張宏偉　閆詠

摘要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和技術(shù)水平的提升，我國(guó)居民的生活水平顯著地提高，高新科技產(chǎn)業(yè)在我國(guó)的產(chǎn)業(yè)中占據(jù)著更加重要的地位。因此本文采用線圈電流作為控制信號(hào)建立開(kāi)關(guān)電磁閥精確數(shù)學(xué)模式，從而可以驗(yàn)證開(kāi)關(guān)電磁閥非線性流量的可控性以及相應(yīng)的優(yōu)化措施，從而可以極大程度地優(yōu)化系統(tǒng)性能，為相關(guān)部門(mén)利用該種技術(shù)進(jìn)行施工提供有效的建議。

關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)電磁閥;非線性流量可控性評(píng)價(jià);性能優(yōu)化;高新科技產(chǎn)業(yè)

Study on Evaluation and Optimization of Nonlinear Flow Controllability of Switching Solenoid Valve

ZHANG Hongwei YAN Yong

（Tianjin Aerospace Electromechanical Equipment Research Institute， Tianjin， 300301 China）

Abstract： With the development of China's economy and the improvement of technology， the living standard of Chinese residents has improved significantly， and high-tech industry occupies a more important position in China's industry. Therefore， this paper uses the coil current as the control signal to establish the precise mathematical model of the switching solenoid valve， which can verify the controllability of the nonlinear flow of the switching solenoid valve and the corresponding optimization measures， so as to greatly optimize the system performance， and provide effective suggestions for the relevant departments to use this technology for construction.

Key Words： On off solenoid valve; Nonlinear flow controllability evaluation; Performance optimization; High tech industry

0引言

21世紀(jì)是信息化時(shí)代，高科技工業(yè)發(fā)展也需要與時(shí)俱進(jìn)，利用現(xiàn)代化技術(shù)以及智能化技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)在新的時(shí)期的經(jīng)濟(jì)效益的有效提升。實(shí)際上，開(kāi)關(guān)電磁閥則是線控制動(dòng)系統(tǒng)中流量控制的關(guān)鍵部件。因此，開(kāi)關(guān)電磁閥非線性流量的可控性進(jìn)行評(píng)價(jià)和優(yōu)化，對(duì)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)集群的促進(jìn)和發(fā)展具有重要的意義。

1電磁閥工作的原理和分類(lèi)

1.1電磁閥的工作原理

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和技術(shù)水平的提升，電磁閥作為一種工業(yè)元件在各種領(lǐng)域取得了比較廣泛的應(yīng)用，具體來(lái)說(shuō)，電磁閥是一種工業(yè)設(shè)備，工作原理是電磁控制，屬于執(zhí)行器，在工業(yè)中具有比較廣泛的應(yīng)用，并不限于液壓、氣動(dòng)，其在工業(yè)中最為重要的作用就是調(diào)整工業(yè)系統(tǒng)中介質(zhì)的方向、流量、速度以及其他的參數(shù)^[1]。從目前來(lái)看，電磁閥在我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛，且尤以在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用表現(xiàn)最為突出。

電磁閥在正常運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候，閥芯（銜鐵組件，以下簡(jiǎn)稱(chēng)閥芯）會(huì)受到多種力的影響，包括但是不限于彈簧力、摩擦力、電磁力和液體作用力，當(dāng)線圈處在不通電的狀態(tài)時(shí)，電磁閥受到彈簧預(yù)緊力和液體作用力下處在常開(kāi)的狀態(tài)。如果電磁閥正在通電，在動(dòng)鐵和靜鐵之間由于電力的影響形成電磁場(chǎng)，導(dǎo)致二者之間相互吸引，從而可以推進(jìn)銜鐵向下運(yùn)動(dòng)，閥口小球會(huì)堵住閥座出口，關(guān)閉電磁閥。

1.2電磁閥的分類(lèi)

