孫晉，郭航

（西安航宇動(dòng)力科技有限公司，陜西 咸陽(yáng) 712000）

高速電磁閥開啟與關(guān)閉時(shí)的響應(yīng)速度會(huì)對(duì)燃油控制系統(tǒng)造成直接影響，通過對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的分析，有利于分析噴油定時(shí)與噴油量等參數(shù)，從而根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)響應(yīng)速度開展有效控制，提升燃油控制系統(tǒng)的使用效率與效果。當(dāng)前正值產(chǎn)業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型的關(guān)系時(shí)期，在高質(zhì)量發(fā)展目標(biāo)實(shí)踐過程中，可以借助配置技術(shù)要素“賦能”的路徑，研發(fā)設(shè)計(jì)一些高速電磁閥模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的分析。下面先對(duì)影響高速電磁閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)的現(xiàn)狀做出說明。

1 高速電磁閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究現(xiàn)狀

目前，在高速電磁閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究中，重點(diǎn)集中在四大方面：（1）以提升電磁閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)目標(biāo)為準(zhǔn)，優(yōu)化電磁閥結(jié)構(gòu)與磁路。（2）從電磁閥驅(qū)動(dòng)目標(biāo)出發(fā)，圍繞驅(qū)動(dòng)電流優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路。（3）借助多物理場(chǎng)耦合計(jì)算，將前兩類手段結(jié)合起來(lái)，從整體上對(duì)電磁閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)實(shí)施優(yōu)化。（4）應(yīng)用工業(yè)設(shè)計(jì)思想，研發(fā)設(shè)計(jì)新的結(jié)構(gòu)與原理，提升其動(dòng)態(tài)響應(yīng)效率。

從研究成果看，當(dāng)前已經(jīng)取得了相當(dāng)大的成果。而且，在電磁閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究中，均以優(yōu)化電磁力為基本路徑，復(fù)位彈簧仍選用單彈簧結(jié)構(gòu)。與單彈簧結(jié)構(gòu)對(duì)電磁閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響研究相比，雙復(fù)位彈簧的研究相對(duì)較少。但是，在開啟與關(guān)閉電磁閥的2個(gè)階段，彈簧預(yù)緊力分別以阻力與動(dòng)力形式存在，如果使用單彈簧結(jié)構(gòu)，需要面對(duì)兩種情況：（1）作為阻力的彈簧預(yù)緊力期望值越小越好；（2）作為動(dòng)力的彈簧預(yù)緊力期望值越大越好。在這種兩難的抉擇情況下，如何設(shè)置單彈簧的預(yù)緊力的問題，就如同中世紀(jì)哲學(xué)中那頭有名的驢子要在胡蘿卜與干草之間做出選擇一樣，非常棘手。因而，當(dāng)前在該方面的研究中為了規(guī)避此問題，普遍增強(qiáng)了對(duì)雙復(fù)位彈簧的應(yīng)用以及其影響的研究。

2 雙復(fù)位彈簧高速電磁閥模型分析

下面從結(jié)構(gòu)、原理、模型、驗(yàn)證、計(jì)算方面對(duì)雙復(fù)位彈簧高速電磁閥模型展開分析。

2.1 結(jié)構(gòu)

雙復(fù)位彈簧電磁閥結(jié)構(gòu)以單復(fù)位彈簧電磁閥為必要條件，通過改造方式實(shí)現(xiàn)。（1）以單復(fù)位彈簧閥體結(jié)構(gòu)準(zhǔn)，在不改變其結(jié)構(gòu)的前提下，先用1個(gè)低剛度復(fù)位彈簧代替原來(lái)的復(fù)位彈簧，再增加一個(gè)高剛度彈簧，構(gòu)成圖1中的結(jié)構(gòu)。（2）在設(shè)置方向時(shí)，保障2個(gè)彈簧互為反旋向。（3）選擇焊接連接方式，使用激光焊接工藝將外閥芯與銜鐵連接起來(lái)，形成一個(gè)整體，充當(dāng)電磁閥動(dòng)作件。為了減輕外閥芯重量，將其內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成中空結(jié)構(gòu)，并通過拋光外圓、設(shè)置錐座（左、右各1個(gè)），保障整個(gè)閥體的密閉性。

