快響應(yīng)電磁閥冷試與熱試響應(yīng)時(shí)間差異性分析

丁 洋 謝 彪 韋春花 陳 宗 伍家威

（貴州航天朝陽(yáng)科技有限責(zé)任公司，貴州 遵義 563000）

0 引言

精準(zhǔn)控制飛行器姿態(tài)，關(guān)鍵在于發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)時(shí)間足夠小，發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)時(shí)間足夠小，核心在于電磁閥足夠快。為了表征電磁閥動(dòng)作的快慢，引入了電磁閥響應(yīng)時(shí)間。其中，開(kāi)機(jī)響應(yīng)時(shí)間為額定工況下，電磁閥接收到開(kāi)機(jī)信號(hào)至閥芯完全打開(kāi)的時(shí)間；關(guān)機(jī)響應(yīng)時(shí)間為額定工況下，電磁閥接收到關(guān)機(jī)信號(hào)至閥芯完全關(guān)閉的時(shí)間。

響應(yīng)時(shí)間是電磁閥的重要特性[1]，在使用前調(diào)試好，是發(fā)動(dòng)機(jī)研制過(guò)程的一項(xiàng)重要工作內(nèi)容[2]。一般將電磁閥在非額定工況下的調(diào)試稱為冷試測(cè)試，簡(jiǎn)稱為冷試；在額定工作條件下的試驗(yàn)稱為熱試車試驗(yàn)，簡(jiǎn)稱熱試。當(dāng)前研究者主要關(guān)心如何提高電磁閥的冷試響應(yīng)時(shí)間[3]，對(duì)電磁閥在冷試與熱試響應(yīng)時(shí)間的差異鮮有關(guān)注。

然而，該文在發(fā)動(dòng)機(jī)的研制過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，電磁閥響應(yīng)時(shí)間在調(diào)試與實(shí)際使用時(shí)存在較大差異。具體表現(xiàn)為電磁閥冷試時(shí)響應(yīng)時(shí)間合格，在熱試時(shí)不合格，甚至導(dǎo)致了發(fā)動(dòng)機(jī)的響應(yīng)時(shí)間不能滿足技術(shù)要求。為此，該文對(duì)電磁閥在冷試與熱試差異的原因進(jìn)行了探究。

1 問(wèn)題模型

電磁閥從原理上可分為三類。直通式電磁閥、分布直動(dòng)式電磁閥和先導(dǎo)式電磁閥。該文主要以直通式電磁閥為研究對(duì)象，其一般由線圈組件、彈簧、銜鐵組件組件及其他結(jié)構(gòu)件、密封件、接頭等組成。斷電時(shí)，閥芯靠彈簧壓力與閥前壓力壓緊密封，閥門處于關(guān)閉狀態(tài)；通電時(shí)，線圈組件產(chǎn)生電流，進(jìn)而產(chǎn)生磁通力，通過(guò)克服彈簧力與閥前壓力，使銜鐵組件移動(dòng)，帶動(dòng)閥芯打開(kāi)。當(dāng)銜鐵運(yùn)動(dòng)到位時(shí)，閥芯開(kāi)度也完全打開(kāi)，此時(shí)電磁閥處于打開(kāi)狀態(tài)。

按照電磁閥的工作特點(diǎn)，將電磁閥電流曲線上的4個(gè)拐點(diǎn)進(jìn)行劃分，得到電磁閥的響應(yīng)時(shí)間，示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 電磁閥電流曲線示例圖

當(dāng)需要電磁閥開(kāi)機(jī)時(shí)，系統(tǒng)給定開(kāi)機(jī)信號(hào)，電磁閥接到信號(hào)后，線圈兩端加載電壓，線圈電流開(kāi)始增大，電磁閥內(nèi)的銜鐵組件受到的吸力也增大，當(dāng)吸力大于反力后，銜鐵組件開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，此時(shí)的電流達(dá)到觸動(dòng)電流I1，從電磁閥接收到開(kāi)機(jī)信號(hào)至電流達(dá)到I1的時(shí)間，稱為吸合觸動(dòng)時(shí)間t1；從銜鐵組件開(kāi)始運(yùn)動(dòng)到運(yùn)動(dòng)結(jié)束經(jīng)歷的時(shí)間，稱為吸合運(yùn)動(dòng)時(shí)間t2，此時(shí)電磁閥閥芯從完全關(guān)閉到完全打開(kāi)。

