直動式電磁閥響應時間的參數影響性研究

冉振華，孫海亮，馬方超，陳二鋒，黃 輝

0 引 言

為實現高度自動化發射，新型運載火箭增壓輸送系統中在控制、吹除、隔離、增壓等閥門中均有電磁閥使用。直動式電磁閥以其結構簡單、可靠性高、響應速度快的特點在貯箱壓力控制方面具有突出優勢。

國內外學者對于電磁閥的動態特性已經有了較廣泛的研究[1～3]，沈赤兵[4]等建立了電動氣閥吸動過程的數學模型并進行了動態特性的數值計算，分析了電動氣閥的動態特性。袁洪濱[5]等建立了基于AMESim的直動式電磁閥動態仿真模型研究了軟磁材料、勵磁電壓等參數對直動式電磁閥動態響應的影響。

本文以運載火箭增壓輸送系統中的電磁閥為對象，基于ANSYS電磁力分析結果建立了包括電磁力變化、機械運動、氣體流動等物理過程的較完整的AMESim模型，基于該模型對入口壓力、初始氣隙、初始彈簧力、閥門通徑和閥后孔板對閥門性能的影響。

1 電磁閥結構、工作原理及使用工況

1.1 電磁閥結構及工作原理

直動式電磁閥結構原理如圖1所示。

圖1 直動式電磁閥結構原理Fig.1 Schematic Diagram of Direct-acting Solenoid Valve

電磁閥工作原理為：通電后，電磁鐵受激建立磁場，閥芯克服氣體力、彈簧力等與套筒組件吸合，電磁閥入口與出口的通道打開；系統斷電，電磁鐵受激磁場消失，閥芯釋放，在彈簧和氣體壓力作用下回位，電磁閥入口與出口的通道關閉。

1.2 直動式電磁閥試驗系統

電磁閥試驗系統如圖2所示。電磁閥入口壓力為20 MPa，電磁閥供電DC27V，通過出口截止閥調節閥后節流元件開度模擬閥后負載，試驗中通過電磁閥電流曲線測試儀記錄電磁閥響應過程電流曲線。

圖2 電磁閥試驗系統Fig.2 Test System of the Solenoid Valve

2 仿真建模

2.1 閥芯受力分析

電磁閥模型中的閥芯的運動包括吸合過程和釋放過程。吸合過程中，當電磁吸力小于反力，閥芯尚未運動時為觸動過程；當電磁吸力大于反力，閥芯開始運動時為運動過程。類似地，釋放過程也分為觸動過程和運動過程。

閥芯的運動方程：

式中pF為閥芯所受氣體壓力；eF為電磁力；sF為彈簧力；fF為閥芯和套筒組件之間的摩擦力；m為閥芯質量。

電磁力可通過ANSYS Multiphysics對電磁場進行計算[6,7]，將分析結果導入到AMESim中，可精確獲得閥芯運動過程中的電磁力，從而獲得電磁鐵閥芯運動規律。計算過程中電磁力通過已有氣隙及電流下的電磁力、磁通量插值計算，同時考慮線圈在通斷電時由于自感電動勢所引起的電磁力響應的延遲。其中線圈中電流通過式（2）計算：

