李 帆, 盧 瑋, 賀玉海,3,4, 葉春陽
(1.中船動力(集團)有限公司, 上海 201208; 2.武漢理工大學船海與能源動力工程學院, 湖北武漢 430063;3.船舶動力工程技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室, 湖北武漢 430063;4.船舶與海洋工程動力系統(tǒng)國家工程實驗室電控分實驗室, 湖北武漢 430063)
氣動電磁閥作為常見的往復運動控制器在船舶、汽車、航空航天、食品加工與包裝作業(yè)和采礦等控制領域有非常重要的應用[1-2]。在船舶大功率內(nèi)燃機起動系統(tǒng)中,缸蓋起動閥的動作是由氣動電磁閥控制,而氣動電磁閥性能直接影響到船舶內(nèi)燃機的運轉(zhuǎn)性能和安全性。如果氣動電磁閥的性能不達標,可能導致柴油機無法及時起動。為了可靠和迅速的控制氣缸起動閥啟閉,氣動電磁閥的響應時間對船舶內(nèi)燃機起動系統(tǒng)來說至關(guān)重要。因此對氣動電磁閥響應時間的研究十分必要。
董彩鳳[3]設計并搭建了一套電磁閥測試系統(tǒng),測試電磁閥的切換時間以及開啟和關(guān)閉響應時間;賀玉海等[4]設計并搭建了一套電磁性能試驗臺,研究了電磁閥的各種性能;肖雅馨[5]通過結(jié)合閥腔體壓力的變化和驅(qū)動電信號計算氣動電磁閥的開啟和關(guān)閉響應時間。國外,LISOWSKI E等[6]通過CFD模型計算了流動相關(guān)的力(壓力和黏性力等),并通過搭建試驗臺測試實際的力,將實際測得力與仿真值進行比較。結(jié)果表明試驗值和仿真值之間的差距僅為3.2%和5.9%;MESSINA A等[7]研制了專用試驗臺測試氣動系統(tǒng)中氣動電磁閥動態(tài)特性,該試驗臺通過數(shù)據(jù)采集卡采集氣缸內(nèi)部活塞的運動狀態(tài),得到活塞的運動曲線,進而間接得出氣動電磁閥的響應時間;VENKATARAMAN K A[8]為了研究進氣口壓力對氣動電磁閥響應時間的影響,設計了一套氣動電磁閥測試平臺,通過電磁閥安裝塊上的壓力傳感器采集出口壓力,示波器采集驅(qū)動電壓曲線與出口壓力曲線,測試了兩種類型的氣動電磁閥在壓力范圍為0.1~0.7 MPa工況下的動作頻率以及響應特性。當前,國內(nèi)外氣動電磁閥廠商給出的氣動電磁閥相關(guān)參數(shù)一般只有靜態(tài)參數(shù),例如工作壓力、線圈匝數(shù)以及產(chǎn)品型號。對于氣動電磁閥動態(tài)參數(shù)描述較少,僅僅停留在定性描述的層面。且國內(nèi)外低壓氣動電磁閥產(chǎn)品已較為成熟,而對高壓氣動電磁閥的研究較少。
ANSYS公司旗下的Maxwell是一款電磁有限元分析工具,Maxwell中的求解器共有6個,分別為靜電場求解器、交變電場求解器、瞬態(tài)場求解器、恒定電場求解器、渦流場求解器和靜磁場求解器。Maxwell中的瞬態(tài)場求解器主要用來仿真電磁鐵參數(shù)隨時間變化的特性,可以求解出閥芯運動過程,例如電磁閥閥芯位移隨時間的變化[9]。本研究運用 Maxwell軟件對高壓氣動電磁閥進行開啟和關(guān)閉響應時間的仿真計算,需要得到線圈電流和閥芯位移隨著時間的變化,進而得到高壓氣動電磁閥的響應時間,所以采用 Maxwell中的瞬態(tài)場求解器。通過對比研究提出優(yōu)化電磁閥性能的方案,并通過試驗驗證了優(yōu)化前后的電磁閥在24 V和1.1 mm工作氣隙下的響應時間,驗證仿真模型的精確性。
氣動電磁閥結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示,主要包括電磁線圈、動閥芯、緩沖彈簧和靜閥芯等。氣動電磁閥為常閉式二位三通閥,共有3個出入口,其中1口為上游氣源入口,2口連接負載,3口為排氣口。當電磁線圈得電,靜鐵芯與動銜鐵產(chǎn)生電磁力,克服復位彈簧的阻力帶動動閥芯向上移動,使上密封墊與磁靜閥芯的刃口形成密封,從而使3口關(guān)閉。氣流由1口進入,通過閥體與動閥芯之間的空腔,進入2口,驅(qū)動負載(缸蓋起動閥)工作。電磁線圈斷電時,復位彈簧帶動動閥芯向下移動,并施加一定的密封力,使下密封墊與閥體的刃口之間形成密封,從而使1口關(guān)閉。氣流由2口進入,通過導流通道到達動、靜閥芯間的空隙,再通過3口排氣。