當(dāng)電磁閥關(guān)機(jī)時(shí)，電磁閥兩端斷電，電流從穩(wěn)定電流I2開(kāi)始下降，銜鐵組件受到的電磁力也開(kāi)始下降，當(dāng)電流下降至釋放電流I3時(shí)，銜鐵組件無(wú)法保持原狀態(tài)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，將接收到關(guān)機(jī)信號(hào)至銜鐵組件開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的時(shí)間稱為釋放觸動(dòng)時(shí)間t3；銜鐵組件從吸合狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)獒尫艩顟B(tài)，直至運(yùn)動(dòng)到位經(jīng)歷的時(shí)間稱為釋放運(yùn)動(dòng)時(shí)間t4。

電磁閥開(kāi)機(jī)響應(yīng)時(shí)間tk如公式（1）所示。

電磁閥關(guān)機(jī)響應(yīng)時(shí)間tg如公式（2）所示。

對(duì)電磁閥冷試與熱試的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分別見(jiàn)表1與表2。其中冷試與熱試最小差異為-17.7%，最大差異為38.2%；而在關(guān)機(jī)響應(yīng)時(shí)，其冷試與熱試最小差異為41.7%，最大差異為82.6%。

表1 某型號(hào)電磁閥冷試與熱試開(kāi)機(jī)響應(yīng)統(tǒng)計(jì)

表2 某型號(hào)電磁閥冷試與熱試關(guān)機(jī)響應(yīng)統(tǒng)計(jì)

2 結(jié)果與分析

該文分別對(duì)電磁閥開(kāi)啟與關(guān)閉時(shí)的受力模型進(jìn)行分析。當(dāng)電磁閥開(kāi)啟時(shí)，其受力如公式（3）所示。

式中：F開(kāi)合為電磁閥開(kāi)啟合力；F電磁力為電磁閥線圈通電后產(chǎn)生的電磁力；FP1為閥芯上游壓力作用于閥芯的力；FP2為閥芯下游壓力作用于閥芯的力；F彈為彈簧力。

當(dāng)電磁閥關(guān)閉時(shí)，其受力如公式（4）所示。

式中：F關(guān)合為電磁閥關(guān)機(jī)合力；F電磁力（余）為關(guān)機(jī)后殘余電勢(shì)產(chǎn)生的電磁力。

2.1 F電磁力的影響因素

由麥克斯韋公式可得公式（5）。

式中：μ0為真空磁導(dǎo)率，單位N/A2；B為磁極表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位T；n0為線圈數(shù)；A為磁極的面積，單位m2。

簡(jiǎn)化可得公式（6）。

對(duì)確定的電磁閥，其線圈材料確定，線徑確定，μ0與A均不變。

磁感應(yīng)強(qiáng)度由畢奧-薩法爾-拉普拉斯定律可得公式（7）。

式中：r為到導(dǎo)線的距離；I為電流大小。

因此，I越大，B越大，F(xiàn)電磁力也越大，反之亦然。而當(dāng)且僅當(dāng)I>I1時(shí)，電磁閥才能開(kāi)啟，當(dāng)I

2.1.1 加載電壓U

經(jīng)分析該文發(fā)現(xiàn)，在冷試測(cè)試中，因采集系統(tǒng)距離試驗(yàn)臺(tái)較遠(yuǎn)，從電源輸出至電磁閥之間的電纜較長(zhǎng)。當(dāng)輸出電源為額定壓力U時(shí)，加載于電磁閥上的電壓受電纜線阻的影響，低于額定壓力。而在熱試測(cè)試時(shí)，為保證電磁閥的性能，連接的電纜較短，且采用線阻較小的航天電纜，損耗低，加載于電磁閥的電壓處于額定工況。不同的加載電壓導(dǎo)致線圈電流不同，電磁閥開(kāi)啟時(shí)，加載電壓小，電磁力也小，電磁閥開(kāi)機(jī)合力減小，開(kāi)機(jī)響應(yīng)變大；而當(dāng)關(guān)機(jī)時(shí)，其關(guān)機(jī)合力變大，關(guān)機(jī)響應(yīng)減小。

因此，為確保冷試與熱試時(shí)加載電壓處于額定電壓下，該文通過(guò)提高電源輸出電壓，利用數(shù)字萬(wàn)用表等儀器測(cè)試實(shí)際加載電壓，保證冷試與熱試時(shí)加載電壓均為額定電壓，減小冷試與熱試響應(yīng)時(shí)間的差異。同時(shí)，通過(guò)改造冷試測(cè)試系統(tǒng)，縮短電纜長(zhǎng)度，控制導(dǎo)線材料，也可有效減小二者的差異。