一般而言電磁閥的分類(lèi)主要按照其不同的工作原理，其中包括直動(dòng)式電磁閥、分步直動(dòng)式電磁閥以及先導(dǎo)式電磁閥，這三種電磁閥各自有不同的工作原理和工作特點(diǎn)，其中直動(dòng)式電磁閥可以在真空、負(fù)壓、零壓的狀態(tài)下發(fā)揮作用。另外，這種設(shè)備具有體型小的特點(diǎn)，具有比較廣泛的應(yīng)用前景。分步直動(dòng)式電磁閥也可以在零壓差或者真空高壓的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)，但是其功率比較大，并且安裝的時(shí)候需要選擇水平安裝的方法。先導(dǎo)式電磁閥對(duì)于流體壓力的負(fù)荷能力比較強(qiáng)，適用范圍比較廣，可以在滿足液體壓差的條件下可以隨意安裝。

2開(kāi)關(guān)電磁閥流量可控性分析

2.1電磁閥的工作狀態(tài)

在電磁閥實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，隨著線圈內(nèi)部的控制電流值的增加，導(dǎo)致電磁閥自身存在4個(gè)不同的工作狀態(tài)下，即閥芯完全開(kāi)啟的狀態(tài)、節(jié)流口1起作用的狀態(tài)、節(jié)流口起作用狀態(tài)和閥芯完全關(guān)閉狀態(tài)。

在壓力差不同的前提下，電磁閥的閥芯在運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候會(huì)根據(jù)時(shí)間而表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，具體可以按時(shí)間劃分為電流曲線、電磁閥開(kāi)始節(jié)流時(shí)間的電流曲線和電磁閥完全關(guān)閉等多種狀態(tài)。在閥芯初始移動(dòng)的階段，設(shè)備會(huì)處在節(jié)流狀態(tài)當(dāng)中，此時(shí)壓力差對(duì)于電流的影響比較小。在這一階段，最主要的影響因素是彈簧預(yù)緊力。如果電磁閥完全關(guān)閉，電流大小和壓力差的數(shù)值會(huì)呈正相關(guān)性。另外，電磁閥的閥芯如果處在電磁閥完全開(kāi)啟并且節(jié)流口1起作用的時(shí)候，區(qū)間值基本不會(huì)發(fā)生變化，即處在相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)之中。如果處在節(jié)流口2發(fā)揮作用的狀態(tài)下，壓力差則會(huì)有所增，進(jìn)而導(dǎo)致?tīng)顟B(tài)區(qū)間值的變化。二閥芯關(guān)閉以后，區(qū)間值會(huì)隨著電磁閥兩端壓力的增大而減小。

這是電磁閥在不同的工作狀態(tài)下的不同工作機(jī)理，相關(guān)部門(mén)需要對(duì)其進(jìn)行更加詳細(xì)的分析，并且提前設(shè)定一些參數(shù)值，從而可以為進(jìn)一步的分析提供有效的參考。這里將電磁閥兩端的壓力差設(shè)置為2Mpa，并且可以得出一系列的分析結(jié)果。

當(dāng)電磁閥處在完全來(lái)氣的狀態(tài)下，由于系統(tǒng)內(nèi)部的彈簧預(yù)緊力的影響使得電磁閥的閥芯處在完全開(kāi)啟的狀態(tài)，控制電流的不斷增加導(dǎo)致內(nèi)部的電磁力不斷增大，但是此時(shí)的電磁力無(wú)法克服彈簧預(yù)緊力，使得閥芯處于靜止的狀態(tài)，這種情況下，最大值為閥口流量值，最小值為液體作用力。在這種時(shí)候可以適當(dāng)?shù)販p少?gòu)椈深A(yù)緊力，從而可以使得線圈電流的影響范圍縮小。但是，通過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，若將彈簧預(yù)緊力降至過(guò)低水平，很可能會(huì)引發(fā)閥芯回位時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的情況，所以這個(gè)時(shí)候必須對(duì)彈簧預(yù)緊力進(jìn)行嚴(yán)格的管控。同理，當(dāng)電磁閥處在節(jié)流孔1起作用的狀態(tài)下，增加線圈電流會(huì)導(dǎo)致閥芯位移的增加;當(dāng)電磁閥處在節(jié)流孔2的狀態(tài)下時(shí)，可以通過(guò)液體作用力和彈簧力的增加之和平衡電磁力的增加值，實(shí)現(xiàn)非線性流量的控制。當(dāng)電磁閥處在完全關(guān)閉的情況下，線圈電流的增加會(huì)帶來(lái)電磁力的持續(xù)增加，使得閥芯處在一個(gè)相對(duì)靜止的情況下。