圖1 氣動電磁閥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of pneumatic solenoid valve structure
高壓氣動電磁閥受力模型可簡化成由質(zhì)量、彈簧、阻尼組成的一個系統(tǒng),如圖2所示。圖中,k為復位彈簧剛度系數(shù),b為氣體運動阻尼系數(shù),Fe為閥芯所受的電磁力,Fl為閥芯所受氣動力,y為閥芯開度,m為閥芯質(zhì)量,p1為電磁閥進氣口壓力,p2為電磁閥工作口壓力,A為上游氣源入口[10]。
圖2 氣動電磁閥閥芯受力圖Fig.2 Stress diagram of pneumatic solenoid valve core
根據(jù)牛頓第二定律,閥芯受力的平衡方程為:
(1)
根據(jù)麥克斯韋方程,
(2)
(3)
(4)
(5)
進而得到:
(6)
式中,B—— 磁感應強度
φ—— 磁通量
A—— 電磁鐵的有效吸合面積
I—— 電磁閥線圈電流
N—— 線圈匝數(shù)
δ—— 工作氣隙
l—— 磁回路的平均長度
∑Rm—— 磁路總磁阻
μ0—— 真空磁導率
μ—— 磁鐵導磁率,一般μ>>μ0
由于電感作用,線圈從失電狀態(tài)到得電狀態(tài)變化時,線圈電流不能直接躍變?yōu)榉€(wěn)態(tài)值,而是從0逐漸上升,電磁力也相應地表現(xiàn)為一種漸升過程:在初始狀態(tài)時,電磁吸力小于阻力;只有當線圈電流上升到某一臨界值,電磁吸力克服阻力,閥芯才開始運動。同樣當線圈由得電狀態(tài)變?yōu)槭щ姞顟B(tài)時,由于渦流作用,電磁吸力變現(xiàn)為逐漸下降,只有當吸力小于阻力時,閥芯開始關(guān)閉。由此可以看出,電磁閥工作時表現(xiàn)出閥芯位移-時間上的延時,稱為響應特性[11]。定義從控制信號開始時刻到電磁閥完全打開所需要的時間稱為電磁閥的開啟響應時間,從控制信號結(jié)束時刻到電磁閥完全關(guān)閉所需要的時間稱為電磁閥的關(guān)閉響應時間。
1) 模型建立
電磁閥的開啟和關(guān)閉響應時間需要通過瞬態(tài)磁場仿真計算出線圈電流以及動閥芯位移,從而得到電磁閥的開啟和關(guān)閉響應時間。由于所研究的電磁閥為軸對稱結(jié)構(gòu),因此模型分析選擇二維瞬態(tài)仿真計算[12]。在模型中創(chuàng)建一個band區(qū)域包裹住動閥芯,band區(qū)域不能與其他物體相交,建立仿真模型如圖3所示。
圖3 氣動電磁閥二維模型Fig.3 2D model of pneumatic solenoid valve
圖4 激勵源Fig.4 Motivation source
2) 運動屬性設置
模型的運動設置[13]包括運動類型、運動信息及機械信息的設置。設定運動類型為直線運動,運動方向為Z軸的正方向,動閥芯運動的初始位置為0,動閥芯運動行程為1.1 mm,動閥芯質(zhì)量為45 g,彈簧初始負載力為-20.8 N,彈簧剛度為1600 N/m,在Maxwell中設置動閥芯運動過程中受到彈簧力的負載為-(20.8+1600*position) N(其中position為Maxwell中的內(nèi)置函數(shù))。
3) 計算邊界條件定義
在求解仿真模型時,選擇速度邊界條件。
4) 材料屬性的設置
設置電磁閥的外殼、磁靜閥芯以及墊片材料設置為DT4,動閥芯材料為1Cr13,線圈材料為copper,運動域band為vacuum。
5) 激勵源的加載
電磁閥的激勵源設置采用電壓參數(shù)化設置,同時采用if函數(shù)進行激勵源的設置, 0~120 ms給以電磁閥24 V電壓供電,121~250 ms停止對電磁閥供電。電磁閥線圈匝數(shù)為2700,線圈電阻為41.8 Ω。
6) 網(wǎng)格劃分
