吳柳杰，劉 偉，單東升，楊建奎，張軍曉

(1.寧波燕清汽車技術(shù)有限公司，浙江 寧波 315121；2.寧波賽福汽車制動有限公司，浙江 寧波 315121；3.南京工業(yè)大學 機械與動力工程學院，江蘇 南京 211800；4.燕山大學 機械工程學院，河北 秦皇島 066004)

引言

先導式電磁開關(guān)閥具有體積小、響應速度快、可靠性高等優(yōu)點[1]，先導式電磁開關(guān)閥相比直動式電磁開關(guān)閥功率密度更大，相同的功率下能夠承受更大的工作負載，同時對降低液壓沖擊具有很好的效果，因此被廣泛的應用于電液控制系統(tǒng)中。在汽車ESC液壓控制單元中作為吸入閥使用[2-3]。除了以上特點，先導式電磁開關(guān)閥在一定壓差下可實現(xiàn)不同的正反向流量，具有單向閥的功能，因此將該閥作為踏板行程模擬器的電磁閥[4]。國內(nèi)外學者對電磁閥做了大量研究，主要有電磁閥特性分析與結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化[5-10]、電磁閥的動靜態(tài)特性的研究[11-13]、控制方法研究對比[14]，控制策略的優(yōu)化[15]等。

先導式電磁開關(guān)閥是一個復雜的電磁、液壓、機械、傳熱耦合系統(tǒng)，工作過程中各子系統(tǒng)相互作用、相互影響。本研究利用AMESim軟件不同系統(tǒng)的庫元件搭建仿真模型，通過仿真為試驗提供參考和預測。結(jié)合測試試驗結(jié)果對電磁閥的控制方法進行優(yōu)化，有效的降低了線圈的發(fā)熱量，提高了電磁閥的工作能力。

1 先導式電磁開關(guān)閥的結(jié)構(gòu)和工作原理

先導式電磁開關(guān)閥的結(jié)構(gòu)和工作原理如圖1所示，由靜鐵芯1、隔磁管2、主彈簧3、動鐵芯4、鋼球8、彈簧套9、閥座動鐵10、先導彈簧11、支撐座12和主閥座13構(gòu)成。電磁閥線圈由繞組7、支架5和殼體6(軛鐵和封鐵)組成。線圈得電產(chǎn)生磁場，處于磁場中的動鐵芯4和靜鐵芯1產(chǎn)生電磁吸力。正向通流時，油液從電磁閥的側(cè)孔14流進，端孔15流出，動鐵芯4在電磁力的作用下往上運動，先導閥口打開，當行程l2結(jié)束，動鐵芯4通過彈簧套9拉動閥座動鐵10，若此時進出口壓差較大，閥座動鐵10無法被直接拉起，則通過先導閥口卸去部分壓力后，閥座動鐵10被拉起，此時主閥口開啟。反向通流時，油液從電磁閥的端孔15流進，側(cè)孔14流出，動鐵芯4與閥座動鐵10一起往上運動行程l1，此時先導閥口關(guān)閉，主閥口開啟，此時該閥的功能相當于單向閥。

1.靜鐵芯 2.隔磁管 3.主彈簧 4.動鐵芯 5.支架6.殼體 7.繞組 8.鋼球 9.彈簧套 10.閥座動鐵11.先導彈簧 12.支撐座 13.主閥座 14.側(cè)孔 15.端孔圖1 先導式電磁開關(guān)閥的結(jié)構(gòu)圖

2 先導式電磁開關(guān)閥的建模仿真

2.1 電磁系統(tǒng)分析

從電場的角度分析，電磁閥的線圈可簡化為電阻和電感串聯(lián)結(jié)構(gòu)等效電路如圖2所示。根據(jù)基爾霍夫電壓定律得到線圈的電路模型：

圖2 等效電路圖

(1)

