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气动螺线管特性阀门数值计算和响应的实验研究

张翔，陆永华，杨力，张驰，王瑞

摘要

为了深入分析电磁阀的响应特性，利用计算流体力学方法对电磁阀的流场进行了分析，得到了电磁阀难以获得的气动参数。

传统的方法是用FLUENT软件实现的。我们还建立了螺线管的数学模型，包括气动模型、回路模型、磁路模型和机械运动模型。

在Simulink中完成了计算，并对计算结果进行了分析。一套电磁阀建立了响应特性测试系统，测试了电磁阀响应时间和最大动作频率等响应特性参数。实验结果与仿真结果进行了比较。结果表明，在适当的工作频率下，响应特性与作用频率基本无关。电磁阀的开启开关时间随入口压力和驱动电压随线圈匝数的增加而增大。闭合开关时间随着入口压力、驱动电压和线圈匝数的增加而增加。

关键词

气动电磁阀，响应特性，数值计算，实验研究

收到的日期：2018年6月6日; 接受：2019年6月27日

介绍

随着技术的发展和环保意识的提高，气动控制系统得到了广泛的应用，尤其适用于由于维护成本低，对环境的污染小，重量/功率比好，因此在低成本工业自动化中的应用。电磁阀的表现会在很大程度上影响气动系统的性能和安全性。除了诸如驱动电压，工作温度和压力环境下，动态电磁阀的响应特性也是评估电磁阀性能的基本要素。特别是对于高精度，高速气动系统，气动电磁阀的响应时间和最大动作频率尤为关键。电磁铁的快速响应阀门对于驱动电气尤为重要。¹气动电磁阀的静态参数和响应特性参数之间的关系为电磁阀的设计和改进提供了参考。有鉴于此，对气动电磁阀的响应特性进行了研究，以分析其内在联系。

Mutschler等人²通过计算流体动力学（CFD）和使用网络仿真方法进行建模描述SABR模型建立了完整的模型。仿真结果与实验结果吻合。在大量实验数据的基础上，采用实验方法详细分析了由先进复合材料制成的新型气动阀芯的摩擦性能。³Gastaldiet等人⁴提出了一种测试气动开环比例阀的方法，并描述了测试台和测量感兴趣幅度的实验方案。用CFD模拟了脉宽调制（PWM）控制的电磁阀的瞬态流量，以研究在PWM控制的条件下电磁阀的压力控制性能。⁵Chen等人⁶分析了故障机理和加速应力以及确定了某种电磁阀的加速寿命模型。进行了CFD模拟研究以了解这种类型的搅拌罐在充气和无充气条件下的流体力学特性。⁷Lin等人⁸通过CFD和实验研究，研究了不同进口速度下闸阀的流阻和内部流动特性。 Erdodi和Hos⁸专注于对供气直接弹簧操作的泄压阀（DSOPRV）的动态不稳定性（颤振/颤振）建模。使用变形网格技术的动态CFD模拟是进行阀门响应高保真解决，包括瞬态流体-结构相互作用。

使用CFD方法模拟电磁阀的响应特性是当前的重要趋势。 数值模拟可以为电磁阀的研究和设计提供理论依据。通常使用的电磁阀的动态特性主要基于电气，电磁和机械零件的相互作用。但是，没有考虑空气动力学部件对电磁阀动态特性的影响。

Kawashima等人¹⁰使用一个恒温箱来确定气动电磁阀的流量特性。 Messina等人¹¹研究了由切换阀控制的气动执行器的动力学特性，其响应时间基于PWM技术。气动执行器行程的理论模型的预测误差小于2 mm。研究了电磁力驱动的微型阀的动态特性。此外，还包括固有频率，阻尼系数和通过实验获得了微阀的弹簧常数。¹²Pan等人¹³研究了气动测量方法对伺服阀滑阀加工质量的流体动力学行为。