Maxwell中on selection模式側(cè)重于對表面的網(wǎng)格剖分,不太適用于本模型。所以選擇inside selection模式,設置線圈、動閥芯、運動域網(wǎng)格最大長度為1 mm,其余部分選擇自適應網(wǎng)格劃分。
采用Maxwell中的后處理報告功能,得到電磁閥的電磁力、線圈電流和閥芯位移隨時間變化曲線,仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。
圖5 激勵源下電磁力隨時間的變化Fig.5 Variation of electromagnetic force with time under excitation source
圖6 激勵源下線圈電流和閥芯位移變化曲線Fig.6 Curve of coil current and valve core displacement under excitation source
由圖5和圖6可知,氣動電磁閥電磁力最大值為209.5 N,氣動電磁閥的開啟響應時間為30.1 ms,氣動電磁閥的關(guān)閉響應時間為43.3 ms。在此設計狀況下,電磁閥的響應時間不滿足柴油機正常啟動條件。故需要尋求新方法來優(yōu)化電磁閥響應特性。
為尋求氣動電磁閥響應時間的優(yōu)化方案,可通過改變氣動電磁閥工作電壓和工作氣隙的方法來實現(xiàn)[14]。由于氣動電磁閥在開啟過程中,線圈得電,電磁力不斷增大,從而驅(qū)動氣動電磁閥。當氣動電磁閥工作電壓增大或減小時,電磁閥線圈電流也會隨之增大或減小,導致電磁閥電磁力增大或減小,進而影響電磁閥開啟響應時間。另外也可以通過改變電磁閥工作氣隙和線圈匝數(shù)等來尋求電磁閥優(yōu)化方案。
利用Maxwell軟件的參數(shù)化計算功能,改變電磁閥工作電壓、工作氣隙和線圈匝數(shù)等,得到不同電壓下、不同氣隙下和不同線圈匝數(shù)下電磁閥的開啟和關(guān)閉響應時間。
1) 參數(shù)化工作電壓
電磁閥設計的額定電壓為24 V,在Maxwell中參數(shù)化電壓選擇19.2~28.8 V,對仿真模型進行計算,得到不同電壓下電磁閥線圈電流和閥芯位移如圖7所示??梢钥闯?隨著工作電壓的增大,電磁閥的開啟響應時間不斷減少。如表1所示,當電磁閥工作電壓為28.8 V時,電磁閥的開啟響應時間為24.2 ms,比24 V狀態(tài)下加快了5.9 ms,電磁閥工作電壓為19.2 V時,電磁閥開啟響應時間為45.1 ms,比24 V狀態(tài)下減慢了15 ms。因此,可以適當提高電磁閥工作電壓來提高電磁閥開啟響應時間。
表1 不同電壓下電磁閥開啟響應時間Tab.1 Response time of solenoid valve opening under different voltages
圖7 電磁閥在不同電壓下線圈電流和閥芯位移Fig.7 Electromagnetic valve coil current and valve core displacement under different voltages
2) 電磁線圈優(yōu)化
從原理上分析,電磁閥線圈匝數(shù)直接影響電磁力的輸出,增加線圈匝數(shù)可以提高電磁轉(zhuǎn)換效率,從而增加電磁力。通過實際測試,雖然電磁力增加,但相對響應時間變慢,且通過電感模型公式可知,線圈匝數(shù)增加,線圈電感同樣會增加,從而阻礙電流上升速度,影響響應速度的提升。
電感模型公式:
(7)
式中,N—— 線圈匝數(shù)
Rm—— 等效磁路磁阻
Rσ—— 等效工作氣隙磁阻
Rr—— 等效非工作氣隙磁阻
為了防止減少線圈匝數(shù)而導致電磁力下降,采用雙線并聯(lián)纏繞方式,此時的電磁閥線圈電阻為5 Ω。對優(yōu)化后的電磁閥進行動態(tài)仿真分析,分析結(jié)果如圖8所示。
圖8 優(yōu)化后氣動電磁閥的響應時間Fig.8 Response time of optimized pneumatic solenoid valve
