直动式电磁阀响应时间的参数影响性研究

冉振华，孙海亮，马方超，陈二锋，黄 辉

0 引 言

为实现高度自动化发射，新型运载火箭增压输送系统中在控制、吹除、隔离、增压等阀门中均有电磁阀使用。直动式电磁阀以其结构简单、可靠性高、响应速度快的特点在贮箱压力控制方面具有突出优势。

国内外学者对于电磁阀的动态特性已经有了较广泛的研究[1～3]，沈赤兵[4]等建立了电动气阀吸动过程的数学模型并进行了动态特性的数值计算，分析了电动气阀的动态特性。袁洪滨[5]等建立了基于AMESim的直动式电磁阀动态仿真模型研究了软磁材料、励磁电压等参数对直动式电磁阀动态响应的影响。

本文以运载火箭增压输送系统中的电磁阀为对象，基于ANSYS电磁力分析结果建立了包括电磁力变化、机械运动、气体流动等物理过程的较完整的AMESim模型，基于该模型对入口压力、初始气隙、初始弹簧力、阀门通径和阀后孔板对阀门性能的影响。

1 电磁阀结构、工作原理及使用工况

1.1 电磁阀结构及工作原理

直动式电磁阀结构原理如图1所示。

图1 直动式电磁阀结构原理Fig.1 Schematic Diagram of Direct-acting Solenoid Valve

电磁阀工作原理为：通电后，电磁铁受激建立磁场，阀芯克服气体力、弹簧力等与套筒组件吸合，电磁阀入口与出口的通道打开；系统断电，电磁铁受激磁场消失，阀芯释放，在弹簧和气体压力作用下回位，电磁阀入口与出口的通道关闭。

1.2 直动式电磁阀试验系统

电磁阀试验系统如图2所示。电磁阀入口压力为20 MPa，电磁阀供电DC27V，通过出口截止阀调节阀后节流元件开度模拟阀后负载，试验中通过电磁阀电流曲线测试仪记录电磁阀响应过程电流曲线。

图2 电磁阀试验系统Fig.2 Test System of the Solenoid Valve

2 仿真建模

2.1 阀芯受力分析

电磁阀模型中的阀芯的运动包括吸合过程和释放过程。吸合过程中，当电磁吸力小于反力，阀芯尚未运动时为触动过程；当电磁吸力大于反力，阀芯开始运动时为运动过程。类似地，释放过程也分为触动过程和运动过程。

阀芯的运动方程：

式中pF为阀芯所受气体压力；eF为电磁力；sF为弹簧力；fF为阀芯和套筒组件之间的摩擦力；m为阀芯质量。

电磁力可通过ANSYS Multiphysics对电磁场进行计算[6,7]，将分析结果导入到AMESim中，可精确获得阀芯运动过程中的电磁力，从而获得电磁铁阀芯运动规律。计算过程中电磁力通过已有气隙及电流下的电磁力、磁通量插值计算，同时考虑线圈在通断电时由于自感电动势所引起的电磁力响应的延迟。其中线圈中电流通过式（2）计算：

式中 φ为线圈磁通量；I为通过线圈电流；N为线圈匝数；UΔ为线圈两端电压；eddyR为涡电阻；R为线圈电阻。

a）阀门开启触动过程。

阀门处于闭合状态，阀芯受力情况如图3所示，阀芯在气体力、弹簧力和接管嘴支持力作用下保持平衡。

式中1NF 为接管嘴支持力。

在电磁阀通电后，电磁铁电磁力由 0逐渐增大，当电磁力刚好与气体力、弹簧力和摩擦力平衡时，接管嘴的支持力降为0，阀芯开始向套筒方向移动。

图3 阀门打开时阀芯受力分析Fig.3 Force Analysis of the Openning Process

b）阀门关闭触动过程。

阀门处于打开状态，阀芯受力情况如图4所示，阀芯在电磁力、气体力、弹簧力、摩擦力和套筒支持力作用下保持平衡。

式中 FN2为套筒支持力。

在电磁阀断电后，电磁铁电磁力逐渐减小，当电磁力、摩擦力刚好与弹簧力和气体力平衡时，套筒组件阀芯的支持力降为0，阀芯开始向接管嘴方向移动。

图4 阀门关闭时阀芯受力分析Fig.4 Force Analysis of the Closing Process

2.2 直动式电磁阀AMESim建模

根据分析，基于AMESim的直动式电磁阀模型示意如图5所示。

图5 单机验收试验模型示意Fig.5 Simulation Model of the Solenoid Valve

模型元件子模型选择偏重于实现气体流量的精确计算、动力学结构精确模拟，主要元件子模型设置见表1，计算用参数值见表2。

表1 主要元件子模型设置表Tab.1 Main Model Settings

模型中的主要参数见表2。

表2 计算用参数值表Tab.2 Main Parameters

3 仿真结果

3.1 电磁阀启、闭性能分析

电磁阀“入口”供气压力为20 MPa，电源接通时，电磁阀线圈电流及阀芯速度变化情况如图6、图7所示。阀门打开时阀芯撞击套筒组件最大速度为0.79 m/s，关闭时阀芯撞击接管嘴的最大速度为0.61 m/s。

图6 阀芯运动过程线圈电流变化情况Fig.6 Current Variation with Time

图7 阀芯速度变化情况Fig.7 Velocity Variation with Time

电磁铁通电后，阀芯未开始运动时，电流逐渐增大，电磁力也逐渐增大；当电磁力增大至阀芯开始运动时，随着磁阻变小，线圈电感迅速增大导致感应电动势增大，线圈电流瞬间减小；当阀芯运动至限位，电磁阀完全打开后，电流不再变化，电流继续增大。