2.1.2 線圈電阻R

對(duì)一般的電磁閥冷試測(cè)試，由于測(cè)試介質(zhì)可以冷卻線圈電阻，且測(cè)試時(shí)間較短，線圈電阻的溫升并不高，遠(yuǎn)低于熱平衡溫度；但當(dāng)電磁閥處于熱試時(shí)，受發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒影響，溫度逐漸升高，電磁閥將達(dá)到熱平衡狀態(tài)，此時(shí)電磁閥線圈溫度將幾倍于冷試時(shí)的線圈溫度。

以該文某型號(hào)電磁閥為例，線圈電阻R可通過(guò)擬合公式計(jì)算得出公式（8）。

式中：RT為溫度T下線圈電阻；T為線圈實(shí)際溫度；R20為20℃下線圈電阻。

根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，常溫下的冷試測(cè)試線圈溫度約為20℃，熱試時(shí)最高可達(dá)80℃。在此條件下，線圈電阻將升高23.5%。在加載電壓不變的情況下，線圈電流將減少23.5%，對(duì)應(yīng)F電磁力也將減小，進(jìn)而影響電磁閥的響應(yīng)時(shí)間。

因此，在冷試環(huán)境下，可通過(guò)增加介質(zhì)溫度，或給增加電磁閥熱源，或使電磁閥空載通電一定時(shí)間，待線圈溫度上升后，再進(jìn)行響應(yīng)時(shí)間測(cè)試。如此可降低冷試與熱試時(shí)因溫度不同導(dǎo)致線圈電阻R不同帶來(lái)的差異，同時(shí)也可在電磁閥正式使用前對(duì)熱可靠性進(jìn)行檢測(cè)，提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，縮短研制周期，降低研制成本。

2.2 FP1的影響因素

FP1越大，電磁閥開(kāi)機(jī)響應(yīng)越大，關(guān)機(jī)響應(yīng)越小[4]。但對(duì)已經(jīng)確定了技術(shù)狀態(tài)的電磁閥，只要保證冷試與熱試時(shí)的閥前壓力均為額定壓力，則可認(rèn)為冷試與熱試FP1相同。

2.3 FP2的影響因素

當(dāng)電磁閥進(jìn)行熱試時(shí)并第一次開(kāi)機(jī)時(shí)，閥芯下游壓力與發(fā)動(dòng)機(jī)室壓無(wú)關(guān)，熱試時(shí)閥芯下游壓力作用于閥芯的力FP2與冷試時(shí)閥芯下游壓力作用于閥芯的力FP2'相同；第一次關(guān)機(jī)時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)殘存壓力，閥芯下游壓力將增大，進(jìn)而使閥芯下游壓力作用于閥芯的力增大，此時(shí)FP2>FP2'，使F關(guān)合減小，電磁閥關(guān)機(jī)響應(yīng)比冷試時(shí)有所增大。當(dāng)電磁閥第二次開(kāi)機(jī)時(shí)，若關(guān)機(jī)間隔時(shí)間較短，發(fā)動(dòng)機(jī)室壓存在壓力，則此時(shí)F開(kāi)合將增大，進(jìn)而導(dǎo)致電磁閥開(kāi)機(jī)響應(yīng)減小。

當(dāng)電磁閥頻繁開(kāi)機(jī)與關(guān)機(jī)時(shí)，以一定壓強(qiáng)流動(dòng)的液體受阻流速突然降低，壓強(qiáng)在較短時(shí)間內(nèi)升高，并向上游迅速傳播，在一定條件下發(fā)射回來(lái)，產(chǎn)生往復(fù)波動(dòng)，形成較大的水擊壓力[5]。此時(shí)閥芯下游發(fā)動(dòng)機(jī)壓力將產(chǎn)生波動(dòng)，在耦合的情況下，將出現(xiàn)閥芯上游壓力低于下游壓力的情況，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致閥芯被迫打開(kāi)（此為不合格電磁閥，合格產(chǎn)品不會(huì)出現(xiàn)該問(wèn)題），使推進(jìn)劑流通，造成關(guān)機(jī)響應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)。