電磁閥開啟響應時間從30.1 ms下降為8.0 ms,電磁閥的關(guān)閉響應時間由43.3 ms下降為15 ms??梢钥闯?線圈采用并聯(lián)方式后,勵磁速度明顯提升,優(yōu)化后線圈的電感也隨之降低,線圈中電流增長速度變快,因此采用線圈并聯(lián)的方式能夠滿足柴油機起動系統(tǒng)的要求。
國際標準ISO 12238中關(guān)于響應時間的定義為:當出氣口只有一個壓力傳感器連接時,從電或者氣的控制信號變化開始,到相關(guān)出氣口的壓力變化了規(guī)定壓力的10%時所對應的滯后時間稱為開啟響應時間,從電或者氣的控制信號斷開時,出氣口的壓力變化到規(guī)定壓力的90%時所對應的滯后時間稱為關(guān)閉響應時間[15]。采用壓力法和閥芯位移法對優(yōu)化前后的電磁閥進行試驗研究。
根據(jù)國際標準ISO 12238關(guān)于氣動電磁閥響應時間的測試方法和電磁閥工作原理分析,設計高壓氣動電磁閥測試系統(tǒng)如圖9所示。
1.截止閥 2.儲氣瓶 3.進氣閥 4.高壓氣動電磁閥 5.電磁閥安裝塊 6、7.開關(guān)球閥 8.流量計 9.背壓閥 10.發(fā)動機模擬起動裝置 11.壓力傳感器 12.溫度傳感器 13.電流傳感器 14.位移傳感器 15.下位機 16.上位機
如圖9所示,圖中實線表示氣路部分,虛線部分表示上下位機采集電流和壓力信號等部分,帶箭頭的虛線表示上下位機發(fā)出可調(diào)節(jié)頻率和占空比的控制信號部分(用于控制電磁閥動作)。
壓縮氣體由空壓機產(chǎn)生,經(jīng)過濾水汽和雜質(zhì)后儲存在儲氣罐中,保證測試過程中氣壓穩(wěn)定。測試過程中,由于電磁閥沒有安裝螺紋,設計一個電磁閥安裝塊輔助測試,在電磁閥安裝塊上安裝壓力傳感器(進口和出口壓力傳感器)和溫度傳感器。由于電磁閥響應時間較短,基本上在毫秒級別,電磁閥出口壓力變化迅速,一般的壓力傳感器無法滿足需求,因此選擇Huba control 511壓力傳感器。電流傳感器基于霍爾磁平衡原理,為非接觸式傳感器,將給電磁閥供電導線一段穿過電流傳感器,即可測得電磁閥線圈電流。
測控系統(tǒng)信號采集和控制部分如圖10所示。為了使氣動電磁閥工作環(huán)境更加貼近實際,試驗中在氣動電磁閥上方使用加熱燈和加濕器等模擬了船舶機艙高溫和高濕環(huán)境。測控系統(tǒng)采用上位機-下位機模式,上位機選用高性能臺式電腦,下位機選用NI PCIe-7851R。由于NI PCIe-7851R輸出電壓較小無法直接驅(qū)動電磁閥動作,因此采用AL-ZARD的SV-5AIR4P型驅(qū)動電路對采集卡輸出的電壓升壓到24 V。由于電磁閥響應時間以控制電信號變化為時間起點,而硬件部分存在延時,即從軟件發(fā)出指令到電磁閥接受到電信號存在一個延時。即經(jīng)過驅(qū)動電動升壓后的控制信號才是真正的控制信號開始變化時刻,為了減小因為硬件造成的延時,測試過程中以實際電流變化點為開始時刻,減小試驗誤差[16]。測試系統(tǒng)實物圖如圖11所示。
圖10 測控系統(tǒng)信號采集和控制框圖Fig.10 Signal acquisition and control block diagram of measurement and control system
圖11 測試系統(tǒng)實物圖Fig.11 Physical diagram of testing system
氣動電磁閥響應時間包括開啟響應時間和關(guān)閉響應時間。本研究應用兩種方法(壓力法和閥芯位移法)測量優(yōu)化前后氣動電磁閥響應時間。
壓力法測試響應時間流程如下:設置測試壓力為3.2 MPa,使得空壓機向儲氣罐內(nèi)充氣,充氣一段時間穩(wěn)定后,控制被測閥動作(占空比50%、頻次20次/min)。同時控制圖9中的球閥7使其關(guān)閉,打開儲氣罐閥門。
