霍柏琦，韓錫嶺，葉春陽(yáng)，楊 多，賀玉海,4,5

(1.中國(guó)人民解放軍92942 部隊(duì)，北京 100161；2.中國(guó)人民解放軍92337 部隊(duì)，遼寧 大連 116023；3.武漢理工大學(xué) 船海與能源動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063；4.武漢理工大學(xué) 船舶動(dòng)力工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430063；5.武漢理工大學(xué) 船舶與海洋工程動(dòng)力系統(tǒng)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室電控分實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430063)

0 引言

冷起動(dòng)的難易程度是柴油機(jī)的一個(gè)重要性能指標(biāo)[1]，對(duì)于船用柴油機(jī)來(lái)說(shuō)，因可能服務(wù)于極限惡劣條件，甚至是最重要的安全與運(yùn)行性能指標(biāo)[2]。對(duì)于一般的柴油機(jī)而言，在不加裝電熱塞、起動(dòng)液、進(jìn)氣空氣預(yù)熱等特殊冷起動(dòng)措施的情況下，一般要求在-5℃的環(huán)境下能迅速可靠起動(dòng)，而在-40℃時(shí)利用一些輔助裝置也能迅速起動(dòng)[3–4]。對(duì)于船用柴油機(jī)，根據(jù)船規(guī)要求，即使機(jī)艙溫度低至5℃～8℃，可無(wú)須暖機(jī)也能快速順利起動(dòng)起來(lái)[5]。大中型船用柴油機(jī)由于壓縮比高、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和起動(dòng)扭矩大等原因，通常采用壓縮空氣起動(dòng)系統(tǒng)[6]，即將具有一定壓力（2.4～3.2 MPa）的壓縮空氣，按柴油機(jī)的發(fā)火順序在其工作（膨脹）行程時(shí)引入氣缸，代替燃?xì)馔苿?dòng)活塞，使柴油機(jī)達(dá)到起動(dòng)轉(zhuǎn)速，完成自行著火[7]。其優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)生起動(dòng)力矩大，起動(dòng)迅速可靠，對(duì)外界環(huán)境溫度不敏感，可在–30℃的情況下可靠起動(dòng)[8]。另外，對(duì)于船用大功率發(fā)動(dòng)機(jī)，在倒順車運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)還可利用壓縮空氣來(lái)剎車和幫助操縱[2]。

現(xiàn)代船用柴油機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)不僅要求保證柴油機(jī)能迅速可靠起動(dòng)起來(lái)，同時(shí)還要求消耗的能量（壓縮空氣量）盡可能少，并易于實(shí)現(xiàn)機(jī)艙自動(dòng)化和遙控，這只有在電控空氣起動(dòng)系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)[9–11]。起動(dòng)電磁閥作為柴油機(jī)電控空氣起動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)重件之一[12]，其作用相當(dāng)于原空氣分配器，控制壓縮空氣啟、閉缸蓋起動(dòng)控制閥；將壓縮空氣送入處于膨脹做功沖程中的氣缸，壓縮空氣在氣缸內(nèi)膨脹并推動(dòng)活塞向下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，經(jīng)連桿將活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為曲軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；隨后在慣性作用下，柴油機(jī)自行壓縮著火運(yùn)轉(zhuǎn)[13]。

本文研究的起動(dòng)電磁閥應(yīng)用于某V 型16 缸船用柴油機(jī)的起動(dòng)系統(tǒng)，如圖1 所示。其由電子空氣分配器、起動(dòng)電磁閥、缸蓋起動(dòng)控制閥、主起動(dòng)閥、起動(dòng)空氣管路及高壓氣源等部件組成。電子空氣分配器主要功能組件為8 個(gè)按發(fā)火順序排列的位置傳感器，以及與凸輪軸相連的鋼質(zhì)飛塊；當(dāng)凸輪軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)應(yīng)位置的傳感器獲得接近信號(hào)，從而控制對(duì)應(yīng)氣缸電磁閥動(dòng)作。信號(hào)放大器根據(jù)傳感器獲得的信號(hào)控制固態(tài)繼電器導(dǎo)通或者斷開，給對(duì)應(yīng)氣缸的起動(dòng)電磁閥控制電流（24 V，1 A）。電磁閥為二位三通電磁閥，當(dāng)?shù)玫娇刂齐娏鲿r(shí)動(dòng)作，使3.2 MPa 主起動(dòng)空氣進(jìn)入缸蓋起動(dòng)控制閥，控制缸蓋起動(dòng)控制閥開啟；當(dāng)失去控制電流時(shí)復(fù)位，使柴油機(jī)缸蓋起動(dòng)控制閥及其控制管路中的壓縮空氣泄放，從而使缸蓋起動(dòng)控制閥關(guān)閉。

