的首要問題是確定改進(jìn)目標(biāo)。查閱參考文獻(xiàn)[13]，目前行業(yè)內(nèi)對脈沖閥性能的衡量和評價指標(biāo)有：脈沖閥噴吹壓力峰值、脈沖閥噴吹壓力上升速率、脈沖閥噴吹加速度峰值、閥體阻力、氣脈沖時間、噴吹氣量、流量系數(shù)值、有效截面積、壅塞流態(tài)下的有效截面積、臨界壓力比等。本研究將脈沖閥從接受信號到壓力峰值的時間作為脈沖閥動態(tài)響應(yīng)性能的主要指標(biāo)。

4.2 雙壓控制方案

在直螺線管電磁鐵的改進(jìn)方案中，常見的是對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計[14]，以及通過分析電磁吸力的影響因素提高電磁吸力[15]。隨著高速開關(guān)閥領(lǐng)域中對電磁閥動作頻率提升的研究逐漸深入，劉雨晨[16]提出了一種螺線管型電磁閥的運(yùn)動分析方法和階梯控制策略。相比于傳統(tǒng)電磁閥控制方案采用單電壓加載一定脈沖寬來控制電磁閥的開啟，雙壓控制方案的主要思路在于用一高一低的電壓來替代原先的單電壓控制方案，在保持工作性能的前提下，能起到降低能耗、提高動態(tài)響應(yīng)的作用。如何有效地設(shè)定高低電壓值和高低電壓加載時間則需要對脈沖閥導(dǎo)閥部分進(jìn)行詳細(xì)的運(yùn)動學(xué)分析。

雙壓控制的控制思路為選取不同電壓值Uhigher以及Ulower來控制電磁閥。高電壓Uhigher控制時間t1為電磁閥上升運(yùn)動的結(jié)束時間，保證以高壓狀態(tài)進(jìn)行快速上升。在上升運(yùn)動結(jié)束的時候，調(diào)節(jié)為低電壓Ulower控制，Ulower為滿足電磁閥恰好啟動的最小起勵電壓。在保持Ulower的狀態(tài)下，電磁閥以最小能耗維持電磁閥的工作狀態(tài)。

通過圖6的先導(dǎo)閥吸力測試平臺對先導(dǎo)閥進(jìn)行吸力、電流的測試，得到先導(dǎo)閥的起勵電壓為8 V。

1.拉壓力傳感器 2.支架 3.固定連接軸 4.實驗臺底座 5.先導(dǎo)閥 6.滑板

根據(jù)吸力測試結(jié)果，依據(jù)文獻(xiàn)[16]中提到的改進(jìn)電壓控制策略對脈沖閥進(jìn)行理論分析，其中先導(dǎo)閥上升過程運(yùn)動學(xué)微分方程組如下：

(7)

其中，B—— 銜鐵運(yùn)動的相關(guān)阻尼系數(shù)，N·s/m

K—— 彈簧剛度

選取Uhigher的電壓值為48 V后，可通過Runge-Kutta公式求解微分方程得加載時間為20 ms。單壓控制和雙壓控制的導(dǎo)閥位移仿真結(jié)果如圖7所示，其中圖7a為控制電壓信號曲線和位移整體曲線，圖7b和圖7c分別為上升段和下降段放大后的仿真曲線。

圖7 單壓和雙壓控制電壓及導(dǎo)閥位移仿真曲線

為便于分析，現(xiàn)定義啟動時間為從0%到2%位移峰值的時間，上升時間為2%位移峰值到98%位移峰值的時間，穩(wěn)定時間為上升至98%位移峰值和下降為98%位移峰值之間的時間，下降時間為98%位移峰值到2%位移峰值的時間。啟動時間與上升時間之和稱為響應(yīng)時間，單壓和雙壓控制的仿真結(jié)果對比即時間數(shù)據(jù)對比如表4所示。

由表4可得，雙壓控制下導(dǎo)閥響應(yīng)時間從7 ms減少到了4 ms，減少了42.8%的響應(yīng)時間，吸合時間略微增加，由原先的327 ms增加到329 ms，增加了0.6%，下降時間從7 ms 增加到了8 ms，增加了14.3%。由此可知，雙壓控制方案可以有效地提高閥芯位移的動態(tài)響應(yīng)。性能改進(jìn)的主要目標(biāo)為出口氣壓的動態(tài)響應(yīng)，因此下一步將對氣路模型部分進(jìn)行單雙壓控制仿真實驗對比。