式中，U—— 線圈電壓

i—— 線圈電流

R—— 線圈回路電阻

L—— 線圈電感

φ—— 主磁路磁鏈

x—— 閥芯位移

t—— 時間

磁場是將電能轉(zhuǎn)化為機械能的耦合媒介。由于磁路和電路概念存在共性，常常采用類似電路的辦法來分析磁路，等效磁路如圖3所示。

圖3 等效磁路圖

在磁阻的計算中，通常采用磁路分割法進行分析。根據(jù)經(jīng)驗公式求得各部分磁阻，再根據(jù)磁路中各磁阻串并聯(lián)關(guān)系得到總的磁阻：

∑Rc=∑Rm+∑Rδ+∑Rf

(2)

式中，Rc—— 等效磁路中總磁阻

Rm—— 磁性材料的磁阻

Rδ—— 主工作氣隙磁阻

Rf—— 非工作氣隙磁阻

磁性材料的磁阻計算公式：

∑Rm=Rm1+Rm2+Rm3+Rm4

(3)

Rm=Hm·lm

(4)

式中，Rm1～Rm4—— 分別為靜鐵芯、動鐵芯、線圈軛鐵和封鐵的磁阻

lm—— 磁性材料長度

Hm—— 磁場強度

工作氣隙的磁阻：

(5)

式中，δ—— 氣隙長度

μ0—— 真空磁導率，其值為4π×10-7H/m

S0—— 工作氣隙磁通面積

非工作氣隙磁阻：

∑Rf=Rf1+Rf2

(6)

(7)

式中，Rf1—— 線圈軛鐵與靜鐵芯的徑向氣隙磁阻

Rf2—— 線圈封鐵與動鐵芯的徑向氣隙磁阻

r1—— 內(nèi)圈磁極半徑

r2—— 外圈磁極半徑

Lf—— 內(nèi)外圈磁極的重合長度

根據(jù)磁路歐姆定律：

N·i=φ∑Rc

(8)

式中，N—— 線圈匝數(shù)

φ—— 線圈磁通量

根據(jù)麥克斯韋電磁吸力公式得閥芯所受電磁力：

(9)

式中，S為工作氣隙截面積。

2.2 機械液壓系統(tǒng)分析

1) 正向通流

隨著電磁閥進出口壓差的逐漸減小，閥芯運動包含有4種過程狀態(tài)，閥口狀態(tài)和閥芯、閥座受力如圖4～圖7所示。

圖4 先導閥口、主閥口均關(guān)閉狀態(tài)

(1) 先導閥口、主閥口均關(guān)閉

0=FN-Fk1-Fh

(10)

式中，F(xiàn)N—— 主閥座對閥芯的作用力

Fk1—— 主彈簧對動鐵芯的作用力

Fh—— 動鐵芯與閥座動鐵的液壓力

(2) 先導閥口開啟、主閥口關(guān)閉

動鐵芯：

(11)

式中，m1—— 動鐵芯的質(zhì)量

Fk2—— 先導彈簧對動鐵的作用力

Fh1—— 動鐵芯的液壓力

Ff1—— 動鐵芯的摩擦力

Fv1—— 動鐵芯的阻尼力

x1—— 動鐵芯的位移

閥座動鐵：

0=Fh2-Fk2-FN2

(12)

式中，F(xiàn)h2—— 閥座動鐵液壓力

FN2—— 主閥座對閥座動鐵的作用力

圖5 先導閥口開啟、主閥口關(guān)閉狀態(tài)

(3) 先導閥口保持開啟、主閥口強制打開

(13)

式中，m2—— 閥座動鐵的質(zhì)量

Ff—— 動鐵芯與閥座動鐵的摩擦力

Fv—— 動鐵芯與閥座動鐵的阻尼力

x—— 動鐵芯與閥座動鐵的位移

圖6 先導閥口保持開啟、主閥口強制打開

圖7 先導閥口關(guān)閉、主閥口保持開啟

(4) 先導閥口關(guān)閉、主閥口保持開啟

動鐵芯：

0=Fm-Fk1-Fk2-Fh1-FN1

(14)