圖1 某V 型船用柴油機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)的原理圖Fig.1 Schematic diagram of a V-type ship diesel engine starting system

1 起動(dòng)電磁閥的結(jié)構(gòu)與工作原理

本文研究的起動(dòng)電磁閥是一種二位三通、常閉式、高壓氣動(dòng)電磁閥，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2 所示，主要由靜磁閥芯、電磁線圈、動(dòng)閥芯、復(fù)位彈簧、閥體和接線模塊等組成。該閥有3 個(gè)出入氣口，其中進(jìn)氣口P為高壓空氣入口，與上游高壓氣源裝置（泵站）連通；工作口A接負(fù)載，與閥控對(duì)象如氣缸起動(dòng)閥的控制腔室連通；排氣口T為泄壓排空口，與大氣連通。

圖2 起動(dòng)電磁閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Internal structure diagram of starting solenoid valve

如圖2 所示，當(dāng)電磁閥處于“關(guān)”位置時(shí)，即進(jìn)氣口P關(guān)閉，工作口A和排氣口T連通，電磁線圈斷電，復(fù)位彈簧帶動(dòng)動(dòng)閥芯向下移動(dòng)，并施加一定的密封力，使進(jìn)氣口下密封墊與閥體的刃口之間形成密封，從而使進(jìn)氣口P關(guān)閉。氣流由工作口A進(jìn)入，通過動(dòng)閥芯外圓面的導(dǎo)流槽，進(jìn)入動(dòng)閥芯與磁靜閥芯之間的間隙，最后通過排氣口T排放。

相反，當(dāng)電磁閥處于“開”位置時(shí)，即排氣口T關(guān)閉，進(jìn)氣口P和工作口A連通，電磁線圈通電，磁靜鐵芯產(chǎn)生電磁力,克服復(fù)位彈簧的阻力并在介質(zhì)作用力下帶動(dòng)動(dòng)閥芯向上移動(dòng),使排氣口上密封墊與磁靜閥芯的刃口形成密封，從而使排氣口T關(guān)閉。氣流由進(jìn)氣口P進(jìn)入，通過閥體與動(dòng)閥芯之間的空腔，進(jìn)入工作口A，驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作。

2 起動(dòng)電磁閥的建模

2.1 起動(dòng)電磁閥的數(shù)學(xué)模型

根據(jù)上述起動(dòng)電磁閥的結(jié)構(gòu)和工作原理分析，其受力模型可簡(jiǎn)化成一個(gè)由質(zhì)量、彈簀、阻尼組成的機(jī)械系統(tǒng)，如圖3 所示[14]。

圖3 起動(dòng)電磁閥中動(dòng)閥芯的受力圖Fig.3 Force diagram of moving spool in starting solenoid valve

根據(jù)牛頓第二定律，起動(dòng)電磁閥動(dòng)閥芯受力的平衡方程為：

根據(jù)麥克斯韋電磁場(chǎng)方程組：

從而得到：

式中：?為磁通量，Wb；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；I為電磁閥線圈的實(shí)際電流，A；N為線圈匝數(shù)；A為電磁鐵的有效吸合面積，mm2；l為磁回路的平均長(zhǎng)度，mm；δ 為工作氣隙，mm；∑Rm為磁路的總磁阻，H；μ0為真空磁導(dǎo)率，μ為磁鐵導(dǎo)磁率，一般μ ?μ0。

2.2 起動(dòng)電磁閥的仿真模型

Ansoft Maxwell 2D/3D 軟件利用有限元離散形式，將麥克斯韋電磁場(chǎng)微分方程組的計(jì)算變換為矩陣進(jìn)行求解。該軟件是目前處理低頻電磁場(chǎng)問題的最常用軟件之一，其仿真計(jì)算步驟主要包括10 個(gè)部分[15]。