表4 單壓和雙壓控制位移的仿真結(jié)果對比 ms

根據(jù)圖2中的脈沖閥氣路模型，設(shè)置氣源壓力為0.2 MPa以及室溫293.15 K的環(huán)境參數(shù)，閥口進(jìn)口與下氣室，上氣室與導(dǎo)閥之間的管路均設(shè)置為節(jié)流孔模塊，膜片組件由質(zhì)量模塊、擋板滑閥模塊組成，氣路模型部分膜片出口氣壓仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 單壓和雙壓控制電壓及出口氣壓仿真曲線

氣壓變化的4段時間定義與導(dǎo)閥位移分析中的定義類似，取5%氣壓峰值和95%氣壓峰值為分界點(diǎn)。同理，從圖7中可以得到仿真結(jié)果如表5所示。

表5 單壓和雙壓控制出口氣壓的仿真結(jié)果對比

由表5可得，雙壓控制下脈沖閥出口氣壓的響應(yīng)時間從11 ms減少到了9 ms，減少了18.2%的響應(yīng)時間，下降時間從5 ms 減少到了4 ms，減少了20%。仿真驗證表明，雙壓控制方案可以有效地提高脈沖閥出口氣壓的動態(tài)響應(yīng)，以及減少關(guān)閉所需的時間。在仿真驗證有效的基礎(chǔ)上，下一步通過實驗進(jìn)行單雙壓控制下的脈沖閥性能對比，實驗結(jié)果如圖9所示，同樣的讀取4段時間以及氣壓峰值，見表6。

圖9 單壓和雙壓控制電壓及出口氣壓實驗曲線

表6 單壓和雙壓控制出口氣壓的實驗結(jié)果對比

由表6可知，雙壓控制下脈沖閥出口氣壓的響應(yīng)時間從27 ms減少到了24 ms，減少了11.1%的響應(yīng)時間，吸合時間由216 ms減少到215 ms，減少了0.8%，下降時間由13 ms減少到了12 ms，減少了7.7%。實驗驗證表明，雙壓控制方案可以有效地提高脈沖閥出口氣壓的動態(tài)響應(yīng)，以及減少關(guān)閉所需的時間。

為研究不同高電壓對于脈沖閥動態(tài)響應(yīng)的影響，設(shè)置不同的高電壓進(jìn)行仿真和實驗分析。選取高電壓分別為30， 36， 42， 48， 52 V，計算相應(yīng)的控制時間26， 24， 22， 20， 18 ms進(jìn)行仿真和實驗，對比不同高電壓控制下的脈沖閥出口上升段響應(yīng)曲線， 仿真結(jié)果如圖10所示， 實驗結(jié)果如圖11所示。 各電壓下仿真和實驗的響應(yīng)時間數(shù)據(jù)，如表7所示。

圖10 不同高電壓下的脈沖閥出口氣壓響應(yīng)仿真曲線

圖11 不同高電壓下的脈沖閥出口氣壓響應(yīng)實驗曲線

由表7可知，隨著高電壓值的提高，脈沖閥出口氣壓上升速度越快，但速度的增幅隨著高電壓值提高而減小。這是由于隨著電壓的提高，電磁吸力的增大幅度相應(yīng)地減小。選用最大的54 V高電壓值相比單壓24 V控制響應(yīng)時間減少了3.2 ms，減少幅度為11.9%。但實際工況下，高電壓的選取受供電設(shè)備、能耗要求、線圈熱損耗等因素制約。因此，實際運(yùn)用需結(jié)合不同工況要求選擇合適的高電壓值。

表7 不同高電壓下氣壓響應(yīng)時間實驗與仿真結(jié)果對比

以上實驗結(jié)果和仿真結(jié)果的誤差主要在于上升時間數(shù)值本身存在誤差，仿真結(jié)果中上升時間較實驗結(jié)果較小的主要原因在于實驗條件下閥芯受到的摩擦力等阻力未能在仿真中準(zhǔn)確設(shè)定，其次由于上升時間本身很小，軟磁材料本身的磁滯現(xiàn)象也會導(dǎo)致上升時間的偏差。

5 結(jié)論

本研究使用AMESim軟件對先導(dǎo)膜片式電磁脈沖閥進(jìn)行了系統(tǒng)仿真建模，并搭建了流量特性測試平臺，以此驗證了系統(tǒng)模型的準(zhǔn)確性。結(jié)合參考文獻(xiàn)，提出了一種基于雙電壓階梯控制脈沖閥的性能改進(jìn)方案，并通過仿真分析和實驗測試，均驗證了該方案確實能提高脈沖閥出口氣壓的動態(tài)響應(yīng)。從實驗結(jié)果上看，48 V的雙壓控制方案能減少11.1%的響應(yīng)時間。通過對不同高電壓值的仿真和實驗分析，得到了高電壓值越大，響應(yīng)越快的結(jié)論，但受實際工況影響，高電壓值的選取應(yīng)受到設(shè)備、能耗等條件制約。