式中 φ為線圈磁通量；I為通過線圈電流；N為線圈匝數；UΔ為線圈兩端電壓；eddyR為渦電阻；R為線圈電阻。

a）閥門開啟觸動過程。

閥門處于閉合狀態，閥芯受力情況如圖3所示，閥芯在氣體力、彈簧力和接管嘴支持力作用下保持平衡。

式中1NF 為接管嘴支持力。

在電磁閥通電后，電磁鐵電磁力由 0逐漸增大，當電磁力剛好與氣體力、彈簧力和摩擦力平衡時，接管嘴的支持力降為0，閥芯開始向套筒方向移動。

圖3 閥門打開時閥芯受力分析Fig.3 Force Analysis of the Openning Process

b）閥門關閉觸動過程。

閥門處于打開狀態，閥芯受力情況如圖4所示，閥芯在電磁力、氣體力、彈簧力、摩擦力和套筒支持力作用下保持平衡。

式中 FN2為套筒支持力。

在電磁閥斷電后，電磁鐵電磁力逐漸減小，當電磁力、摩擦力剛好與彈簧力和氣體力平衡時，套筒組件閥芯的支持力降為0，閥芯開始向接管嘴方向移動。

圖4 閥門關閉時閥芯受力分析Fig.4 Force Analysis of the Closing Process

2.2 直動式電磁閥AMESim建模

根據分析，基于AMESim的直動式電磁閥模型示意如圖5所示。

圖5 單機驗收試驗模型示意Fig.5 Simulation Model of the Solenoid Valve

模型元件子模型選擇偏重于實現氣體流量的精確計算、動力學結構精確模擬，主要元件子模型設置見表1，計算用參數值見表2。

表1 主要元件子模型設置表Tab.1 Main Model Settings

模型中的主要參數見表2。

表2 計算用參數值表Tab.2 Main Parameters

3 仿真結果

3.1 電磁閥啟、閉性能分析

電磁閥“入口”供氣壓力為20 MPa，電源接通時，電磁閥線圈電流及閥芯速度變化情況如圖6、圖7所示。閥門打開時閥芯撞擊套筒組件最大速度為0.79 m/s，關閉時閥芯撞擊接管嘴的最大速度為0.61 m/s。

圖6 閥芯運動過程線圈電流變化情況Fig.6 Current Variation with Time

圖7 閥芯速度變化情況Fig.7 Velocity Variation with Time

電磁鐵通電后，閥芯未開始運動時，電流逐漸增大，電磁力也逐漸增大；當電磁力增大至閥芯開始運動時，隨著磁阻變小，線圈電感迅速增大導致感應電動勢增大，線圈電流瞬間減小；當閥芯運動至限位，電磁閥完全打開后，電流不再變化，電流繼續增大。

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電磁鐵斷電后，線圈內電流迅速減小，當電磁力逐漸減小至閥芯開始運動瞬間，線圈自感電動勢迅速增大阻礙電流減小，產生一個電流峰值，閥芯停止運動后由于線圈自感的減小，該電動勢迅速減小。

電磁閥打開關閉時，電流曲線的突變點對應于閥芯動作過程，試驗中可通過測量電流變化情況來確定電磁閥的響應時間。以此方法判斷閥門打開響應時間為0.011 s，關閉時間為0.182 s。

表3給出了產品試驗中5件產品打開響應時間為0.008～0.019 s，關閉響應時間為 0.154～0.236 s，與本文計算結果基本一致。

表3 電磁閥響應時間實測值Tab.3 Measured Values of Response Time

3.2 入口壓力對電磁閥響應時間影響分析

電磁閥入口氣體壓力變化時，線圈電流隨時間變化曲線如圖8所示。由圖8可知，隨著入口氣體壓力的增大，閥芯開啟時所需克服的氣體壓力增大，電磁鐵電流較大時，才可以克服氣體力和彈簧力使電磁閥打開，電磁閥關閉時，氣體力有利于閥門關閉，所以壓力越高，關閉響應時間越小。

圖8 不同入口壓力下線圈電流變化情況Fig.8 Current Variation According to the Inlet Pressure

3.3 初始氣隙對電磁閥響應時間影響分析

初始氣隙不同時，電磁閥線圈電流變化情況如圖9所示。由圖9可知，閥門初始氣隙越大，通電后初始電磁力越小，增大至打開時所需電磁力需要較大電流，打開時間越長，當初始彈簧力不變時，初始氣隙對斷電后閥芯所受的不平衡力沒有影響，閥門關閉時間基本相同。

圖9 不同初始氣隙下線圈電流變化情況Fig.9 Current Variation According to the Initial Air Gap

3.4 初始彈簧力對電磁閥響應時間影響分析

圖10 為初始彈簧力不同時，線圈電流隨時間變化情況，彈簧力越大，閥開啟時所克服的反力越大，電磁閥開啟響應時間越長；電磁閥關閉時，彈簧力使得閥芯快速回位，彈簧力越大，電磁閥關閉時間越短。

