李新英 賈坤

摘 要：該文利用CFD仿真分析軟件，針對(duì)高壓氣動(dòng)電磁閥內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行分析計(jì)算，得到電磁閥泄壓過程中壓力損失，通過分析提出多種改進(jìn)方案，并對(duì)各方案進(jìn)行仿真計(jì)算，最終得到最優(yōu)改進(jìn)方案，使電磁閥壓力損失最小。在考慮壓力損失的同時(shí)該文還利用ANSYS結(jié)構(gòu)分析軟件通過流固耦合的方法對(duì)方案的靜強(qiáng)度進(jìn)行校核，在保證壓力損失最小的情況下同時(shí)保證強(qiáng)度滿足技術(shù)要求。

關(guān)鍵詞：電磁閥；壓力損失；仿真分析

中圖分類號(hào)：TH138 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

高壓氣動(dòng)電磁閥主要用于排出空氣增壓裝置中過濾器過濾出的微粒、水等雜質(zhì)，同時(shí)可將分離器腔體中的氣體排出，降低腔體壓力以利于壓縮機(jī)的正常啟動(dòng)。當(dāng)高壓氣體流過動(dòng)銜鐵壓力損失如果過大，就會(huì)造成彈簧力小于動(dòng)銜鐵兩側(cè)產(chǎn)生的壓力，使電磁閥在此工況下無法正常關(guān)閉。由于增壓裝置中的氣體壓力較高到達(dá)35 MPa左右，此類型電磁閥在設(shè)計(jì)時(shí)由于氣體流速較高會(huì)造成較大壓力的損失，使電磁閥閉合時(shí)間延長(zhǎng)影響閥的性能，如何降低壓力損失成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。

1 初始結(jié)構(gòu)及計(jì)算結(jié)果

1.1 初始結(jié)構(gòu)及工作原理

電磁閥初始結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

高壓氣體由氣壓電磁閥的進(jìn)氣口進(jìn)入，當(dāng)電磁閥斷電時(shí)，動(dòng)銜鐵由于彈簧力的作用，將密封墊壓死在閥座上，此時(shí)進(jìn)氣口與排氣口斷開，電磁閥處于關(guān)閉位置；當(dāng)電磁閥的線圈通電后，動(dòng)銜鐵在電磁吸力和氣體壓力的共同作用下，克服彈簧力并使動(dòng)銜鐵保持在吸合位置，此時(shí)，密封墊將閥座松開，電磁閥進(jìn)氣與排氣接通，電磁閥處于開啟位置。其中彈簧力大小為20.82 N，原始模型中動(dòng)銜鐵進(jìn)氣孔只有2個(gè)通孔，孔徑1.5 mm，動(dòng)銜鐵后端留有縫隙。在電磁閥持續(xù)通高壓氣體情況斷電動(dòng)銜鐵前后壓力不等，可能造成前后壓強(qiáng)產(chǎn)生的壓力大于彈簧力，在此工況下不能正常關(guān)閉。現(xiàn)對(duì)原始模型進(jìn)行計(jì)算分析。

1.2 計(jì)算結(jié)果

應(yīng)用流體動(dòng)力學(xué)分析軟件CFD，提取電磁閥原始結(jié)構(gòu)的內(nèi)部流場(chǎng)，網(wǎng)格劃分采用多面體網(wǎng)格技術(shù)，采用理想氣體模型，由于氣體壓力較高，過流孔徑較小，流速必然會(huì)相當(dāng)大，因此模型的流動(dòng)狀態(tài)為湍流，采用湍流k-ε模型，入口為壓力邊界條件35 MPa，出口壓力設(shè)置為0，采用simple算法，迭代步數(shù)設(shè)置為5 000。計(jì)算動(dòng)銜鐵前后的壓力，前端平均壓力為615 076 Pa，后端平均壓力為95 772 Pa，因此壓差為5.193 kPa。動(dòng)銜鐵面積為1 131 mm2，壓差在動(dòng)銜鐵上產(chǎn)生的力為56.59 N，其產(chǎn)生的壓差力大于彈簧力，因此原始模型在此設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中電磁閥不能正常關(guān)閉，現(xiàn)在對(duì)原始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化使壓力損失降低，壓差變小。由于其他結(jié)構(gòu)及空間限制，只能將動(dòng)銜鐵模型進(jìn)行改進(jìn)。