圖12是優(yōu)化前氣動電磁閥響應時間總圖,圖13和圖14分別是壓力法優(yōu)化前氣動電磁閥開啟響應時間和關(guān)閉響應時間圖。圖15是優(yōu)化后氣動電磁閥響應時間總圖,圖16和圖17分別是優(yōu)化后氣動電磁閥開啟響應時間和關(guān)閉響應時間圖。表2是連續(xù)3次對優(yōu)化前氣動電磁閥響應時間測試記錄表,表3是連續(xù)3次對優(yōu)化后氣動電磁閥響應時間測試記錄表。
表2 優(yōu)化前氣動電磁閥響應時間試驗數(shù)據(jù)Tab.2 Response time test data of pneumatic solenoid valve before optimization ms
表3 優(yōu)化后氣動電磁閥響應時間試驗數(shù)據(jù)Tab.3 Response time test data of optimized pneumatic solenoid valve ms
圖12 優(yōu)化前氣動電磁閥響應時間總圖Fig.12 Overview of response time of pneumatic solenoid valve before optimization
圖13 優(yōu)化前氣動電磁閥開啟響應時間Fig.13 Response time of pneumatic solenoid valve opening before optimization
圖14 優(yōu)化前氣動電磁閥關(guān)閉響應時間Fig.14 Response time for closing pneumatic solenoid valve before optimization
圖15 優(yōu)化后氣動電磁閥響應時間總圖Fig.15 Overview of response time of optimized pneumatic solenoid valve
圖16 優(yōu)化后氣動電磁閥開啟響應時間Fig.16 Optimized pneumatic solenoid valve opening response time
圖17 優(yōu)化后氣動電磁閥關(guān)閉響應時間Fig.17 Optimized pneumatic solenoid valve closing response time
由表2可知,試驗測得,優(yōu)化前氣動電磁閥的開啟響應時間為28.9 ms,關(guān)閉響應時間為46.53 ms,仿真出的電磁閥開啟響應時間為30.1 ms,關(guān)閉響應時間為43.3 ms。開啟響應時間試驗值與仿真值誤差為4.1%,關(guān)閉響應時間試驗值與仿真值誤差為7.4%。由表3可知,試驗測得,優(yōu)化前氣動電磁閥的開啟響應時間為8.7 ms,關(guān)閉響應時間為15.47 ms,試驗測得優(yōu)化后氣動電磁閥響應時間滿足柴油機氣動系統(tǒng)要求。仿真出的電磁閥開啟響應時間為8.0 ms,關(guān)閉響應時間為15.0 ms。開啟響應時間試驗值與仿真值誤差為8.75%,關(guān)閉響應時間試驗值與仿真值誤差為3.13%。
1) 系統(tǒng)設計
根據(jù)電磁閥結(jié)構(gòu)可知,電磁閥動閥芯運動行程為1.1 mm。由于電磁閥進氣口和排氣口通徑較小,試驗采取微動開關(guān)來測量電磁閥響應時間。微動開關(guān)選擇SS-01GL開關(guān),如圖18所示,連接1和3銀角,微動開關(guān)處于常開狀態(tài)。圖19為微動開關(guān)測量電磁閥響應的實物圖。將微動開關(guān)固定到試驗臺上,用數(shù)字電源盒將微動開關(guān)、3 kΩ電阻串聯(lián)形成一個回路,采集電阻兩端的電壓。當電磁閥動作時(與微動開關(guān)間距1 mm),閥芯運動,使得微動開關(guān)由閉合變?yōu)閿嚅_,此時電阻兩端的電壓由4.5 V變?yōu)? V,采集電磁閥電流信號和電阻兩端的電壓信號,定義從電信號開始到微動開關(guān)斷開時為電磁閥開啟響應時間[17-18]。
圖18 微動開關(guān)測響應時間示意圖Fig.18 Schematic diagram of microswitch response time measurement