圖1 雙復(fù)位彈簧電磁閥結(jié)構(gòu)

2.2 原理

在該結(jié)構(gòu)下，銜鐵與復(fù)位彈簧存在三種位置關(guān)系：（1）未通電時(shí)，各在其位；（2）通電后，銜鐵位置為δ；（3）通電后，銜鐵達(dá)到最大位移S。分述如下：

以第一種位置關(guān)系為例，電磁閥處于初始狀態(tài)，用L表示銜鐵和電磁鐵端面的距離。此時(shí)，銜鐵與低剛度復(fù)位彈簧右之間已經(jīng)發(fā)生接觸，而且產(chǎn)生了較小的預(yù)緊力，足以讓外閥芯錐與左內(nèi)錐閥芯之間構(gòu)成一個(gè)密封錐面。銜鐵與高剛度復(fù)位彈簧右端沒有發(fā)生接觸，用δ表示該間隙，高剛度復(fù)位彈簧尚處于自由伸長(zhǎng)狀態(tài)。在這種情況下，能夠通過高剛度彈簧把銜鐵動(dòng)能轉(zhuǎn)化為彈性勢(shì)能，以達(dá)到提高關(guān)閉響應(yīng)速度，縮短響應(yīng)時(shí)間的目標(biāo)。

以第二種位置關(guān)系為例，在雙復(fù)位彈簧電磁閥結(jié)構(gòu)中，低剛度復(fù)位彈簧預(yù)緊力作用于外閥芯后，它與右內(nèi)錐芯會(huì)貼合到一起，此時(shí)，左內(nèi)錐芯處于自由狀態(tài)，構(gòu)成的錐面處于密封狀態(tài)。進(jìn)油孔連通過控制口，回油孔不連通控制口。當(dāng)接通過電磁閥的電源后，低剛度復(fù)位彈簧的預(yù)緊力會(huì)被電磁鐵產(chǎn)生的電磁吸力所克服，并向著左方向推運(yùn)動(dòng)件向高剛度彈簧運(yùn)動(dòng)，并δ位置發(fā)生接觸。

以第三種位置關(guān)系為例，在第二種關(guān)系不變的情況下，運(yùn)動(dòng)件達(dá)到最大位移S。在這種情況下，外閥芯進(jìn)油口閥座和左內(nèi)錐閥錐面處于壓緊狀態(tài)，可以關(guān)閉進(jìn)油孔，打回油孔，從而使進(jìn)油壓力在控制腔內(nèi)快速下降到回油壓力。

2.3 模型

首先，假定Topen、Tclosed分別為電磁閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)參數(shù)，前者表示開啟響應(yīng)時(shí)間，后者表示關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間。定義如下：（1）Topen是電磁閥開始通過時(shí)刻到銜鐵運(yùn)動(dòng)到S位置的延遲時(shí)間；（2）Tclosed是電磁閥失電時(shí)刻到銜鐵復(fù)位初始狀態(tài)的延遲時(shí)間。那么，就可以得到如下公式：Topen=運(yùn)動(dòng)件啟動(dòng)時(shí)間+運(yùn)動(dòng)件開啟運(yùn)動(dòng)時(shí)間，Tclosed=運(yùn)動(dòng)件關(guān)閉啟動(dòng)延時(shí)時(shí)間+運(yùn)動(dòng)件復(fù)位運(yùn)動(dòng)時(shí)間。

