基于AMESim的HXD2机车用撒沙电磁阀仿真与分析*

杜凯军，刘建新，王甜甜，王俊勇，陈迪来

(1 西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川成都610031; 2 青岛地铁集团有限公司 运营分公司，山东青岛266000; 3 西南交通大学 机械工程学院，四川成都610031)

基于AMESim的HXD2机车用撒沙电磁阀仿真与分析*

杜凯军1，刘建新1，王甜甜2，王俊勇3，陈迪来3

(1 西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川成都610031; 2 青岛地铁集团有限公司 运营分公司，山东青岛266000; 3 西南交通大学 机械工程学院，四川成都610031)

分析了HXD2机车用撒沙电磁阀的结构及工作原理，利用AMESim软件对该撒沙电磁阀进行了建模和仿真，从仿真结果分析了各参数对撒沙电磁阀的影响，对改进及优化撒沙电磁阀的内部结构，提高撒沙电磁阀工作性能有着重要意义。

HXD2机车;撒沙电磁阀;AMESim;建模;仿真

HXD2电力机车由中国北车集团大同电力机车有限责任公司与法国阿尔斯通交通股份公司联合开发研制，为八轴电力机车，单轴功率为1 250 kW，总功率可达10 000 kW。HXD2电力机车担负着大秦线繁重的运输任务，撒沙系统可以直接改善机车轮轨间的黏着系数，性能优异的撒沙系统可以有效的抑制轮对的空转，在恶劣的轮轨条件下可以改善机车的轮轨黏着提高牵引性能，从而保障运输能力和行车安全，而撒沙电磁阀在撒沙系统中又起到最关键的作用。

1 撒沙电磁阀结构及工作原理

1.1 撒沙阀的结构

撒沙电磁阀主要由撒沙阀阀体、电磁阀、阀芯、弹簧、胶套、胶塞、托板、密封圈等组成。如图1所示。

1－撒沙阀阀体;2－O形密封圈;3－堵头1;4－胶塞;5－M4丝堵;6－撒沙阀阀芯; 7－O形密封圈;8－胶套1;9－铜套;10－胶套2;11－托板;12－堵头2; 13－预紧弹簧;14－电磁阀;15－撒沙阀阀体。图1撒沙电磁阀结构组成图

1.2 撒沙电磁阀工作原理

撒沙电磁阀未通电时，电磁阀气路是断开状态，胶套10在弹簧B的压力作用下压紧在阀体内的锥面上，进气口A与出气口B不通气。此时，气室Ⅰ与进气口相通，气室Ⅱ与出气口相通，气室Ⅲ与排气口相通，气室Ⅳ通过气孔H通大气，气室Ⅴ通过电磁阀气孔D通大气。

撒沙电磁阀通电时，电磁阀气路接通，进气口A处的压缩空气依次经过气路G、气孔F、气孔D、气路E，进入气室Ⅴ，空气压力作用在阀芯的胶塞上，克服弹簧压力、阀芯组件与阀体间摩擦力以及作用在阀芯托板上的空气压力等，推动阀芯组件向左移动，同时胶套10与阀体锥面分离，胶套8与阀体锥面压紧，进气口A处压缩空气从出气口B排出，吹动沙子到轮轨接触面，撒沙电磁阀实现撒沙动作。

当完成撒沙后，将撒沙电磁阀断电，电磁阀气孔D与气孔F间气路断开，同时气室Ⅴ中的压缩空气通过电磁阀气孔D通大气，在弹簧压力及作用在托板上的空气压力下，阀芯组件被推动向右移动，胶套10重新压紧在阀体内的锥面上，胶套8与阀体内的锥面分离，排气口B与气室Ⅱ中的压力气体通过排气口C通大气。

2 撒沙电磁阀的数学模型

在建立撒沙电磁阀数学模型时，特作如下假设:(1)把工作介质看作是理想气体，气体流动为一维定常等熵流动，阀体是绝热的;(2)描述阀腔内的气体参数采用集中参数方法，认为阀腔内气体的温度、压力以及密度分布均匀;(3)不考虑阀体密封不良造成的气体泄漏的影响;(4)认为气体流动初始状态速度为零;(5)忽略气体的动能和位能;(6)不计气体流动时的沿程损失;(7)不考虑温度变化对电阻的影响。

2.1 质量流量方程

气体在阀体、管路中的流动过程是非常复杂的，为了便于研究，通常把气路系统中的气孔等效成收缩喷嘴。气孔的质量流量计算公式为:

式中Cd为孔口流量系数;A为孔口截面积;pi、pe为分别表示孔口入口压力、孔口出口压力;Ti为孔口入口空气温度;R为气体常数;k为空气绝热指数;ε0为临界压力比(对于空气及双原子气体ε0=0.528)。

2.2 质量守恒方程

根据质量守恒定律，单位时段内流入阀体内的气体质量、单位时段内流出阀体外的气体质量、单位时段内阀体内气体总质量的变化量，三者相等，计算公式为:

