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      液力平衡形式開關(guān)電磁閥流量及動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性仿真研究

      2017-03-09 21:03:47李波
      祖國(guó) 2017年2期

      李波

      摘要:本文介紹了液力平衡形式開關(guān)電磁閥的工作原理,并以電磁閥的流量和閥芯的響應(yīng)特性為優(yōu)化目標(biāo),搭建其AMESim仿真模型,完成了該型開關(guān)電磁閥的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

      關(guān)鍵詞:開關(guān)電磁閥 AMESim 設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化

      開關(guān)式電磁閥是一種電磁控制執(zhí)行器,是控制流體方向的自動(dòng)化基礎(chǔ)元器件,在各行各業(yè)有這廣泛的應(yīng)用。同時(shí),基于仿真平臺(tái)開展的設(shè)計(jì)與優(yōu)化成為越來越被普遍采用的方法。本文采用AMESim仿真平臺(tái),搭建某種液力平衡式開關(guān)電磁閥的詳細(xì)仿真模型,研究其關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)其流量及響應(yīng)特性的影響,并最終完成其優(yōu)化設(shè)計(jì)。

      一、研究對(duì)象

      本文研究對(duì)象為某種液力平衡式電磁閥開關(guān)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(cè)高壓油路通過密封座面泄油。電磁閥斷電后,閥芯在頂部復(fù)位彈簧的作用下關(guān)閉,座面位置形成密封。在閥關(guān)閉狀態(tài),閥芯不受高壓燃油液壓力作用。

      二、電磁閥流量特性數(shù)值計(jì)算

      由閥口(錐臺(tái))幾何流通面積計(jì)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(shí),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(jìn)一步探究液力平衡式開關(guān)電磁閥關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)參數(shù)對(duì)其流量及響應(yīng)特性的影響并最終完成參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì),本文采用AMESim平臺(tái)搭建該開關(guān)電磁閥的詳細(xì)仿真模型,根據(jù)其工作原理,并綜合考慮系統(tǒng)中的泄漏、壓力波動(dòng)等,建立的仿真模型。

      (二)計(jì)算方案的制定

      在滿足閥口流通能力設(shè)計(jì)要求的前提下,以提高銜鐵運(yùn)動(dòng)響應(yīng)為目標(biāo)開展計(jì)算,制訂計(jì)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(yù)緊力等參數(shù)對(duì)開關(guān)電磁閥響應(yīng)特性和實(shí)際通過流量的影響規(guī)律。

      2.確定最終結(jié)構(gòu)參數(shù)方案——根據(jù)單因素優(yōu)化計(jì)算結(jié)果確定因子范圍,進(jìn)行尋優(yōu)計(jì)算獲取最終結(jié)構(gòu)參數(shù)方案。

      3.磨損后所需彈簧預(yù)緊力計(jì)算——通過計(jì)算得出具體磨損寬度對(duì)應(yīng)所需的保證電磁閥正常關(guān)閉的彈簧預(yù)緊力數(shù)值。

      (三)單因素計(jì)算

      1.升程的影響

      升程增大時(shí)開啟響應(yīng)時(shí)間、關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間和流量同時(shí)呈線性增大的趨勢(shì)。流量隨升程的增大而增大,與理論計(jì)算保持一致。

      2.密封直徑的影響

      密封直徑對(duì)銜鐵的啟閉響應(yīng)時(shí)間影響較小,但對(duì)通過流量影響顯著。這是由于該型開關(guān)閥采用平衡結(jié)構(gòu),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(duì)其響應(yīng)特性的影響將加大。

      3.彈簧預(yù)緊力影響

      (1)開啟響應(yīng)時(shí)間隨彈簧預(yù)緊力的增大而顯著增大,關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間隨彈簧預(yù)緊力的增大而顯著下降。預(yù)緊力在兩條曲線相交時(shí)使得不增加開啟響應(yīng)的前提下,關(guān)閉響應(yīng)達(dá)到最小。

      (2)當(dāng)彈簧預(yù)緊力增大一定數(shù)值,在不提高保持電流的前提下,閥芯無(wú)法到最大升程。

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

      (四)磨損后所需彈簧預(yù)緊力計(jì)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(gè)環(huán)狀密封帶,閥芯在開啟過程和關(guān)閉落座過程中都存在液壓力的作用,關(guān)閉過程需要克服這個(gè)環(huán)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(yīng)時(shí)間越來越短,而關(guān)閉響應(yīng)則越來越長(zhǎng)。通過流量基本不隨磨損寬度和彈簧預(yù)緊力變化而變化。

      2.當(dāng)磨損寬度達(dá)到一定數(shù)值,在原有彈簧預(yù)緊力下,閥芯已無(wú)法正常關(guān)閉;

      3.加大彈簧預(yù)緊力可以使得磨損后閥芯正常關(guān)閉。但由上文中閥芯啟閉時(shí)間隨彈簧預(yù)緊力變化規(guī)律可知,預(yù)緊力加大后,閥芯開啟過程時(shí)間變長(zhǎng),甚至無(wú)法開啟。

      因此,磨損后為要保證關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間達(dá)到磨損前的響應(yīng)時(shí)間,彈簧預(yù)緊力就存在一個(gè)最小值。相應(yīng)的,模型要保證閥芯正常開啟,彈簧預(yù)緊力也存在一個(gè)最大限制。

      經(jīng)仿真計(jì)算得到,當(dāng)磨損量使得密封直徑增加0.5mm時(shí),滿足關(guān)閉響應(yīng)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(dāng)座面磨損量較大時(shí)(如0.5mm),雖可采用加大彈簧預(yù)緊力的方式保證開關(guān)電磁閥的正常工作,但對(duì)彈簧及其安裝預(yù)緊力的精度要求較高,電磁閥穩(wěn)定工作的可靠性將大幅下降。因此,建議在對(duì)電磁閥密封錐面進(jìn)行特殊處理,降低其磨損風(fēng)險(xiǎn)和磨損間隔時(shí)間,并使用過程中需定期檢查、及時(shí)更換。

      四、結(jié)語(yǔ)

      本文通過理論及仿真計(jì)算探究了液力平衡式開關(guān)電磁閥關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)其流量和響應(yīng)特性的影響;綜合單因素影響分析和尋優(yōu)計(jì)算結(jié)果確定了電磁閥詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)方案;并校核了不同磨損寬度對(duì)彈簧預(yù)緊力的需求。分析過程中得到的相關(guān)結(jié)論如下:

      (一)該型電磁閥開啟響應(yīng)時(shí)間、關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間和流量隨升程的增大同時(shí)呈線性增大的趨勢(shì);

      (二)密封直徑對(duì)銜鐵的啟閉響應(yīng)時(shí)間影響較小,但對(duì)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(yīng)時(shí)間隨彈簧預(yù)緊力的增大而顯著增大,關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間隨彈簧預(yù)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(yù)緊力的方式可保證電磁閥的正常工作,但對(duì)彈簧及其安裝預(yù)緊力的精度要求較高,電磁閥穩(wěn)定工作的可靠性將大幅下降。

      參考文獻(xiàn):

      [1]賈錫印,李曉波.柴油機(jī)燃油噴射及調(diào)整[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,2001.

      (作者單位:牡丹區(qū)何樓辦事處 簸箕屯小學(xué))

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