1）問題定義：本文起動(dòng)電磁閥中電磁鐵的軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，決定了其磁力線分布為空間軸對(duì)稱。對(duì)比二維和三維電磁鐵模型的仿真計(jì)算過程及資源消耗，發(fā)現(xiàn)2 種計(jì)算結(jié)果及計(jì)算精度基本一致，而二維（平面）模型尺寸小，可節(jié)省計(jì)算機(jī)資源，計(jì)算速度快、降低仿真時(shí)間成本。因此，對(duì)電磁鐵仿真采用Ansys Maxwell 2D 建模。

2）選擇求解器類型：對(duì)起動(dòng)電磁閥進(jìn)行靜態(tài)特性仿真計(jì)算時(shí)，主要分析電磁鐵在穩(wěn)態(tài)工況下的電磁性能，因而選用靜磁場(chǎng)求解器；而在進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性仿真時(shí)，需要研究閥芯的運(yùn)動(dòng)過程，其激勵(lì)電流和磁場(chǎng)等屬于瞬態(tài)場(chǎng)，因此選擇瞬態(tài)求解器。

3）繪制幾何模型：考慮到起動(dòng)電磁閥內(nèi)部的密封墊、O 型密封圈等零部件為非磁性材料；復(fù)位彈簧材料雖然導(dǎo)磁，但考慮到其螺旋結(jié)構(gòu)且彈簧力預(yù)加載在動(dòng)閥芯上。因此在繪制幾何模型時(shí)都可以忽略，起動(dòng)電磁閥二維模型如圖4 所示。

圖4 起動(dòng)電磁閥的二維模型圖Fig.4 2D model diagram of starting solenoid valve

4）設(shè)置材料屬性定義：按照實(shí)際所用材料設(shè)置。將線圈骨架材料設(shè)置為Teflon（聚四氟乙烯），靜閥芯、墊片、外殼設(shè)置為軟磁材料DT4（工業(yè)純鐵），動(dòng)閥芯設(shè)置為1Cr13，電磁線圈的材料設(shè)置為copper（銅）；由于空氣和真空的磁導(dǎo)率相差很小，所以將求解域填充材料設(shè)置為Vacuum（真空）。

5）定義邊界條件：Ansys Maxwell 軟件靜磁場(chǎng)求解器中包含有主從、對(duì)稱、矢量磁位、氣球以及自然等5 種邊界條件，為對(duì)無(wú)窮遠(yuǎn)處進(jìn)行求解，仿真模型采用氣球（無(wú)窮遠(yuǎn)）邊界條件。

6）添加激勵(lì)源：起動(dòng)電磁閥的工作電壓為DC 24 V，因此激勵(lì)源選定電壓原，即可在電磁線圈上施加24 V 直流電壓激勵(lì)。

7）運(yùn)動(dòng)選項(xiàng)設(shè)置：起動(dòng)電磁閥的動(dòng)閥芯作直線運(yùn)動(dòng)，最大行程1.1 mm，質(zhì)量45 g，初速度為0；復(fù)位彈簧剛度1.6 N/mm、初始負(fù)載力為-20.8 N，且隨著動(dòng)閥芯的運(yùn)動(dòng)，彈簧負(fù)載逐漸增大。

8）網(wǎng)格劃分：靜磁場(chǎng)和渦流場(chǎng)選定自適應(yīng)網(wǎng)格方法，瞬態(tài)場(chǎng)中也可導(dǎo)入靜態(tài)場(chǎng)的自適應(yīng)網(wǎng)格。即通過advanced import mesh 中完成網(wǎng)格劃分。

9）求解參數(shù)設(shè)定：仿真時(shí)間120 ms，步長(zhǎng)1 ms；求解設(shè)置定義最大收斂步數(shù)為15，收斂百分比誤差為0.2%；每步細(xì)化百分比為25%，非線性殘差0.000 1。

10）求解及后處理：完成上述參數(shù)設(shè)置好后進(jìn)行模型自檢，若所有步驟都正確，則可以開始求解。待求解結(jié)束后，即可執(zhí)行命令查看相應(yīng)仿真計(jì)算的結(jié)果。

3 起動(dòng)電磁閥仿真模型的試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 起動(dòng)電磁閥及專項(xiàng)試驗(yàn)臺(tái)研制