式中ρi为流入阀体气体的密度;ρe流出阀体气体的密度;Ai为流入阀体孔口的截面积;Ae为流出阀体孔口的截面积;vi流入阀体气体速度;ve为流出阀体气体速度;表示单位时段内阀体内气体总质量的变化量。

2.3 能量守恒方程

在假设中忽略了气体的动能和位能，但在阀体动作过程中，阀体内的气体还会做机械功，可得阀体内能量方程为:式中E=CVTM(内能方程);h=CPT(焓方程)。

2.4 质量系统的运动方程

在撒沙电磁阀动作过程中，阀芯受到的力除了弹簧预紧力、气体压力之外，还有非线性的摩擦力、阻尼力还有气体流动作用力等。对阀芯组件进行运动分析，可得出阀芯组件的受力平衡方程为:式中M为阀芯组件的等效质量;C为阻尼系数;K为预紧弹簧刚度;X为阀芯位移;t为时间;FK为弹簧预紧力;Ff为摩擦力;Fl为流体流动作用力;A1为胶塞等效受力面积;A2为托板等效受力面积。

2.5 电路方程

电磁阀线圈中的电路模型计算公式为:

式中U为线圈电压;i为线圈电流;R为回路总电阻;ψ为线圈总磁链;t为通电时间;L为线圈电感;x为气隙长度。

2.6 磁路方程

撒沙电磁阀中电磁阀模型的磁路方程为:

式中H1为轴向磁路磁场强度;l1为轴向磁路长度;H2为径向磁路磁场强度;l2为径向磁路长度;H3为衔铁和极靴磁场强度;l3为衔铁和极靴长度;为磁路中的磁通量;Rm为漏磁元件等效磁阻;H0为气隙中的磁场强度;δ0为初始气隙长度;xv为阀芯位移量。

线圈磁场强度B计算公式为:

式中μ0为真空磁导率;N为线圈匝数;i为线圈中的电流;lg为阀口气隙长度。电磁力计算公式为:

3 撒沙电磁阀的AMESim建模仿真分析

3.1 软件简介

AMESim软件是由Imagine公司开发的多领域系统仿真集成平台，可以创建和运行多物理场仿真模型，以分析复杂的系统特性，可以进行机、电、液、气、控、热、电磁等多学科综合系统仿真，有效解决了试验研发耗时耗资的缺点，成为系统虚拟优化设计的主流技术。使用AMESim对撒沙电磁阀进行建模仿真分析，具有建模便捷、模型准确、运算快速等优点，基于仿真结果进行的静动态特性分析，能够较好的仿真撒沙电磁阀性能，对撒沙电磁阀的动作状态和结构机理可做到更全面直观的理解，能够预测各结构参数对阀性能的影响，可以更好的指导阀的设计和改进工作，有效节省设计和试验成本。

3.2 模型的建立

使用AMESim建模时分为4步:从应用库中选取需要的现有的图形模块来建立系统的模型见图2;为每个图形模块选取合适的数学模型;为每个图形模块设定特定的参数见表1～表2。运行模型仿真并分析仿真结果。

3.3 撒沙电磁阀的AMESim模型仿真分析

撒沙电磁阀在稳定状态下工作时，若不考虑外界环境温度对其的影响，其温度基本没有变化，气体温度的变化主要是由于气体压力变化导致气体体积变化而引起的，撒沙电磁阀能否稳定可靠的工作，主要取决于其本身的结构参数等内部因素，下面分析工作电压、线圈匝数、气隙长度、预紧弹簧刚度对撒沙电磁阀响应的影响，见图3～图12。

表1 主要子模型功能

图2 基于AMESim的撒沙电磁阀仿真模型

图3 电磁阀阀芯位移、撒沙阀阀芯位移仿真响应曲线

表2 主要仿真参数

由图3和图4对比可以看出，电磁阀阀芯完全开启响应时间为30～35 ms，完全关闭响应时间为 44～50 ms。由图3和图5对比可以看出，撒沙阀阀芯完全开启响应时间为20～25 ms，完全关闭响应时间为16～25 ms。仿真曲线与试验曲线吻合的很好，响应时间基本一致，证明了仿真模型的准确性。

图4 电磁阀阀芯位移试验响应曲线

图5 撒沙阀阀芯位移试验响应曲线

从图3中可以看出，电磁阀阀芯、撒沙阀阀芯在开启关闭过程中存在着明显的延迟现象。其主要原因是:首先，开启电磁阀阀芯时，需要克服作用在阀芯上的各种阻力，由电磁感应原理可知，线圈的电磁力不可能在瞬间上升到最大值，所以电磁阀阀口完全打开需要一定的时间;而撒沙阀依靠压缩空气推动阀芯运动，电磁阀阀芯刚开始运动时开口很小，从压缩空气通过电磁阀阀口充满气室Ⅴ到克服阻力推动阀芯运动也需要一定的时间。其次，撒沙阀阀芯、电磁阀阀芯本身有一定质量，在运动过程中必须克服相应的惯性力，产生动作延迟。再者，电磁线圈在断电时会产生自感电流，在断开开关的同时，电磁力不会瞬间消失，从而导致关闭延迟。最后，迟滞现象产生的剩磁也会导致阀芯运动的延迟。由以上分析可知，阀芯动作延迟是固有物理特性，是不能完全消除的，只能尽量减小。