其次，應(yīng)用多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真平臺(tái)（Advanced Modeling Environment for performing Simulation of engineering systems，AMESim），建立電磁模型（電磁鐵模型、閥體模型），對(duì)單復(fù)位彈簧電磁閥動(dòng)作過程進(jìn)行仿真計(jì)算。其中，前一個(gè)模型由H橋驅(qū)動(dòng)電路、電流控制、運(yùn)動(dòng)質(zhì)量、電磁鐵、復(fù)位彈簧構(gòu)成；后一個(gè)模型進(jìn)油口（泄漏1、左錐面左端、左錐閥、左錐面右端）、控制口（泄漏2、泄漏3）、回油口（右錐面左端、右錐閥、右錐面右端）構(gòu)成，兩者共同構(gòu)成單復(fù)位彈簧電磁閥模型。具體如下：

第一步，定義材料屬性。本次研究中選擇DT4C作為銜鐵材料。真空磁導(dǎo)率相對(duì)磁導(dǎo)率lμ已知，感應(yīng)強(qiáng)度為B、磁聲強(qiáng)度為H，材料絕對(duì)磁導(dǎo)率為μ。此時(shí)，可以按照公式

得到銜鐵與靜鐵芯材料B-H曲線，通過離散得到數(shù)據(jù)表格。然后，將其輸入AMESim模型。當(dāng)油液密度為850kg/m3時(shí)，可以直接得到絕對(duì)黏度值顯示為5.1Pa?s。運(yùn)動(dòng)件按照直線運(yùn)動(dòng)，接通電源后的方向向左，此時(shí)，可以設(shè)置如下參數(shù)：（1）運(yùn)動(dòng)總質(zhì)量：56.00g；（2）銜鐵質(zhì)量：26.00g；（3）工作氣隙：0.42mm；（4）殘余氣隙：0.10mm；（5）運(yùn)動(dòng)行程：0.32mm；（6）彈簧預(yù)緊力（初始狀態(tài)）：120.00N；（7）彈簧剛度：16.67N/mm；（8）運(yùn)動(dòng)阻尼系數(shù)：5N/（m/s）。

第二步，使用ANSYS Maxwell軟件創(chuàng)建電磁力仿真模型，計(jì)算出電磁鐵電磁力-氣隙-安匝數(shù)關(guān)系、線圈電感-氣隙-安匝數(shù)關(guān)系，散化后得到數(shù)據(jù)表格，在AMESim電磁鐵模型中輸入數(shù)據(jù)后進(jìn)行仿真求解。

第三步，在仿真模型中，將仿真時(shí)長(zhǎng)、仿真步長(zhǎng)分別設(shè)置為0.01ms、15.00ms，這樣可以對(duì)每個(gè)子步進(jìn)的求解結(jié)果進(jìn)行有效記錄。

2.4 驗(yàn)證

首先，確定試驗(yàn)對(duì)象為單復(fù)位彈簧高速大流量電磁閥，搭建試驗(yàn)臺(tái)（如圖2）。

圖2 試驗(yàn)臺(tái)構(gòu)成

其次，考慮到電磁閥動(dòng)作快的特點(diǎn)，試驗(yàn)中為了精準(zhǔn)測(cè)量銜鐵位移信號(hào)，應(yīng)用了CZ600型電渦流位移傳感器，參數(shù)如下：（1）響應(yīng)最大頻率：10kHz；（2）線性范圍：0.3～1.36mm；（3）測(cè)量誤差：±1%滿程量以內(nèi)。

配套的電流傳感器為KT50A/P型，參數(shù)如下：（1）量程：0～80A；（2）測(cè)量誤差：±1A以內(nèi)。

配套的壓力傳感器為KISTLER型，參數(shù)如下：（1）量程：0～50MPa；（2）測(cè)量誤差：±0.13%滿程量以內(nèi)。

檢查無(wú)誤后進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示：（1）電磁閥開啟與關(guān)閉時(shí)的響應(yīng)時(shí)間分別為1.00ms、1.55ms，計(jì)算值分別為0.99ms、1.51ms，誤差分別為1.0%、2.6%。（2）線圈電流信號(hào)波動(dòng)較大，計(jì)算值與測(cè)量值具有一致性。（3）對(duì)控制信號(hào)發(fā)出后到壓力信號(hào)為0MPa的時(shí)間進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果顯示為1.10ms，計(jì)算值為1.03ms，兩者的誤差達(dá)到了6.3%。分析導(dǎo)致誤差較大原因發(fā)現(xiàn)：壓力相對(duì)較大，孔口會(huì)出現(xiàn)節(jié)流效應(yīng)，并在達(dá)到10MPa時(shí)導(dǎo)致控制腔壓力波動(dòng)。整體上的驗(yàn)證表明，在該模型下能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電磁閥動(dòng)作過程的精準(zhǔn)仿真，并反映其實(shí)際運(yùn)行情況。

