纯水先导式电磁阀液阻试验研究及特性仿真

张德生 赵继云 王振兴 徐 展

中国矿业大学，徐州，221116

纯水先导式电磁阀液阻试验研究及特性仿真

张德生 赵继云 王振兴 徐 展

中国矿业大学，徐州，221116

为研究液阻对主阀性能的影响，搭建了纯水液压试验平台，分别对孔径为1.2mm、1mm和0.8mm三种规格的节流喷嘴与所选先导阀串联情况下的压差－流量特性进行了试验。利用AMESim软件建立了先导式电磁阀的仿真模型，结合节流喷嘴和先导阀压差－流量试验数据对开启压力、工作压差及阀芯位移等进行了仿真。仿真结果表明：节流孔液阻主要影响主阀开启压力，对主阀流动特性影响较小。选用孔径为1.2mm的节流喷嘴时，主阀由于高低腔间压差太小，无法开启；选用孔径为1mm和0.8mm的节流喷嘴时，主阀开启压力分别为0.24MPa和0.2MPa，考虑大的孔径抗阻塞能力强，故孔径为1mm的节流喷嘴为优选方案。

水压传动；先导式电磁阀；低压；液阻；AMESim

0 引言

纯水是指直接过滤后的自然水，具有清洁环保、来源广泛、防爆阻燃、环境友好等独特优势［1］，与油介质相比，纯水可显著提高偶合器的扭矩系数［2］，目前，纯水逐渐取代液力传动油、高水难燃液等而成为煤矿井下液力偶合器最主要的工作介质。应用于煤矿工作面大功率刮板输送机的阀控充液型偶合器［3］即采用纯水作为工作液，其充液、排液过程由低压大流量先导式电磁阀组进行控制。电磁阀的通流能力、耐污性对阀控偶合器的调控性能及可靠运行有着直接影响，是阀控偶合器的核心部件之一。

目前对水介质（或高水基）电磁阀的研究多集中在中高压阀，如先导式电磁开关阀、先导式溢流阀及液压支架中电液控阀等［4－6］，专门针对低压阀的研究较少。液阻是构成液压阀的基本单元，对整阀性能有着直接影响，文献［7］针对固定阻尼孔对水压伺服阀的静态特性影响进行了研究，得到了阻尼孔参数的优化组合。文献［8］对以高速开关阀为先导阀的锥阀进行了研究，分析了锥阀芯上阻尼孔径对压力大小及响应过程的影响。

对于低压先导式电磁阀，先导阀自身液阻不可忽略。本文将先导阀部分视为液阻，分析了先导式电磁阀的工作原理，并对不同节流孔和先导阀组合时的压差－流量特性和压力分配规律进行试验研究，利用试验数据对主阀进行仿真分析，寻求合理参数组合，为开发抗阻塞能力强、可靠性高的低压大流量先导式电磁阀提供指导。

1 先导式电磁阀结构原理和问题分析

1.1 结构原理

先导式电磁阀由电磁先导阀（简称先导阀）与主阀组成，两者之间有节流通道联系，其结构原理如图1所示。图中，R1、R2分别为节流孔和先导阀液阻，两者串联连接，构成先导液压半桥；p1为供液压力，p2为主阀芯上腔压力，满足如下关系式：

图1 先导式电磁阀结构原理示意图

主阀的上腔为敏感腔，作用面积为A2，弹簧刚度为k；下腔为高压腔，作用面积为A1（A1＜A2）。当先导阀处于失电关闭状态时，液阻R2无穷大，工作介质通过节流孔进入主阀上腔，由式（1）知p1＝p2，主阀芯在上腔液压力和弹簧力双重作用下处于关闭状态。

当先导阀得电开启时，介质通过节流孔－上腔－先导阀通道进入偶合器（近似为无压腔），在节流孔和先导阀处分别形成压降，由式（1）知p1＞p2，当下腔液压力足以克服上腔液压力、弹簧力及阀芯与阀套之间的摩擦力时，主阀芯将开启，介质经主阀口进入偶合器进行充液。

以上是对偶合器充液阀的分析，排液阀工作原理与之类似。

主阀开启前平衡条件为Fp2＋Ft＋Ff＝Fp1（Fp2为上腔压力，Ft为弹簧力，Ff为摩擦力，Fp1为下腔压力），即

忽略弹簧力和摩擦力，即kx0＋Ff＝0，得到开启结构参数条件为R1＞（k1－1）R2，用压力表示为Δp1＞ （k1－1）Δp2。

若先导阀的通流能力很强，即R2＝0，得到开启压力参数条件为

1.2 问题分析

由上述分析可知，液阻对先导式电磁阀的开启起关键性作用，在主阀结构确定条件下，要正常开启，则希望液阻R1较大，R2较小。对于细长孔型节流孔，孔径越小，孔深越长，液阻也就越大，但也易导致堵塞现象发生。供液液压系统中虽然设置了高精度过滤器，然而由于偶合器工作过程中因滑差的存在产生大量的热使水温升高（带载启动或堵转时的温升尤其严重），若水质较硬则不可避免产生水垢，阻塞节流孔，致使主阀失控，偶合器无法正常充液、排液，影响整个工作面的生产甚至威胁人身安全。若要保持较大节流孔直径，提高抗堵塞能力，则必须使R2降低，即要求先导阀具有较强通流能力。在先导阀确定条件下，则需寻求满足开启和正常工作要求的尽可能大的节流孔。