式中，F(xiàn)N1為靜鐵芯對動鐵芯的作用力。

閥座動鐵：

(15)

式中，F(xiàn)f2—— 閥座動鐵的摩檫力

Fv2—— 閥座動鐵的阻尼力

x2—— 閥座動鐵的位移

2) 反向通流(此時線圈不通電)

(16)

反向通流時閥口狀態(tài)、動閥芯和閥座動鐵閥芯受力如圖8所示。

圖8 反向通流時動閥芯和閥座動鐵閥芯受力圖

2.3 傳熱系統(tǒng)分析

線圈通電，電流通過導體產(chǎn)生焦耳熱，電能轉(zhuǎn)化為熱能，線圈的單位體積生熱率為:

(17)

式中，q—— 線圈單位體積生熱率

V—— 線圈導線體積

如圖9所示，通電線圈作為一個固定的熱源，裝置內(nèi)部各零件配合接觸，熱量在內(nèi)部主要以熱傳導的方式進行傳遞。線圈殼體表面、閥塊表面、動鐵芯頂面與外部空氣接觸，傳遞到表面的熱量最終以對流換熱和輻射換熱的方式散失。

圖9 線圈散熱簡圖

1) 熱傳導

2個完全接觸的物體之間或者1個物體不同部位之間存在溫度差引起的內(nèi)能交換。熱傳導遵循傅立葉定律：

(18)

λ—— 導熱系數(shù)

l—— 材料厚度

T—— 2個接觸物體之間的溫度差

2) 熱對流

自然對流可用牛頓冷卻方程表示：

(19)

h—— 對流換熱系數(shù)

Ts—— 固體表面溫度

Tf—— 接觸空氣的溫度

3 電磁閥的仿真與分析

利用AMESim軟件中不同系統(tǒng)庫元件搭建電磁閥仿真模型，由電磁模塊、機械液壓模塊、傳熱模塊組成，如圖10所示。仿真分析電磁閥的工作特性和溫升特性。

圖10 仿真模型

3.1 電磁閥工作特性仿真

閥芯開啟過程動鐵芯和閥座動鐵的位移變化曲線，如圖11所示，兩者相對位置決定先導閥口的實際開度。壓差逐漸減小時，閥芯開啟經(jīng)歷了4個過程狀態(tài)，先導閥口與主閥口啟閉分別對應機械液壓系統(tǒng)分析中的4種情況。

圖11 閥芯運動曲線

3.2 電磁閥溫升特性仿真

繞組溫度T和電流I的仿真曲線如圖12所示。通過控制變量法改變電磁閥線圈的電壓和環(huán)境溫度，研究不同環(huán)境溫度下線圈繞組穩(wěn)態(tài)溫度、穩(wěn)態(tài)電流與加載電壓的關(guān)系。

圖12 繞組溫度和電流的仿真曲線

通過控制變量法改變電磁閥線圈的電壓和環(huán)境溫度，研究不同環(huán)境溫度下線圈繞組穩(wěn)態(tài)溫度、穩(wěn)態(tài)電流與加載電壓的關(guān)系。

如圖13a所示為不同環(huán)境溫度下，線圈繞組穩(wěn)態(tài)溫度與加載電壓的關(guān)系曲線。由仿真可知線圈加載電壓30 min內(nèi)均能達到熱平衡狀態(tài)。同一環(huán)境溫度下，線圈繞組熱平衡溫度與加載電壓呈線性關(guān)系。環(huán)境溫度越高、加載電壓越大，線圈繞組穩(wěn)態(tài)溫度越高。如圖13b為不同環(huán)境溫度下，線圈的穩(wěn)態(tài)電流與加載電壓的關(guān)系曲線?？梢钥闯鲇捎诶@組溫升導致線圈電阻增大，線圈的穩(wěn)態(tài)電流隨加載電壓增大而增大但不呈線性關(guān)系。在給定的環(huán)境溫度和加載電壓條件下，電磁閥的溫度仿真結(jié)果可在溫度試驗前對電磁閥線圈繞組穩(wěn)態(tài)溫度和穩(wěn)態(tài)電流進行預估。