根據(jù)對(duì)電磁閥的工作原理分析可知，電磁閥在控制電流的時(shí)候，會(huì)呈現(xiàn)出非線性的流量特性。在此期間，電磁閥流量存在一定的變化區(qū)間，該區(qū)間內(nèi)的變化可被稱(chēng)為“指數(shù)變化”。隨著指數(shù)的增大，電磁閥的增壓能力也會(huì)得到提升，反之亦然。在此基礎(chǔ)上，當(dāng)電磁閥處于有效的電流工作狀態(tài)時(shí)，其變化區(qū)間內(nèi)的指數(shù)可被稱(chēng)為“流量精度指數(shù)”。流量精度指數(shù)越大，也就意味著電磁閥對(duì)電流的控制精度越高，即調(diào)壓效果越好。而當(dāng)電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，其變化區(qū)間內(nèi)的指數(shù)則稱(chēng)為“流量穩(wěn)定性指數(shù)”。此時(shí)，流量穩(wěn)定性指數(shù)越大，則電磁閥對(duì)于電流的控制越趨于穩(wěn)定。

2.2電磁閥流量可控性評(píng)價(jià)的具體方法

通過(guò)對(duì)電磁閥的工作狀態(tài)進(jìn)行分析，可以得出在評(píng)價(jià)電磁閥流量的可控性的時(shí)候有三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)：

1. 流量變化范圍。

2. 閥芯完全關(guān)閉時(shí)的流量變化率。

3. 電流有效區(qū)間。

但是，這三個(gè)指標(biāo)或多或少的都存在一些局限性，只能在壓力差不會(huì)發(fā)生變化的的前提下，對(duì)某一方種電磁閥流量可控性進(jìn)行評(píng)價(jià)，因此無(wú)法得到綜合的評(píng)價(jià)結(jié)果，因此本文在進(jìn)行分析的時(shí)候?qū)⒓僭O(shè)該系統(tǒng)內(nèi)部的壓力差不會(huì)發(fā)生變化。因此，在電磁閥運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中，隨著電磁閥兩端壓力差的增加，導(dǎo)致電磁閥自身的流量通過(guò)性變強(qiáng)，流量穩(wěn)定性加強(qiáng)，精度變高，在這種前提下，相關(guān)部門(mén)為了線控制動(dòng)系統(tǒng)的作用可以得到有效的發(fā)揮，優(yōu)化內(nèi)部的流量可控性，就需要提高壓力差。但是，如果系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)壓力差過(guò)高的問(wèn)題，就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)零部件受損的現(xiàn)象，從而致使其實(shí)際應(yīng)用的效果大打折扣，難以支撐正常的生產(chǎn)活動(dòng)。因此在控制電磁閥兩端壓力差的時(shí)候需要綜合各方面因素進(jìn)行考量^[2]。

3電磁閥非線性流量的可控性優(yōu)化

在對(duì)電磁閥非線性流量的可控性進(jìn)行研究的時(shí)候，相關(guān)部門(mén)可以依托于電磁閥的工作原理構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)字模型，從而可以為后續(xù)工作的進(jìn)行提供有效的建議，電磁閥在運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候會(huì)導(dǎo)致閥芯電磁力、液體作用力、彈簧力、摩擦力以及阻尼力的相互作用下進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)。在這個(gè)時(shí)候需要構(gòu)建比較精確的數(shù)學(xué)模型，具體的數(shù)字表達(dá)式為：

Mx`=Fm-Fp-Fk-Fr-cx

M：閥芯和動(dòng)鐵的總質(zhì)量;X：閥芯移動(dòng)速度，x`：閥芯加速度;c：阻尼系數(shù);Fm：電磁力;Fp：液體作用力;Ff：摩擦力;Fk：彈簧力。

