纯水高速开关阀的设计与耦合仿真分析

(1.四川建筑职业技术学院 机电与信息工程系， 四川 德阳 618000；2.昆明理工大学 机电工程学院， 云南 昆明 650093)

引言

伴随着计算机控制技术的发展，数字控制的液压系统已广泛应用于航空航天、汽车、冶金、农业机械、工程机械等重要领域， 数字控制液压技术也称为液压技术重要的发展趋势之一[1-5]。高速开关阀是利用脉冲信号对阀芯的启闭进行高频控制，以实现对液体流量的调节，其无需D/A转换器即可实现稳定的数值化电液控制，具有结构简单、价格低廉、抗污染能力强的优点，获得了科研人员的广泛关注[6]。近年来，由于液压系统对高频响应、高速控制以及绿色制造的需求，对高速开关阀提出了新的要求。

日本不二越公司设计的一种带有隔磁环的高速开关阀，可减小电感，以达到加快响应速度的目的[7]。FRANTISEK MACH等[8]则设计了一种由双电磁铁驱动的高速开关阀，电磁铁分别对阀芯进行启闭操作，通过电磁铁的作用加快阀芯闭合时间。满军等[9]设计了一种用于高速开关阀的永磁屏蔽式电磁铁，通过在衔铁与线圈骨架之间嵌入的环形永磁铁，改变经过衔铁和气隙的磁路，从而改变电磁铁力的大小以加快开关阀的响应速度。刘向阳等[10]提出了一种用音圈电机作为驱动器的直驱式高速开关阀，在阀芯和位移传感器上构成闭环控制系统，大大提高了开关阀的静态特性。任好玲[11]、孟爱红[12]等设计了一种常闭式高速开关阀，并分析了阀芯动态性能。本研究设计了一种采用纯水介质的二位三通高速开关阀，并考虑开关阀中电气、磁场、机械、液压四部分的相互作用，建立了耦合数学模型，并通过其静动态性能进行了仿真分析。

1 纯水高速开关阀的结构设计

1800年英国人Bramab发明了第一台工业应用的水压机，这标志着液压传动技术的成熟，至19世纪末，水压传动技术已在欧洲各国广泛使用。但由于水介质的物理化学特性，极易使水压系统或元件产生气蚀、泄漏、侵蚀、冲蚀、腐蚀、水击、振动、噪声等，因而逐渐被液压油介质所取代。但时至今日，以上缺陷已经可以通过设计合理的结构、采用新的工程材料以及选用有效的密封形式所克服。本研究所设计的纯水高速开关阀密封选用耐热性、耐磨性和抗冲击性能良好碳石墨材料、主阀阀芯采用高强度、耐蚀性、抗菌性能优异的处理马氏体不锈钢制造，阀套则采用耐磨损、耐腐蚀性以及自润滑性能优良的金属石墨材料制造。图1为本课题所设计的二位三通纯水高速开关阀的结构简图。

电磁铁5收脉冲信号控制，当脉冲信号为低电压时，电磁铁5断电，主阀阀芯4在阀芯复位弹簧1及液压油的作用下位于右边极限位置，此时T口与A口接通，当脉冲信号为高电压时，电磁铁通电，衔铁6克服弹簧力，推动主阀阀芯4向左运动，P口与A口接通，实现对执行机构流量、压力的控制。

1.复位弹簧 2.阀体 3.阀套 4.主阀阀芯 5.高频电磁铁 6.衔铁图1 二位三通纯水高速开关阀结构简图

2 纯水高速开关阀的耦合数学模型

纯水高速开关阀内含有电磁回路、机械部分、液压系统，如图2所示，电与磁之间通过磁阻及激励电流进行耦合连接，磁与机之间通过衔铁的位移与电磁吸力进行耦合连接，机与液之间通过液动力实现耦合连接，各部分之间有着紧密的相互作用，可以发现，高速开关阀是1个耦合度较高的耦合体。