自主研制的起動(dòng)電磁閥，主要性能指標(biāo)目標(biāo)值如表1 所示。為了模擬起動(dòng)電磁閥的使用環(huán)境，研制了測(cè)試環(huán)境模擬裝置[16]，主要由溫濕度控制器、空氣加濕器、空氣加熱器、溫濕度表和保溫外罩等組成。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，起動(dòng)電磁閥的工作環(huán)境滿足GJB 1060-1991《艦船環(huán)境條件要求》規(guī)定，即水面艦船艙內(nèi)的柴油機(jī)等動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)滿足溫度55℃、相對(duì)濕度95%的環(huán)境條件。

表1 起動(dòng)電磁閥主要性能指標(biāo)Tab.1 The main performance of starting solenoid valve

自主研制的柴油機(jī)起動(dòng)電磁閥綜合性能測(cè)試平臺(tái)，主要包括高壓控制泵站（氣源）、船用柴油機(jī)壓縮空氣起動(dòng)系統(tǒng)模擬裝置、傳感器及試驗(yàn)平臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)等，各傳感器的性能見表2。

表2 試驗(yàn)臺(tái)傳感器參數(shù)列表Tab.2 Sensor parameter list of test bed

3.2 起動(dòng)電磁閥性能測(cè)試與仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

為了驗(yàn)證所建起動(dòng)電磁閥仿真模型的準(zhǔn)確性，同時(shí)也為檢驗(yàn)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的正確性，將試驗(yàn)測(cè)試條件、試驗(yàn)工況及控制參數(shù)等信息加載到起動(dòng)電磁閥Ansys Maxwell 2D 仿真模型中，計(jì)算閥芯位移、控制腔壓力、勵(lì)磁電流及功率等參數(shù)，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

在起動(dòng)電磁閥額定工作條件下，記錄仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試的控制腔壓力曲線，如圖5 所示，其是該閥工作3 個(gè)周期的對(duì)比圖。為更清楚測(cè)量起動(dòng)電磁閥的開啟和關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間，對(duì)圖5 中第2 個(gè)動(dòng)作周期中的開啟和關(guān)閉過程的壓力曲線進(jìn)行局部放大，如圖6 所示。

圖5 實(shí)測(cè)與仿真曲線對(duì)比圖Fig.5 Comparison of measured and simulated curves

圖6 閥腔壓力曲線及局部放大圖Fig.6 Pressure curve of valve chamber and local enlarged view

從圖5 可知，起動(dòng)電磁閥閥腔壓力仿真計(jì)算與實(shí)測(cè)曲線變化趨勢(shì)基本一致。以第2 個(gè)周期為例，計(jì)算其啟、閉響應(yīng)時(shí)間并于實(shí)測(cè)值對(duì)比，如表3 所示。

表3 啟、閉響應(yīng)時(shí)間的仿真計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Tab.3 Comparison of simulation and measured values of start and close response times

可知，起動(dòng)電磁閥啟、閉響應(yīng)時(shí)間的實(shí)測(cè)值均大于仿真值。這主要是因?yàn)槠饎?dòng)電磁閥的物理模型作了部分簡(jiǎn)化，比如未考慮動(dòng)閥芯等運(yùn)動(dòng)件摩擦力、不平衡氣動(dòng)力等因素；其次是忽略了電磁鐵及電磁線圈中的磁滯效應(yīng)和渦流效應(yīng)。但閥腔壓力實(shí)測(cè)與仿真曲線變化趨勢(shì)一致，且計(jì)算得到的開啟和關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間的誤差較小（低于3%），可以驗(yàn)證所建起動(dòng)電磁閥有限元模型的合理性和正確性，模型精度可以滿足性能分析要求。

4 起動(dòng)電磁閥的性能仿真分析

4.1 靜態(tài)性能仿真分析

起動(dòng)電磁閥靜態(tài)特性反映了電磁鐵的電磁學(xué)特性。它揭示了電磁鐵工作的最大潛力，即電磁吸力極限值[17]。在電磁閥結(jié)構(gòu)形式及磁場(chǎng)一定情況下，電磁力主要取決于工作氣隙（動(dòng)鐵芯與靜鐵芯之間的距離）和驅(qū)動(dòng)電壓。本文的起動(dòng)電磁閥工作氣隙范圍為0～1.1 mm，驅(qū)動(dòng)電壓為DC24V±20%。為探究在不同工作氣隙、不同驅(qū)動(dòng)電壓下電磁鐵的工作能力，仿真計(jì)算結(jié)果如圖7 和圖8 所示。