图6 电压对电磁阀阀芯位移响应的影响

图7 电压对撒沙阀阀芯位移响应的影响

撒沙电磁阀正常工作的电压为直流110 V，按照EN 50155标准规定供电电压变化:最小电压为0.7 U，最大电压为1.25 U。取输入电压为77 V、110 V、137.5 V进行仿真，得到的结果如图6、图7所示，从图中可以看出，在3种电压下，撒沙电磁阀均能顺利开启关闭。输入的电压越大，回路中的电流越大，电磁力越大，阀开启的时间越短。因为软磁材料有剩磁的特性，当切断电压后仍然具有磁性，电压越高，剩磁越多，电磁阀关闭时则需要更长的时间来克服剩余磁力。

图8 线圈匝数对电磁阀阀芯位移响应的影响

图9 线圈匝数对撒沙阀阀芯位移响应的影响

由式(8)可知，理论上电磁力与线圈匝数的平方成正比。从图8、图9可以看出，随着线圈匝数的增加，电磁力相应增加，阀芯响应时间变短，但是同时也使线圈的感应系数增大，线圈感应电压变大，弹簧力克服电磁力关闭阀的时间变长。若线圈匝数太多，阀开启响应变快，但感应电压产生的电磁力变大，阀的关闭响应时间变长。若线圈匝数太少，关闭响应虽会变快，但线圈产生的电磁力太小，阀芯开启的动作会很慢甚至无法开启;所以需要合理选择线圈匝数，在满足阀可靠工作的前提下，使开启时间和关闭时间得到平衡。

图10 气隙长度对电磁阀阀芯位移响应的影响

图11 气隙长度对撒沙阀阀芯位移响应的影响

气隙长度对电磁阀、撒沙阀动作响应的影响由图10、图11可以看出，当气隙变大时，气隙间的磁阻变大，初始时电磁力变小，电磁力上升过程变慢，所以阀的开启时间变长。关闭时，由于阀芯的运动行程变长，阀关闭的时间变长。当气隙很大时，电磁力很小，阀将开启很慢甚至无法开启。气隙太小时，对加工工艺要求太高，容易造成气隙存在的相对误差变大。气隙的大小对电磁阀的工作性能、适用范围有很大的影响，所以我们要合理选择气隙长度。

图12 预紧弹簧刚度对撒沙阀阀芯位移响应的影响

由图12可以看出，开启时，弹簧刚度越大，阀芯克服的弹簧阻力越大，开启时间越长;关闭时，弹簧刚度越大，弹簧力越大，阀芯关闭时间越短。所以选择弹簧刚度时，在确定合理的弹簧预紧力的同时，还要兼顾阀开启时间和关闭时间。

4 结束语

分析了撒沙电磁阀结构及工作过程，建立了其数学模型，通过使用AMESim软件对撒沙电磁阀进行了建模仿真，实现了气动系统、机械系统、电磁系统之间的耦合，分析了工作电压、线圈匝数、气隙长度、预紧弹簧刚度对撒沙电磁阀工作性能的影响，发现改变阀体的某些结构参数能使撒沙电磁阀开启响应(关闭响应)得到优化，但会使关闭响应(开启响应)恶化，优化撒沙电磁阀结构参数时需要全面综合考虑，通过严格的计算仿真以及充分的试验验证才能最终确定。对于整体把握撒沙电磁阀结构性能提供了参考，为理解和深入分析撒沙电磁阀的特性奠定了基础。

［1］ 吴望一.流体力学［M］.北京:北京大学出版社，1982.

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［3］ 任耀先.电磁铁优化设计［M］.北京:机械工业出版社，1990.

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Simulation and Analysis of HXD2 Locomotive Sanding Solenoid Valve Based on AMESim

DU Kaijun1，LIU Jianxin1，WANG Tiantian2，WANG Junyong3，CHEN Dilai3
(1 Traction Power State Key Laboratory，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031 Sichuan，China; 2 Operations Branch，Qingdao Metro Group Co.，Ltd.，Qingdao 266000 Shandong，China; 3 School of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031 Sichuan，China)

This paper analyzes the structure and working principle of HXD2 Locomotive sanding solenoid valve makes modeling and simulation for sanding solenoid valve based on AMESim software，and analyzes the factors which affected the sanding solenoid valve according to the simulation.This research has important significance for improving internal structure and working performance of sanding solenoid valve.

HXD2 locomotive;sanding solenoid valve;AMESim;modeling;simulation

U264.91

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2015.01.08

1008－7842(2015)01－0041－06

*国家自然科学基金项目(51375403)

9—)男，硕士研究生(

2014－08－28)