圖13 不同環(huán)境溫度下，繞組穩(wěn)態(tài)溫度和穩(wěn)態(tài)電流分別在不同電壓下的關(guān)系仿真曲線

4 電磁閥的性能測試

4.1 實驗平臺

液壓性能測試試驗臺用于測試電磁閥的相關(guān)性能參數(shù)，其結(jié)構(gòu)如圖14所示，由液壓系統(tǒng)、高低溫箱和電控柜組成。液壓系統(tǒng)包含有電氣元件、液壓元件、傳感器等。測試樣件安裝接口位于高低溫箱內(nèi)，由高低溫箱控制環(huán)境溫度。電控柜采集液壓系統(tǒng)中傳感器信號并控制電氣元件、液壓元件動作。

圖14 液壓性能測試試驗臺

4.2 測試結(jié)果分析

1) 電磁閥通電響應測試

從圖15中可以看出當線圈加載相同的電壓時，電磁閥兩端壓差越大，閥的先導特性體現(xiàn)的越明顯即先導閥口和主閥口順序開啟的特點，反應到輪缸壓力變化曲線上為兩段不同斜率的升壓段,反映到電流線圈電流變化曲線上為2個波谷。當電磁閥兩端的壓差較小時，先導特性不明顯，輪缸升壓曲線無明顯分段現(xiàn)象，先導閥口與主閥口開啟時間間隔短，響應時間基本一致，此時先導閥通電響應時間等于主閥通電響應時間，如圖15a所示。主閥口的響應時間為電流開始上升點與輪缸升壓曲線斜率變化點之間的時間間隔。當電磁閥兩端的壓差較大時，先導特性明顯，輪缸升壓曲線出現(xiàn)分段現(xiàn)象，先導閥口與主閥口開啟時間間隔長，先導閥通電響應時間小于主閥通電響應時間，如圖15b所示。

圖15 通電響應測試

圖16為線圈分別加載9 V和12 V電壓時，閥口響應時間與電磁閥兩端壓差之間的關(guān)系。線圈加載電壓越大，電磁閥兩端壓差越小，那么電磁閥的響應速度就越快。

圖16 壓差與通電響應時間的關(guān)系曲線

2)電磁閥的開啟電流測試

電磁閥開啟電流測試曲線如圖17所示。兩端壓差越大，開啟電流越大且曲線基本呈線性關(guān)系，如圖18所示。

圖17 開啟電流測試

圖18 開啟電流與壓差的關(guān)系曲線

5 電磁閥的溫度試驗

5.1 實驗平臺搭建

電磁閥的溫度試驗采用PT100貼片式鉑電阻溫度傳感器，在不破壞樣品的情況下用耐高溫硅膠粘貼在線圈繞組表面、線圈殼體外圓柱表面和踏板行程模擬裝置閥塊上表面，如圖19所示。將貼好溫度傳感器的踏板行程模擬器固定在高低溫箱中，通過高低溫箱控制環(huán)境溫度。分流器串聯(lián)在電磁閥線圈的線路中采集線圈電流，線圈采用可變電壓源供電，驅(qū)動電壓根據(jù)試驗需求設定。