圖7 電磁力與工作氣隙及驅(qū)動(dòng)電壓關(guān)系曲線Fig.7 Relation curve between electromagnetic force and working air gap &driving voltage

圖8 不同驅(qū)動(dòng)電壓下磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖Fig.8 Cloud diagram of magnetic induction intensity under different driving voltages

由圖7 可知，電磁力隨著工作氣隙的增大而減小，同樣工作氣隙下，驅(qū)動(dòng)電壓越低，電磁力越小。根據(jù)指標(biāo)要求，本文設(shè)計(jì)的電磁閥初始工作氣隙為1.1 mm，可在工作電壓24V±20%的范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。由圖7 還可知，在初始工作氣隙1.1 mm、動(dòng)閥芯收到的外部負(fù)載和自身重力45 g，以及彈簧力-20.8 N、剛度1.6 N/mm，工作電壓分別為19.2 V、24 V 和28.8 V時(shí)，其產(chǎn)生的電磁力分別為40.77 N、58.21 N 和73.81 N，都大于外部負(fù)載阻力，滿足工作要求。

4.2 動(dòng)態(tài)性能仿真分析

起動(dòng)電磁閥靜態(tài)特性仿真分析，在一定程度上可以驗(yàn)證和優(yōu)化電磁閥所產(chǎn)生的最大電磁力，但無(wú)法獲知電磁閥具體的響應(yīng)參數(shù)，如開啟、關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間。在電磁閥實(shí)際工作中，電磁線圈受到電壓信號(hào)激勵(lì)后，勵(lì)磁電流、動(dòng)閥芯位移和電磁力等物理量都會(huì)隨時(shí)間變化而變化，這種規(guī)律稱為起動(dòng)電磁閥的動(dòng)態(tài)特性[18]。動(dòng)態(tài)特性分析可以很容易獲取開啟響應(yīng)時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)。

4.2.1 起動(dòng)電磁閥開啟響應(yīng)時(shí)間分析

起動(dòng)電磁閥的關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間主要受復(fù)位彈簧的作用，本文只分析開啟過程的響應(yīng)時(shí)間。當(dāng)柴油機(jī)起動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)出起動(dòng)指令后，起動(dòng)電磁閥驅(qū)動(dòng)電路接收起動(dòng)信號(hào)后電磁鐵通電，電磁線圈中電流（見圖9）從零快速增長(zhǎng)，但由于電磁線圈中電阻和電感（見圖10）的存在，阻礙勵(lì)磁電流的上升速度，勵(lì)磁電流按指數(shù)曲線的規(guī)律逐漸上升。當(dāng)勵(lì)磁電流增加至300.54 mA時(shí)，電磁力（見圖11）達(dá)到21.24 N，電磁吸力克服動(dòng)閥芯負(fù)載阻力，動(dòng)閥芯開始運(yùn)動(dòng)（見圖12），此時(shí)，響應(yīng)時(shí)間為22.4 ms，即為電磁延遲時(shí)間。經(jīng)過電磁延遲時(shí)間后，動(dòng)閥芯運(yùn)動(dòng)后使得靜鐵芯和動(dòng)閥芯（銜鐵）之間的工作氣隙減小，進(jìn)而使工作氣隙內(nèi)的磁阻減小，同時(shí)使線圈的電感直線陡升，引起一個(gè)反電動(dòng)勢(shì)，使電磁線圈中的電流減?。坏捎诠ぷ鳉庀稖p小使得磁阻降低，因而電磁力仍將進(jìn)一步上升，驅(qū)動(dòng)閥芯運(yùn)動(dòng)。當(dāng)動(dòng)閥芯達(dá)到終點(diǎn)（限位）位置時(shí)，工作氣隙達(dá)到最小值（即殘余氣隙），線圈電感不再變化，此時(shí)反電勢(shì)不復(fù)存在。隨后，電磁線圈中的勵(lì)磁電流、磁通以及電磁力繼續(xù)增加至最大值并維持不變。從動(dòng)閥芯開始運(yùn)動(dòng)到停止運(yùn)動(dòng)，線圈內(nèi)的電流處于下降過程，此段時(shí)間稱為動(dòng)閥芯機(jī)械運(yùn)動(dòng)時(shí)間，即機(jī)械延遲5 ms。因此，電磁閥的開啟響應(yīng)時(shí)間為27.4 ms。