圖10 不同彈簧安裝力時線圈電流變化情況Fig.10 Current Variation According to the Initial Spring Force

3.5 閥門通徑對電磁閥響應時間影響分析

不同電磁閥通徑時電磁閥打開關閉時間如圖11所示。圖12給出了閥芯所受氣體力大小，電磁閥通徑越大，閥門打開前氣體作用面積越大，閥芯所受氣體力越大，閥門打開時間越長；閥門打開后，通徑越大則通過閥門的流量越大，使得閥芯所受氣體力越大，閥門關閉響應時間越短。

當閥門通徑大于閥后孔板通徑后，氣體將在孔板處限流，繼續增大閥門通徑對閥門關閉時間影響較小。

圖11 不同閥門通徑時線圈電流變化情況Fig.11 Current Variation According to the Diameter of Valve

圖12 閥門通徑不同時，閥芯所受氣體力Fig.12 Gas Pressure Variation According to the Diameter of Valve

3.6 閥后孔板對電磁閥響應時間影響分析

閥后安裝不同孔板時，線圈電流和電磁閥前后壓差分別如圖13、圖14所示。閥門打開前，閥后孔板不影響閥門前后流場，因此孔板通徑對閥門打開時間無影響。閥后安裝孔板小于電磁閥最小通徑時，閥門打開后氣流在孔板處限流，閥門流量主要受孔板參數的影響，孔板越小，閥后壓力越高，閥芯所受的氣體力越小，閥門關閉響應時間越長；閥后孔板大于電磁閥最小通徑時，氣流在閥門處節流，孔板對關閉時間影響較小。

閥后節流元件對電磁閥閥后孔板對電磁閥響應時間影響較大，系統設計中不能僅考慮單機響應試驗結果，尤其當閥后元件最小通徑小于電磁閥通徑時應特別注意。

圖13 閥后孔板通徑不同時線圈電流變化情況Fig.13 Current Variation According to the Diameter of the Orifice after Valve

圖14 閥后孔板通徑不同時電磁閥前后壓差Fig.14 Differerntial Pressure According to the Diameter of the Orifice after Valve

4 結 論

本文以運載火箭增壓輸送系統中的電磁閥為對象，利用AMESim建立了仿真模型，基于模型開展了電磁閥響應時間的影響因素分析，得到了以下結論：

a）電磁鐵通斷電時，線圈電流隨時間非線性變化，電流曲線的突變點對應于閥芯開始動作時間，試驗中可測量電流變化情況來確定電磁閥的響應時間；

b）氣源壓力、初始彈簧力越大，閥芯開啟時所需克服的氣體壓力和彈簧力就越大，開啟響應時間越長，關閉響應時間越短；

c）初始氣隙越大，通電后初始電磁力越小，打開響應時間越長，初始氣隙對斷電后閥芯所受的不平衡力沒有影響，閥門關閉時間基本相同；

d）在本文分析范圍內，直動式電磁閥通徑越大則閥芯所受氣體力越大，閥門打開時間越長，同理，關閉時間越短。但當閥門通徑大于閥后孔板通徑后，氣體將在孔板處限流，繼續增大孔板對閥門關閉時間影響較小；

e）閥后孔板對電磁閥開啟響應時間影響可忽略，閥后安裝孔板小于電磁閥最小通徑時，氣流在孔板處限流，閥門流量主要受孔板參數的影響，孔板越小，閥后壓力越高，閥芯所受的氣體力越小，閥門關閉響應時間越長；閥后孔板大于電磁閥最小通徑時，氣流在閥門處節流，孔板對關閉時間影響較小；

f）閥后節流元件對電磁閥響應時間影響較大，系統設計中不能簡單以單機響應試驗結果進行考慮，尤其當閥后元件最小通徑小于電磁閥通徑時應特別注意。