微型阀结构由热气致动室，微通道，薄膜加热器，入口和出口组成。可以通过ABAQUS程序对微型阀进行仿真。¹⁴Amirante等人¹⁵通过全面的数值分析，对作用在4/3液压开式中心换向阀芯上的驱动力进行了评估。Chu等人¹⁶在MATLAB / Simulink的基础上进行了防抱死制动系统（ABS）电磁阀的建模和仿真，并通过分析结果提出了电磁阀的设计原理。 Venkataraman等人¹⁷使用阴极射线示波器（CRO）来显示脉冲输入信号和出口压力变化。可以通过观察输入电压信号曲线和输出压力曲线来计算线圈的动作频率和电磁阀的响应时间。赵等人¹⁸使用有限元方法（FEM）对高速电磁阀的动态特性进行了仿真。仿真结果表明，随着升压电压的增加，电磁阀驱动电流的上升速度急剧增大。

通过对以上研究现状的分析，可以发现有很多学者对电磁阀进行了相应的研究。 但是，对气动电磁阀动态响应特性的研究相对较少。为了检测电磁阀的响应时间，大多数测试系统都使用检测线圈电流的方法。电磁阀的响应特性不完全由电流决定，还与阀的结构和工作原理有关。测量线圈电流的方法在检测电磁阀的响应特性方面不准确。气动电磁阀的一些输入压力和出口压力测量只能通过观察曲线定性地描述。而且，这些测量方法无法检测其响应时间处于MS级别的高速气动电磁阀。

本文通过CFD方法计算阀芯的空气动力，得到空气动力学参数，并在Simulink中建立了空气动力学模型。通过分析空气动力学模型，电路模型，磁路模型和机械运动模型来完成仿真计算。在实验中，本文创新地提出了一种通过出口检测电磁阀响应特性的方法压力与电流同步检测，更加直接，准确。建立了一套电磁阀动态特性测试系统。该测试系统可以方便地在MS级别测量电磁阀的泄漏，响应时间，动作频率，启动压力和其他参数，这确保了实时性能。通过将数值计算与实验结果进行比较，验证了数值计算模型的正确性。

电磁阀的工作原理及建模方案

如图1所示，它是一种二位三通直动式电磁阀，由阀体，线圈，静态铁心，活动铁心，弹簧等组成。 其工作原理描述如下：阀门通电后，线圈产生电磁力，静态芯吸住可动芯（阀芯），阀门打开后压力口与工作口相连。 相反，当电源切断时，可动芯在弹簧的作用下关闭阀以排气。

图1.两位置三通直接作用的结构电磁阀

根据电磁阀的工作原理，整个模型可以分为四个部分：空气动力学模型，等效电路模型，等效磁路模型和机械运动模型。 如图2所示，每个模型由变量（例如电流和力）连接，其中i是线圈中的电流； 是线圈的磁通量，Fm是电磁线圈的吸力，x是阀芯的位移，Fq是阀芯的空气动力。

图2.电磁阀数值计算模型的关系图

数学建模

空气动力学模型

CFD基于流体动力学和数值计算的结合。 由计算机进行数值计算和图像显示，以定量描述流场在时间和空间上的数值解。 表1列出了常用的方法和技术^19，20。

根据结构特征和工作原理，电磁阀具有圆周对称性，可以简化为二维（2D）模型，²¹从而可以有效地减少计算量。 在图3中，由于其灵活性和优越性，通过有限体积法（FVM）在FLUENT中建立了电磁阀的二维流场计算模型，模型组成和边界条件。 阀门计算模型为基于流体动力学的基本控制方程以及湍流的标准k -e模型。 基础的流体力学方程主要由连续性方程，运动方程和能量方程。 标准k -e动荡方程式在公式（1）和（2）中示出²²。

湍动能方程（k）

湍流耗散率方程（e）

其中r是密度； t是时间； xi和xj是坐标方向； ui是平均速度； m是粘度； mt是湍流粘度； C1e，C2e和Cm是经验常数； Gk和Gb是分别由平均速度梯度和浮力产生的项； YM是可压缩湍流的脉动膨胀贡献； Sk和Se是根据实际工作条件定义的源术语； sk和se是分别对应于k和e的普朗特数。

电磁阀的FLUENT计算过程如图3所示。整个过程包括预处理，数值计算和后处理。 预处理是建立仿真模型的过程，并且在仿真模型中采用了混合网格生成。 后处理是计算结果的可视化过程。