2.5 計(jì)算

首先，根據(jù)上文對(duì)單復(fù)位彈簧高速電磁閥模型的仿真計(jì)算，證實(shí)了該模型的有效性。在驗(yàn)證雙復(fù)位彈簧高速電磁閥模型時(shí)，只需要將模型改為數(shù)學(xué)分段函數(shù)模型即可。假定在開啟時(shí)運(yùn)動(dòng)件受到彈簧作用力為f（x）。設(shè)高剛度復(fù)位彈簧的剛度為Kh，動(dòng)作過程位置為x，低剛度復(fù)位彈簧剛度、預(yù)緊力分別為K1、F0，可以得到函數(shù)

其次，參考上文中設(shè)置的數(shù)據(jù)，將雙復(fù)位彈簧模型中K1、F0值分別設(shè)置為16N/mm、110N，Kh值設(shè)置為 60N/mm、80N/mm、100N/mm。 設(shè) δ 值 為 0.10ms、0.05ms、0.02ms、0.01ms，將其代入式（4），可以得到Kh、δ與電磁閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)關(guān)系。對(duì)δ、K1、F0、Kh四個(gè)因素對(duì)電磁閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)的敏感性開展分析，參數(shù)化計(jì)算表顯示出72種組合下的結(jié)果，繪制不同因素及其二階交互對(duì)電磁閥開啟與關(guān)閉響應(yīng)的敏感性箱線圖，結(jié)果顯示：（1）在單因素條件下，F(xiàn)0影響最大，其次是δ；（2）在二階交互因素下，影響最大的是F0×δ，其次是F0×Kh。

3 影響高速電磁閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)因素分析

3.1 低剛度彈簧預(yù)緊力的影響

設(shè)F0值為120N、110N、100N，依次進(jìn)行計(jì)算，選擇任何一個(gè)δ值時(shí)，電磁閥開啟響應(yīng)時(shí)間都會(huì)減少，關(guān)閉時(shí)間增加。但是，當(dāng)δ值依次增加時(shí)，電磁閥開啟響應(yīng)時(shí)間會(huì)減少，關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間會(huì)增加。當(dāng)F0=110N時(shí)，選任意δ值，開啟與關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間均減少。由此說明該方案提高了整體上的響應(yīng)速度。

3.2 高剛度彈簧剛度的影響

按照同樣的方法，設(shè)Kh值為120N、110N、100N時(shí)，依次進(jìn)行計(jì)劃，開啟響應(yīng)時(shí)間減少，關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間增加。依次增加δ值，開啟響應(yīng)時(shí)間減少幅度微弱，關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間增加。但是，在整體上提高了響應(yīng)速度。兩種影響的原因都是由于δ值增加后，開啟電磁閥時(shí)，延遲了高剛度復(fù)位彈簧作用力，關(guān)閉電磁閥時(shí)，減少了動(dòng)能向彈性勢(shì)力的轉(zhuǎn)化。

4 結(jié)語(yǔ)

總之，燃油控制系統(tǒng)中的高速電磁閥開啟與關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間的減少，有利于提升整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。隨著該方面研究的逐漸深入，單復(fù)位彈簧結(jié)構(gòu)的適用性越來(lái)越差，新時(shí)期應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求，增強(qiáng)對(duì)雙復(fù)位彈簧結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。結(jié)合上述分析可以看出，借助數(shù)值模型仿真與計(jì)算，能夠證實(shí)該結(jié)構(gòu)的比較優(yōu)勢(shì)，并在整體上提高電磁閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。