除结构参数外，流动形态对节流孔液阻同样有重要影响［9］。液体在细长节流孔中的流动一般处于层流和紊流之间的过渡状态，流体的内摩擦力和惯性力都起着一定的作用，一般通过试验方法来确定参数之间的关系［10］。先导阀内部孔道复杂，公式计算存在较大误差，同样有必要对节流孔压差－流量特性进行试验研究，准确了解其阻力特性，以保证所设计先导式电磁阀在规定压力范围内正常工作。

2 试验原理和数据采集系统

2.1 液压系统

图2是压力分配试验系统原理图。在串联连接的节流喷嘴9和先导阀10前后布置了三个压力传感器8a、8b、8c，用来测定节流喷嘴和先导阀前后压差。流量传感器11布置在回液管路上，用以测量系统流量。溢流阀6设在泵出口，用来调定系统工作压力。为保证系统正常工作，设置两级过滤装置。

节流喷嘴如图3所示，孔深度取5倍孔径d，试验中对d分别为0.8mm、1mm及1.2mm的喷嘴进行测试。被试先导阀选择宁波宝得电磁阀有限公司生产的二位二通微型电磁阀，该阀主要参数如下：通径为1.5mm，压力范围为0～1.6MPa，工作电压为24V（直流）。

图2 压力分配试验系统

图3 节流喷嘴

2.2 数据采集系统

数据采集系统如图4所示。压力传感器为压阻式，输出4～20mA电流信号，对其进行电流－电压转化，输出1～5V电压信号；流量传感器输出的是方波信号，采集卡无法直接识别，采用TTL电路进行调理，转化成标准TTL信号，利用采集卡的计数功能进行采集。采集卡将采集到的信号经PCI总线传输到工控机，利用LabVIEW软件进行处理。该系统可以实现压力—流量特性及先导阀动态响应等项目测试。

图4 数据采集系统框图

3 试验方案和结果

3.1 试验方案

如图2所示，被试先导阀10处于关闭状态，手动调节溢流阀6的压力（通过压力传感器8a读取）来设定不同的测试压力（最大至1.8MPa）。调整到设定压力后，打开先导阀使系统导通，待稳定后保存压力传感器和流量传感器的数值。压力传感器8a测得值为总压力p1，压力传感器8a与压力传感器8b的压力之差Δp1为节流喷嘴压降，压力传感器8b与压力传感器8c的压力之差Δp2为先导阀压降，流量传感器所测为系统流量。在同一坐标系上绘出压力随流量的变化关系，即得到压差－流量曲线，并可直观看到各部分压力分配关系。

3.2 试验结果

图5所示为孔径分别为0.8mm、1mm和1.2mm的节流喷嘴与先导阀串联相接得到的压力／压差－流量曲线。

图5 节流喷嘴与先导阀串联的压力／压差－流量特性

由图5可以看出，节流喷嘴孔径变化对压力分配影响非常显著，随孔径增大，节流喷嘴所分配压降减小，先导阀所分配的压降增大，相应主阀的上腔压力将增大，有可能无法满足开启条件。系统流量随节流喷嘴孔径的增大而增大，最大值由1.2L／min增大到2.3L／min，因先导阀液阻未变化，故其所产生压降随流量增大而增大。孔径为0.8mm的节流喷嘴因液阻较大，分配了大部分压降，相应地，先导阀产生压降很小；孔径为1.2mm的节流喷嘴的压降与先导阀处压降最为接近。

4 主阀仿真分析

4.1 仿真模型建立

由于水的黏度低，若采用锥面密封或滑阀结构则易泄漏，尤其是对低压阀来说，泄漏更为严重，因此主阀采用平面阀密封结构，阀芯与阀座之间采用橡胶软料密封，此种结构密封效果好，耐污能力强。在主阀底部有一段尾锥与阀口配合，可有效降低冲击。主阀芯结构可以参照图1，主要参数见表1。

表1 主阀参数

利用AMESim软件，建立主阀的仿真模型，如图6所示，所模拟状况为先导阀开启状态。由于实际与工作口配合的是尾锥，平面阀仅起到开关作用，即开启后工作介质直接到达锥阀入口，故忽略平面阀的压力损失，在模型中给其设置一个大的流量系数（1000）。液阻根据流量和压力的对应关系来表示，以提高仿真准确性，将图5中的喷嘴及先导阀压差－流量数据生成文本文件格式，赋给R1、R2。比例溢流阀的最大工作压力设为1.6MPa，且可根据控制信号在0到最大值间线性调节。