表1.常用的方法和技术

如图4所示，灰色区域代表计算域，绿色箭头表示气流的方向，计算域的入口是压力入口的边界条件，出口是压力出口的边界条件，而出口是压力入口的边界条件。 其余都是绝热墙。 在实际测试中，电磁阀的工作端口由于直接连接到压力传感器，因此与阻塞状态相似。 为了便于与测试结果进行比较，此处的边界条件是绝热壁。 使用FLUENT中的动态网格技术

移动阀芯，通过事件功能实现阀口的切换。 因此，模拟了电磁阀的开关动作的整个过程。

图3.电磁阀的FLUENT计算过程

由于阀芯底部和顶部之间存在明显的压力差，因此阀芯底部的平均压力较大。作用在阀芯上的空气动力是由压力差产生的，该压力差驱动或阻止阀芯的运动。

根据计算出的阀芯底部和顶部的总压力，可以通过公式（3）计算出阀芯的空气动力。

其中S1和S2是阀芯的顶部和底部面积（m2），P 1和P 2分别是阀芯的顶部和底部的平均压力（Pa），Fq是气动功率阀芯的取入口相对压力为6.3 bar的变化

阀芯底部和顶部上阀芯位移的平均压力如图5所示。随着阀芯位移的增加，阀芯底部距离压缩气体的射流孔越来越远。阀芯底部的平均压力逐渐降低。阀芯顶部的平均压力先降低，然后随阀芯位移的增加而增加，并在位移1 mm时达到最小值。它主要由电磁阀内部的流场分布决定。

保持出口相对压力为0，更改入口压力并单独进行模拟。 空气动力与阀芯位移的关系如图6所示。随后建立空气动力学模型，以进气压力和阀芯的位移为输入，并以空气动力学力作为输出，以拟合方程式回归分析的方法。 最大误差为0.5 N，得到的空气动力学方程如下

其中Fq是阀芯的气动功率（N），x表示阀芯的位移（mm），p表示进口的相对压力（bar）

图4.二维（2D）流场分析模型

电路模型

从电路的角度来看，当电磁阀处于

通电后，电磁线圈和电源形成回路。 等效电路如图7所示。该电路方程式可从基尔霍夫的电压定律获得

其中i是回路（A）中的电流，U是电源电压（V），N是线圈匝数； Phi;是线圈磁通（Wb）且R是电磁线圈（O）的电阻。

阀芯排量/ mm

(b)

2

1.5

1

0.5

0.5 1 1.5 2 0

阀芯排量/ mm

(a)

0

400

690

425

705

450

720

500

475

735

图5.平均压力随阀芯位移的变化：（a）在阀芯底部，（b）在阀芯顶部

图6.阀芯的空气动力变化移位

图7.等效电路

图8.电磁阀的磁路

图9.等效磁路

磁路模型

电磁阀的磁路简化如图8所示。从磁路的角度来看，电磁阀的磁路由三部分组成：²³静态铁芯，气隙和可移动铁芯的简化模型。等效磁路如图9所示。假设磁路未饱和，则不考虑磁阻和磁场边缘效应，感应涡流和磁芯中的磁通量泄漏的影响。

根据安培定律，可以得出磁路方程

公式（7）和（8）分别是磁场和磁通量的公式

通过公式（7）和（8）计算气隙的磁场强度

铁芯的磁场强度

电磁吸力通过麦克斯韦电磁吸力公式计算

其中Hm是铁芯的磁场强度（A / m），Hd是气隙的磁场强度（A / m），lm是铁芯的长度（m），B是磁感应强度强度（T），Sd是气隙的截面积（m2），u0是相对透气率（H / m）。

机械运动模型

当电磁阀通电时，电磁线圈产生电磁吸力，并且阀芯在弹簧力，电磁吸力，重力，摩擦力和空气动力的作用下移动。

从牛顿定律获得

其中Fm是电磁吸力（N），Fk是弹簧力（N），Fg是阀芯的重力（N），Ff是粘滞阻力（N），Fq是空气力（N） 。

整体模型

仿真模型的关键参数如表2所示。d是初始气隙，C是粘性阻尼系数，k是弹簧系数，x0是弹簧预紧力。

如图10所示，从空气动力学模型，电路模型，磁路模型和机械运动模型建立了电磁阀响应特性的整个数值模型。

参数

N

R（Omega;）

delta;（mm）<!-- 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料 资料编号：[234441]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word