通過(guò)對(duì)該數(shù)字模型的研究以及利用，可以設(shè)立一定的可控性優(yōu)化的措施，并且構(gòu)建一個(gè)新的數(shù)字模型。

實(shí)際上，電磁閥自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)節(jié)流口直徑、閥座錐角和閥口小球半徑等都會(huì)為整個(gè)電磁閥的流量可控性造成影響。其中在電磁閥的閥座錐角增加的時(shí)候，流量范圍和流量通過(guò)性不會(huì)發(fā)生變化，但是流量的穩(wěn)定性變差，電流有效工作區(qū)間變小。增大閥口小球半徑的時(shí)候，同電磁閥的閥座錐角的變化相似，不會(huì)造成流量通過(guò)性以及流量變化范圍的變化，但是流量穩(wěn)定性變差。另外，在這一過(guò)程中，由于電流的工作區(qū)間擴(kuò)大會(huì)使得流量控制精度增加。另外，節(jié)流口1的直徑也會(huì)為非線性流量造成影響，電磁閥流量的變化范圍增大，流量的通過(guò)性變強(qiáng)，穩(wěn)定性變差，流量可控因子增加，由此可見(jiàn)，電磁閥的流量通過(guò)性和以及流量穩(wěn)定性同閥座錐角和閥口小球之間沒(méi)有關(guān)系，和節(jié)流口1的直徑有直接關(guān)系。而電磁閥的流量控制精度和三種因素都息息相關(guān)^[3]-[4]。

綜上所述，為了保障實(shí)際工作的效果，提升研究的精確性以及有效性，需要依托各種因素構(gòu)建出電磁閥的數(shù)字模型，根據(jù)以上的探究結(jié)構(gòu)重新對(duì)電磁閥非線性流量的可控性優(yōu)化進(jìn)行研究，從而可以達(dá)到優(yōu)化其使用效果的目的。因此，這里將提高電磁閥流量的可控性作為具體研究的目的，可以確定節(jié)流口直徑、閥座錐角和閥口小球半徑等變量的取值范圍在20%左右，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)非線性流量進(jìn)行優(yōu)化。

粒子群優(yōu)化算法是基于現(xiàn)代化技術(shù)提出的一種群體智能的尋優(yōu)算法，具有比較優(yōu)質(zhì)的全局搜索能力，克服傳統(tǒng)算法上局部極值、早熟收斂等缺陷，因此在進(jìn)行研究的時(shí)候可以利用該算法進(jìn)行計(jì)算，在通過(guò)一系列的計(jì)算之后，可以有效地取得最佳的優(yōu)化值，從而可以保證整個(gè)實(shí)際應(yīng)用的效果。通過(guò)計(jì)算結(jié)果對(duì)整個(gè)實(shí)際應(yīng)用的情況進(jìn)行優(yōu)化，可以提升非線性流量可控性。由此可見(jiàn)，相關(guān)部門(mén)在實(shí)際應(yīng)用的時(shí)候，可以利用數(shù)字模型和電磁閥非線性流量三維圖對(duì)開(kāi)關(guān)電磁閥非線性流量的可控性進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，并獲取到電磁閥運(yùn)行的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而據(jù)此有效地計(jì)算其具體的工作狀態(tài)和優(yōu)化效果，保障其實(shí)際應(yīng)用的效果^[5]-[6]。

4總結(jié)

高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)是第二產(chǎn)業(yè)集群的核心，也是我國(guó)知識(shí)密集、技術(shù)密集的經(jīng)濟(jì)實(shí)體，對(duì)于促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及提升我國(guó)的人民生活水平具有重要的意義。電磁閥是現(xiàn)階段航天航空領(lǐng)域比較廣泛應(yīng)用的推進(jìn)系統(tǒng)部件，為了保障其實(shí)際應(yīng)用的效果，需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。本文通過(guò)構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)字模型以及實(shí)驗(yàn)，對(duì)開(kāi)關(guān)電磁閥非線性流量可控性進(jìn)行評(píng)價(jià)和優(yōu)化，從而可以尋求到其工作的最佳狀態(tài)，促進(jìn)我國(guó)高新科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

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