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电磁铁断电后，线圈内电流迅速减小，当电磁力逐渐减小至阀芯开始运动瞬间，线圈自感电动势迅速增大阻碍电流减小，产生一个电流峰值，阀芯停止运动后由于线圈自感的减小，该电动势迅速减小。

电磁阀打开关闭时，电流曲线的突变点对应于阀芯动作过程，试验中可通过测量电流变化情况来确定电磁阀的响应时间。以此方法判断阀门打开响应时间为0.011 s，关闭时间为0.182 s。

表3给出了产品试验中5件产品打开响应时间为0.008～0.019 s，关闭响应时间为 0.154～0.236 s，与本文计算结果基本一致。

表3 电磁阀响应时间实测值Tab.3 Measured Values of Response Time

3.2 入口压力对电磁阀响应时间影响分析

电磁阀入口气体压力变化时，线圈电流随时间变化曲线如图8所示。由图8可知，随着入口气体压力的增大，阀芯开启时所需克服的气体压力增大，电磁铁电流较大时，才可以克服气体力和弹簧力使电磁阀打开，电磁阀关闭时，气体力有利于阀门关闭，所以压力越高，关闭响应时间越小。

图8 不同入口压力下线圈电流变化情况Fig.8 Current Variation According to the Inlet Pressure

3.3 初始气隙对电磁阀响应时间影响分析

初始气隙不同时，电磁阀线圈电流变化情况如图9所示。由图9可知，阀门初始气隙越大，通电后初始电磁力越小，增大至打开时所需电磁力需要较大电流，打开时间越长，当初始弹簧力不变时，初始气隙对断电后阀芯所受的不平衡力没有影响，阀门关闭时间基本相同。

图9 不同初始气隙下线圈电流变化情况Fig.9 Current Variation According to the Initial Air Gap

3.4 初始弹簧力对电磁阀响应时间影响分析

图10 为初始弹簧力不同时，线圈电流随时间变化情况，弹簧力越大，阀开启时所克服的反力越大，电磁阀开启响应时间越长；电磁阀关闭时，弹簧力使得阀芯快速回位，弹簧力越大，电磁阀关闭时间越短。

图10 不同弹簧安装力时线圈电流变化情况Fig.10 Current Variation According to the Initial Spring Force

3.5 阀门通径对电磁阀响应时间影响分析

不同电磁阀通径时电磁阀打开关闭时间如图11所示。图12给出了阀芯所受气体力大小，电磁阀通径越大，阀门打开前气体作用面积越大，阀芯所受气体力越大，阀门打开时间越长；阀门打开后，通径越大则通过阀门的流量越大，使得阀芯所受气体力越大，阀门关闭响应时间越短。

当阀门通径大于阀后孔板通径后，气体将在孔板处限流，继续增大阀门通径对阀门关闭时间影响较小。

图11 不同阀门通径时线圈电流变化情况Fig.11 Current Variation According to the Diameter of Valve

图12 阀门通径不同时，阀芯所受气体力Fig.12 Gas Pressure Variation According to the Diameter of Valve

3.6 阀后孔板对电磁阀响应时间影响分析

阀后安装不同孔板时，线圈电流和电磁阀前后压差分别如图13、图14所示。阀门打开前，阀后孔板不影响阀门前后流场，因此孔板通径对阀门打开时间无影响。阀后安装孔板小于电磁阀最小通径时，阀门打开后气流在孔板处限流，阀门流量主要受孔板参数的影响，孔板越小，阀后压力越高，阀芯所受的气体力越小，阀门关闭响应时间越长；阀后孔板大于电磁阀最小通径时，气流在阀门处节流，孔板对关闭时间影响较小。

阀后节流元件对电磁阀阀后孔板对电磁阀响应时间影响较大，系统设计中不能仅考虑单机响应试验结果，尤其当阀后元件最小通径小于电磁阀通径时应特别注意。

图13 阀后孔板通径不同时线圈电流变化情况Fig.13 Current Variation According to the Diameter of the Orifice after Valve

图14 阀后孔板通径不同时电磁阀前后压差Fig.14 Differerntial Pressure According to the Diameter of the Orifice after Valve

4 结 论

本文以运载火箭增压输送系统中的电磁阀为对象，利用AMESim建立了仿真模型，基于模型开展了电磁阀响应时间的影响因素分析，得到了以下结论：

a）电磁铁通断电时，线圈电流随时间非线性变化，电流曲线的突变点对应于阀芯开始动作时间，试验中可测量电流变化情况来确定电磁阀的响应时间；

b）气源压力、初始弹簧力越大，阀芯开启时所需克服的气体压力和弹簧力就越大，开启响应时间越长，关闭响应时间越短；

c）初始气隙越大，通电后初始电磁力越小，打开响应时间越长，初始气隙对断电后阀芯所受的不平衡力没有影响，阀门关闭时间基本相同；

d）在本文分析范围内，直动式电磁阀通径越大则阀芯所受气体力越大，阀门打开时间越长，同理，关闭时间越短。但当阀门通径大于阀后孔板通径后，气体将在孔板处限流，继续增大孔板对阀门关闭时间影响较小；

e）阀后孔板对电磁阀开启响应时间影响可忽略，阀后安装孔板小于电磁阀最小通径时，气流在孔板处限流，阀门流量主要受孔板参数的影响，孔板越小，阀后压力越高，阀芯所受的气体力越小，阀门关闭响应时间越长；阀后孔板大于电磁阀最小通径时，气流在阀门处节流，孔板对关闭时间影响较小；

f）阀后节流元件对电磁阀响应时间影响较大，系统设计中不能简单以单机响应试验结果进行考虑，尤其当阀后元件最小通径小于电磁阀通径时应特别注意。