图6 整阀仿真模型

4.2 仿真结果分析

设定控制信号为斜坡信号，比例溢流阀工作压力由0线性增至1.6MPa。将三种孔径的节流喷嘴的压差－流量数据赋给R1、R2。在平面阀开启前，由于未有液体通过，压力为0；一旦开启，由于平面座流量系数设定很大，则图6A处的压力为溢流阀调定压力，即主阀的开启压力。仿真结果表明：采用孔径为1.2mm的节流喷嘴时，A处压力恒为0，无法使主阀打开；采用孔径为1mm和0.8mm的节流喷嘴时A处的压力变化曲线如图7所示，孔径为1mm的节流喷嘴开启压力约为0.24MPa；孔径为0.8mm的节流喷嘴开启压力减小，约为0.2MPa。开启后压力先上升然后下降，该现象因尾锥有2mm的负遮盖（图1）而致。

将比例溢流阀压力调至1.6MPa，在400 L／min及240L／min流量下，考查主阀入口A处的压力及位移情况。A处的压力约1s后趋于稳定，稳定压力在0.1MPa左右，实现了低压大流量工作要求。当d＝1mm、Q＝400L／min（Q为流经主阀的流量）时，A处的压力最大，约为0.1MPa；当d＝0.8mm、Q＝240L／min时，A处的压力最小，约为0.09MPa，压力差别不大。

图7 主阀开启压力

图8所示为主阀芯开度随时间变化关系，可以看出流量对主阀芯开度影响较大，Q＝400 L／min时开度约为7mm，Q＝240L／min时约为4mm。喷嘴的孔径对阀芯开度影响不大，在相同流量下，d＝0.8mm时的主阀开度比d＝1mm时的主阀开度略大。

图8 主阀芯位移曲线

通过仿真结果可看出，孔径为1mm的节流喷嘴的开启压力高于孔径为0.8mm的节流喷嘴的开启压力，在相同流量下其工作压差及开度与孔径为0.8mm的节流喷嘴相差较小。考虑孔径越大，抗阻塞能力越强，选择孔径为1mm的节流孔与电磁先导阀相匹配，进行主阀设计。

5 结论

（1）节流孔和先导阀液阻是低压大流量先导式电磁阀设计敏感因素，主阀结构确定条件下，两者决定着主阀能否开启。对于试验选用的通径为1.5mm的电磁先导阀，孔径为1.2mm的节流喷嘴无法使主阀开启，孔径为0.8mm的节流喷嘴易致阻塞，孔径为1mm的节流喷嘴是相对合理匹配。

（2）节流喷嘴孔径主要影响开启压力，对开启后的工作压差和主阀芯开度影响较小。

（3）若要寻求更大通径的节流孔，提高抗阻塞能力，更好满足水介质偶合器使用要求，需选择更大通流能力的先导阀。

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Experimental Investigation of Hydraulic Resistances and Characteristics Simulation on Pure Water Pilot Operated Solenoid Valves

Zhang Desheng Zhao Jiyun Wang Zhenxing Xu Zhan
China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu，221116

To investigate the influences of liquid resistance on the main valve performance，a hydraulic experimental system for pure water was built，and three sizes of throttle nozzles with diameter 1.2mm，1mm and 0.8mm were separately serial connected to pilot valve to be tested，then the corresponding pressure－flow characteristics were tested.Using AMESim software，a simulation model was built based on the structure of pilot operated valve.Combining with the experimental data of pressure－flow characteristics，the simulation results of opening pressure，running pressure and poppet displacements were studied.The results indicate that the hydraulic resistance of throttle orifice affects mainly the openning pressure and has only a little influence on the flow characteristics of main valve.The pressure difference between high pressure chamber and low pressure chamber are too small to open the main valve when using 1.2mm throttle oriffice，the openning pressure using 1mm throttle orifice is 0.24MPa，0.8mm is 0.2MPa.Considering that the small hole is easy to choke，then 1mm throttle orifice is the optimization scheme.

water hydraulic；pilot operated solenoid valve；low pressure；hydraulic resistance；AMESim

TH137.5

1004—132X（2011）01—0005—05

2010—03—26

“十一五”国家科技支撑计划资助项目（2008BAB36B04）；江苏省研究生科研创新计划资助项目（CX09B＿112Z）

book=0,ebook=67

（编辑 郭 伟）

张德生，男，1982年生。中国矿业大学机电工程学院博士研究生。主要研究方向为液力传动技术及应用。赵继云，男，1966年生。中国矿业大学机电工程学院教授、博士研究生导师。王振兴，男，1985年生。中国矿业大学机电工程学院硕士研究生。徐 展，男，1986年生。中国矿业大学机电工程学院硕士研究生。