圖19 實驗裝置

5.2 試驗結(jié)果分析

圖20a～圖20d所示為在不同環(huán)境溫度下，線圈加載不同電壓，持續(xù)供電30 min，線圈繞組的溫度和電流變化曲線。繞組最高溫度受線圈支架耐熱溫度限制，設定上限溫度為175 ℃。環(huán)境溫度越高、線圈加載電壓越大，繞組溫升速率越快。若線圈能夠達到熱平衡溫度，則所需的時間隨著環(huán)境溫度和驅(qū)動電壓的增高而延長。線圈電阻受繞組溫度的影響，繞組溫度升高，電阻增大，電流減小。當繞組溫度趨于穩(wěn)定時，電流也將達到一個穩(wěn)定值。若繞組溫度30 min內(nèi)未達到熱平衡狀態(tài)就已經(jīng)超過了上限溫度值，說明此時的驅(qū)動電壓無法使線圈在當前環(huán)境溫度下長時間正常工作。為了保證電磁閥線圈長時間正常工作，環(huán)境溫度為24 ℃時，線圈最高驅(qū)動電壓為10 V；環(huán)境溫度為50 ℃時，線圈最高驅(qū)動電壓為9 V；環(huán)境溫度為80 ℃，線圈最高驅(qū)動電壓為8 V；當環(huán)境溫度為100 ℃，保證線圈長時間正常工作的電壓需低于7 V。說明環(huán)境溫度越高，線圈可以長時間正常工作的電壓越低。驅(qū)動電壓越低，電磁閥工作負載就越小，這極大的限制了電磁閥的能力。因此需要對電磁閥的控制方式進行優(yōu)化，使電磁閥在高溫、高壓的條件下依然能夠長時間正常工作。

圖20 不同環(huán)境溫度下，線圈繞組溫度和電流分別在不同電壓下的實驗曲線

6 控制方法優(yōu)化

電磁閥線圈采用的是恒壓控制方式如圖21所示。線圈加載恒定電壓，電磁閥產(chǎn)生電磁力克服液壓力和彈簧力使閥口開啟并保持開啟狀態(tài)。電磁閥兩端的壓差越大，所需的線圈加載電壓越高，但線圈的發(fā)熱量大，電磁閥無法長時間正常工作，因此采用變電壓控制即高電壓使電磁閥打開，再切換到低電壓使電磁閥維持開啟狀態(tài)。

圖21 控制方法

以下對電磁閥在極端工況6.5 MPa壓差，100 ℃環(huán)境溫度條件下的控制方法進行優(yōu)化，由電磁閥液壓性能測試中開啟電流和通電響應測試結(jié)果設計變電壓控制的高電壓值、高電壓持續(xù)時間、低電壓值和低電壓持續(xù)時間，分別為10 V，50 ms，6.5 V和30 min。

通過測試試驗對優(yōu)化后的控制方法進行驗證。采用變電壓控制，電磁閥能夠正常工作，如圖22所示。

圖22 液壓測試

圖23a為100 ℃環(huán)境溫度下線圈采用10 V恒壓控制時電磁閥線圈繞組、線圈殼體和閥塊的溫升曲線。

由于環(huán)境溫度較高，繞組溫度270 s后便達到上限溫度，繞組無法達到熱平衡狀態(tài)，說明100 ℃環(huán)境溫度下線圈加載10 V電壓，電磁閥無法長時間正常工作。對線圈采用變電壓控制，10 V電壓使閥口開啟后切換6.5 V電壓維持閥口的開啟狀態(tài)，如圖23b所示。30 min內(nèi)電磁閥線圈繞組、線圈殼體和閥塊能夠達到熱平衡溫度，分別為163.4 ℃，138.3 ℃和106.1 ℃。說明優(yōu)化后的變電壓控制方法能夠大幅降低了線圈的發(fā)熱量，保證電磁閥的長時間正常工作。

圖23 試驗驗證

7 結(jié)論

通過先導式電磁開關(guān)閥的仿真試驗，得到如下結(jié)論：

(1) 電磁閥兩端壓差較小時，先導特性不明顯，主閥口與先導閥口響應時間基本相同。兩端壓差較大時，先導特性明顯，先導閥口先開啟卸去部分壓力再開啟主閥口，升壓曲線分段，電流出現(xiàn)2個波谷;

(2) 環(huán)境溫度越高，加載電流越大，線圈溫升速率越快，達到熱平衡溫度越高，由于材料耐熱限制使得電磁閥無法長時間工作，也無法達到熱平衡狀態(tài);

(3) 采用變電壓控制方法能夠有效的降低線圈的發(fā)熱量，保證電磁閥能夠長時間正常工作，提高了電磁閥的工作能力。