2 改進(jìn)方案及仿真結(jié)果

2.1 改進(jìn)方案及流場(chǎng)分析

考慮溫度對(duì)壓力損失的影響，溫度主要影響流體的黏度，黏度越大壓力損失越大，黏度越小壓力損失越小。氣體的黏度隨著溫度的升高而增加，因此溫度越高壓力損失越大。此關(guān)系同樣可以體現(xiàn)在局部壓力損失系數(shù)上，即雷諾數(shù)與系數(shù)關(guān)系。

通過分析可知要減小動(dòng)銜鐵前后端的壓力損失應(yīng)從兩方面進(jìn)行改進(jìn)：1）減小氣體流速；2）減小局部壓力損失系數(shù)，選擇局部損失系數(shù)較小的結(jié)構(gòu)形狀。

按照以上的改進(jìn)思路，同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度限制，制定以下3種方案：

（1）在動(dòng)銜鐵內(nèi)增加一個(gè)通孔，增加為3個(gè)，并將孔徑增加為2 mm；

（2）將動(dòng)銜鐵通孔個(gè)數(shù)增加至4個(gè)，并將孔徑增加為2 mm；

（3）在方案2的基礎(chǔ)上將銜鐵徑向及切向方向開0.5 mm的槽，減小流速。

提取修改后各模型的流體域，如圖2（a）所示，3種模型按照2.2節(jié)中的設(shè)置進(jìn)行仿真計(jì)算，得到各方案下的壓力分布云圖如圖2（b）所示。

圖2中可以看出動(dòng)銜鐵前后兩端的壓力損失在逐漸減小，方案1、2氣體進(jìn)入銜鐵后壓力分布梯度較大，由于氣體流速較大故損失相比較方案3大。方案3中動(dòng)銜鐵前后壓力分基本比較均勻一致，流速比較前2個(gè)方案中小。提取各個(gè)方案中銜鐵前后端受力大小見表1。

彈簧力大小為20.82，表1中方案3的差值只有1.09 N，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于彈簧力，滿足要求。

2.2 靜強(qiáng)度校核結(jié)果

考慮到方案3中修改后動(dòng)銜鐵的孔較多，出現(xiàn)應(yīng)力集中的可能性較大，對(duì)銜鐵進(jìn)行靜強(qiáng)度校核計(jì)算，采用流固耦合的方法，將方案3中流體計(jì)算結(jié)果作為輸入載荷加載在動(dòng)銜鐵上，并在銜鐵底部固定約束，同時(shí)施加彈簧力。通過仿真分析并提取動(dòng)銜鐵的最大當(dāng)量應(yīng)力為44.36 MPa，出現(xiàn)位置在動(dòng)銜鐵側(cè)邊開凹槽處。應(yīng)用仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行強(qiáng)度校核，動(dòng)銜鐵采用材料為AMS5630，屈服強(qiáng)度為1 280 MPa，動(dòng)銜鐵靜強(qiáng)度校核結(jié)果及安全系數(shù)計(jì)算見表2。

通過計(jì)算分析方案3動(dòng)銜鐵靜強(qiáng)度安全系數(shù)為28.85>1.5滿足靜強(qiáng)度要求。

3 結(jié)論

通過對(duì)沿程阻力損失和局部阻力損失定義，對(duì)原始結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行改進(jìn)，并利用流體分析軟件和結(jié)構(gòu)分析軟件及流固耦合技術(shù)對(duì)電磁閥多個(gè)方案進(jìn)行計(jì)算分析，得到最優(yōu)方案，使動(dòng)銜鐵前后兩端力的差值為1.09 N，靜強(qiáng)度安全系數(shù)大于1，在保證壓力損失滿足要求的同時(shí)也保證了靜強(qiáng)度滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

參考文獻(xiàn)

[1]鄧若愚.基于CFD的噴氣織機(jī)電磁閥特性分析[J].浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2013（7）：487-450.

[2]王敏.電磁閥的原理及在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].電器傳動(dòng)與自動(dòng)化，2010（10）：59-61.

[3]李靚.柴油機(jī)停車電磁閥的改進(jìn)研究[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2010（10）：13-17.