图2 纯水高速电磁开关阀子系统的耦合关系

通过对电、磁、机、液4个子模块的分析，建立高速电磁开关阀的耦合数学模型如下。

式中，u(t) —— 施加在线圈上的电压

R—— 线圈的电阻

Ψ—— 线圈总磁链,Ψ=Li(t)

L—— 线圈的电感，它与衔铁的位置是相关的，即L=L(x)

Fm—— 电磁力

Fspring=k(x+x0) —— 弹簧力

Fw—— 液动力

Fz—— 阻力

m—— 阀芯等效质量

θ—— 锥阀锥角

x—— 阀芯位移

3 纯水高速开关阀的耦合仿真分析

3.1 耦合仿真模型建立

电磁仿真软件Ansoft和系统仿真软件AMESim，二者在电磁铁设计上的功能结构不同，但却具有很强的互补性。

系统仿真软件AMESim能够根据电磁铁的结构参数便捷地构建整个电磁铁乃至整个电磁阀的仿真模型，但其电磁铁模型基于磁路理论构建，准确性较低；而Ansoft是基于物理原型的有限元建模分析，在电磁方面能够提供比较准确的电磁仿真结果，但系统分析能力不强。综合上述两仿真软件的优势，将Ansoft的电磁铁分析仿真结果编成AMESim系统仿真时可调用的数据表格，对整个纯水高速电磁开关阀进行建模分析，来获得高频电磁铁的动态响应结果，使得仿真数据更为准确。在AMESim中构建的耦合仿真模型如图3所示。

1.PWM调制信号 2.电压源 3.电磁铁 4.介质参数定义单元 5.压力源 6.阀体 7.流量传感器 8.压力传感器图3 耦合仿真模型

模型仿真参数设置如表1所示。

3.2 耦合仿真分析

图4为额定流量为10 L/min，脉冲占空比取0～1时开关阀的空载流量曲线，可以看出当占空比较小和较大时，开关阀出现较强的非线性。此时阀的控制性能较差，而占空比取0.15～0.85之间时，开关阀的具有良好的线性关系，这意味着要确保开关阀的流量特性，应选择合理的占空比。

表1 AMESim仿真模型参数设置

图4 纯水高速开关阀空载流量特性曲线

图6为开关阀的阶跃响应曲线，由于阀芯存在较大的粘性阻尼与摩擦力，阀芯位移响应曲线并未出现超调现象。阀芯开启时间为2.15 ms，关闭时间为2.36 ms，关闭时间大于开启时间。这主要是由于电磁铁磁滞的存在，而要提高开关阀的响应速度，应着手于减小电磁铁磁滞、增加弹簧力以及减小阀芯运动的摩擦力。

图5 纯水高速开关阀的流量压力特性

图6 纯水高速开关阀的阶跃响应曲线

通过阀芯开启时间2.15 ms、关闭时间2.36 ms，可计算得到开关阀最大响应频率为222 Hz，当激励频率超过222 Hz后，开关阀无法做出响应。如图7为不同频率下的阀芯无量纲位移与占空比的关系，可以看出随着控制脉冲频率的减小，阀芯线性度范围减小。减小开关阀的开启、关闭时间，有利于提高阀的最大响应频率，从而改善阀芯的线性度范围。

图7 不同频率下的阀芯无量纲位移和占空比的关系

4 结论

通过对所设计的纯水高速开关阀分析发现，当控制脉冲采用过小或过大的占空比时，开关阀流量控制会出现死区及非线性特征；而采用较大占空比时，开关阀流量受压降影响相对较小；由于本开关阀阀芯与阀套间存在较大的粘性阻尼与摩擦力，阀芯位移的阶跃响应曲线并未出现超调现象，阀芯稳定时间较短，但受电磁铁磁滞的影响，阀芯关闭时间大于开启时间；阀芯线性度随控制脉冲频率的增大而降低，减小开关阀的开启、关闭时间，有利于扩大阀芯的线性度范围。对于同类相关设计具有一定的参考价值。