圖19 微動開關(guān)測響應時間實物圖Fig.19 Physical diagram of microswitch response time measurement
2) 位移法試驗結(jié)果
如圖20、圖21分別是測試改進前氣動電磁閥的開啟和關(guān)閉響應時間圖,其中包含電磁閥線圈電流變化值和電阻兩端電壓值。表4為對該電磁閥連續(xù)測試3次所得的電磁閥響應時間。
表4 位移法測得改進前電磁閥響應時間Tab.4 Measuring the response time of solenoid valve before improvement using displacement method ms
圖20 改進前電磁閥開啟響應時間Fig.20 Response time of solenoid valve opening before improvement
圖21 改進前電磁閥關(guān)閉響應時間Fig.21 Response time of solenoid valve closing before improvement
由圖20、圖21和表4可知,試驗測得電磁閥的開啟響應時間為31.73 ms,關(guān)閉響應時間為44.03 ms,仿真出的電磁閥開啟響應時間為30.1 ms,關(guān)閉響應時間為43.3 ms。開啟響應時間試驗值與仿真值誤差為5.4%,關(guān)閉響應時間試驗值與仿真值誤差為1.6%。
如圖22、圖23分別是測試改進后氣動電磁閥的開啟和關(guān)閉響應時間圖,其中包含電磁閥線圈電流變化值和電阻兩端電壓值。表5為用位移法測得改進后電磁閥響應時間。
表5 位移法測得改進后電磁閥響應時間Tab.5 Measurement of improved electromagnetic valve response time using displacement method ms
圖22 改進后電磁閥開啟響應時間Fig.22 Improved response time for solenoid valve opening
圖23 改進后電磁閥關(guān)閉響應時間Fig.23 Improved response time for solenoid valve closure
由圖22、圖23和表5可知,試驗測得改進后電磁閥的開啟響應時間為8.63 ms,關(guān)閉響應時間為15.8 ms,改進后電磁閥響應時間滿足柴油機起動系統(tǒng)的要求。仿真中電磁閥開啟響應時間為8.0 ms,關(guān)閉響應時間為15.0 ms。開啟響應時間試驗值與仿真值誤差為7.8%,關(guān)閉響應時間試驗值與仿真值誤差為5.3%。改進前和改進后電磁閥開啟和關(guān)閉響應時間的仿真值均小于實測值,這主要是因為仿真計算簡化了氣動電磁閥物理模型,未考慮摩擦力和氣動力對閥芯的阻礙作用。
本研究以自主研制的氣動電磁閥為研究對象,建立了高壓氣動閥電磁部分模型,研制了高壓氣動電磁閥試驗臺并開發(fā)了部分配套的測控系統(tǒng)。首先利用電磁仿真軟件ANSYS Maxwell仿真出高壓氣動閥在額定電壓下開啟和關(guān)閉響應時間;接著通過Maxwell軟件自帶的參數(shù)化等功能對電磁閥提出了優(yōu)化設計方案,即改變氣動電磁閥工作電壓、工作氣隙和改變線圈繞線方式,進而改變電磁閥開啟和關(guān)閉響應時間;最后在研制的高壓氣動電磁閥試驗臺上對優(yōu)化前后的氣動電磁閥進行響應特性試驗,測得優(yōu)化后氣動電磁閥符合柴油機起動系統(tǒng)要求,試驗結(jié)果和仿真結(jié)果的誤差在合理范圍內(nèi),驗證了仿真模型的精準性。
高壓氣動電磁閥作為柴油機起動系統(tǒng)中的重要組成部分,其性能優(yōu)劣對柴油機起動系統(tǒng)有著重要影響。本研究在進行高壓氣動電磁閥仿真計算時,只分析了氣動電磁閥動態(tài)響應部分,沒有從氣動電磁閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)考慮流道結(jié)構(gòu)等方面,下一步研究需要對其流場進行仿真。