而在冷試測(cè)試中，由于電磁閥外部連通大氣，不受發(fā)動(dòng)機(jī)熱試時(shí)室壓的影響，也不存在閥芯下游壓力大于上游壓力的情況，所在開(kāi)關(guān)機(jī)過(guò)程中的F開(kāi)合與F關(guān)合與熱試不同，開(kāi)關(guān)機(jī)響應(yīng)時(shí)間與熱試也不同。因此，為保證電磁閥冷試響應(yīng)與熱試響應(yīng)無(wú)較大差異，在冷試測(cè)試時(shí)，在閥芯后下游增加一定的壓降，壓降大小可參照發(fā)動(dòng)機(jī)額定室壓給定，同時(shí)，冷試測(cè)試時(shí)電磁閥開(kāi)關(guān)機(jī)間隔時(shí)間應(yīng)盡可能模擬其在熱試中的工況，保證測(cè)試條件開(kāi)關(guān)機(jī)工況一致。

2.4 F彈的影響因素

F彈受銜鐵組件位移影響，與彈簧的位移量有關(guān)。對(duì)同一電磁閥，由于t2與t4較短，一般在1ms～1.5ms左右，且閥芯行程固定，因此，可認(rèn)為冷試與熱試中F彈相同。

2.5 F電磁力（余）的影響因素

泄放回路電阻，用于系統(tǒng)斷路后，將電路中殘余的電荷泄放，避免對(duì)電路造成惡劣影響。電路中殘余電荷將影響電磁閥殘余電勢(shì)[6]，若在冷試試驗(yàn)時(shí)不考慮與熱試的泄放電阻差異，將導(dǎo)致電磁閥關(guān)機(jī)響應(yīng)時(shí)間的出現(xiàn)差異。

由圖2可知，在測(cè)試中，泄放電阻R1為無(wú)窮大時(shí)，當(dāng)給定關(guān)機(jī)信號(hào)后，電磁閥殘余電勢(shì)將很快消失，t3非常小。當(dāng)泄放電阻R1為零，電磁閥殘余電勢(shì)消失時(shí)間延長(zhǎng)，t3增大。在該文對(duì)電磁閥進(jìn)行冷試測(cè)試時(shí)，當(dāng)泄放電阻R1無(wú)窮大，關(guān)機(jī)響應(yīng)時(shí)間僅5ms，但當(dāng)泄放回路為有限值時(shí)，電磁閥關(guān)機(jī)響應(yīng)時(shí)間達(dá)到了12ms。因此，為準(zhǔn)確測(cè)量冷試與熱試的差異，冷試測(cè)試時(shí)泄放回路應(yīng)與真實(shí)的系統(tǒng)一致，方可在系統(tǒng)上進(jìn)行測(cè)試時(shí)進(jìn)行比對(duì)。

圖2 泄放回路

通過(guò)分析，該文得出了影響冷試與熱試響應(yīng)時(shí)間差異的因素。優(yōu)化測(cè)試流程，改善測(cè)試條件后，重新對(duì)電磁閥進(jìn)行冷試測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖3。顯然，經(jīng)過(guò)優(yōu)化測(cè)試流程和改善測(cè)試條件后的響應(yīng)時(shí)間與熱試更加接近，說(shuō)明該文的分析合理，優(yōu)化與改善有效。

圖3 優(yōu)化測(cè)試流程后電磁閥冷試與熱試響應(yīng)時(shí)間對(duì)比

3 結(jié)論

該文從電磁閥開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)的受力進(jìn)行分析，得出造成電磁閥冷試與熱試響應(yīng)時(shí)間差異的4個(gè)影響因素。1） 實(shí)際加載電壓。冷試與熱試時(shí)實(shí)際加載電磁閥的電壓應(yīng)保持一致，必要時(shí)可使用測(cè)量?jī)x器進(jìn)行確定。2） 線圈溫度。應(yīng)在冷試時(shí)使電磁閥線圈升溫，縮小與熱試時(shí)的差異。3） 閥芯下游壓力。因熱試時(shí)電磁閥受閥芯下游的室壓影響，在冷試試驗(yàn)時(shí)應(yīng)在電磁閥后增加一定壓力的壓降。4） 泄放回路電阻。冷試測(cè)試的泄放回路電阻應(yīng)與熱試一致。

通過(guò)優(yōu)化影響冷試時(shí)電磁閥響應(yīng)時(shí)間的測(cè)試條件，電磁閥的冷試響應(yīng)時(shí)間與熱試響應(yīng)時(shí)間一致性更好。該優(yōu)化方法可以應(yīng)用于其他型號(hào)電磁閥的冷試測(cè)試，為發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)試提供更準(zhǔn)確的參考。