圖9 起動(dòng)電磁閥開啟過程中的線圈電流曲線Fig.9 Coil current curve in the opening process of starting solenoid valve

圖10 起動(dòng)電磁閥開啟過程中的線圈電感曲線Fig.10 Coil inductance curve in the opening process of starting solenoid valve

圖11 起動(dòng)電磁閥開啟過程中的電磁力曲線Fig.11 Electromagnetic force curve during the opening of the starting solenoid valve

圖12 起動(dòng)電磁閥開啟過程中的動(dòng)閥芯位移曲線Fig.12 Spool displacement curve in the opening process of starting solenoid valve

4.2.2 驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)開啟響應(yīng)時(shí)間的影響

船舶上供電電源的電壓在工作過程中難免有波動(dòng)，起動(dòng)電磁閥要求在直流電源電壓24 V±20%內(nèi)都能正常工作，因此有必要探討在電壓上、下限值下的起動(dòng)電磁閥的工作性能[19]。圖13、圖14 和圖15 分別為驅(qū)動(dòng)電壓為19.2 V、24 V 和28.8 V 時(shí)，電磁線圈勵(lì)磁電流、電磁力和動(dòng)閥芯位移隨時(shí)間的變化曲線。由圖13～圖15 可知，隨著驅(qū)動(dòng)電壓的降低，電磁線圈中電流增長(zhǎng)的速率及峰值降低，電磁力增長(zhǎng)的速度及能達(dá)到的最大電磁力也減小，動(dòng)閥芯雖然都可以達(dá)到最大開度但開啟響應(yīng)時(shí)間在增加，其對(duì)應(yīng)的開啟響應(yīng)時(shí)間為20.1 ms、26.0 ms、38.2 ms。由此可見，電源壓力波動(dòng)過大會(huì)影響起動(dòng)電磁閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，在進(jìn)行起動(dòng)電磁閥性能優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮其寬電壓的適應(yīng)能力；另一方面，提高電源的驅(qū)動(dòng)電壓有利于縮短起動(dòng)電磁閥的開啟響應(yīng)時(shí)間。

圖13 不同驅(qū)動(dòng)電壓下的電流變化曲線Fig.13 Current curves under different driving voltages

圖14 不同驅(qū)動(dòng)電壓下的電磁力變化曲線Fig.14 Electromagnetic force curves under different driving voltages

圖15 不同驅(qū)動(dòng)電壓下的閥芯位移變化曲線Fig.15 Spool displacement curves under different driving voltages

4.2.3 動(dòng)閥芯行程對(duì)開啟響應(yīng)時(shí)間的影響

起動(dòng)電磁閥在開啟過程中，不同工作氣隙下的勵(lì)磁電流、電磁力和閥芯位移隨時(shí)間變化而變化；且最大工作氣隙（即動(dòng)閥芯行程）不同時(shí)，其變化規(guī)律亦不相同。圖16～圖18 分別為動(dòng)閥芯行程為0.8 mm、1.0 mm 和1.1 mm 時(shí)，勵(lì)磁電流、電磁力及動(dòng)閥芯位移隨時(shí)間的變化曲線。由圖可知，隨著動(dòng)閥芯行程的增加，勵(lì)磁電流和電磁力逐步減小，開啟響應(yīng)時(shí)間分別為21 ms、25 ms 和26 ms。這是因?yàn)殡姶盼εc工作氣隙的平方成反比，即電磁力隨著氣隙的增大而迅速減小。同時(shí)，電磁鐵磁路上的漏磁通也會(huì)隨著氣隙寬度的增大而增加，導(dǎo)致通過銜鐵的主磁通量（即工作磁通）減小，使得電磁力進(jìn)一步減小，導(dǎo)致開啟響應(yīng)時(shí)間增大。因此，在滿足起動(dòng)電磁閥流通能力（閥芯開度）要求下，可通過減小動(dòng)閥芯行程（最大工作氣隙）來(lái)縮短起動(dòng)電磁閥的開啟響應(yīng)時(shí)間。

圖16 不同工作氣隙下的電流變化曲線Fig.16 Current curves under different working air gaps

圖17 不同工作氣隙下的電磁力變化曲線Fig.17 Electromagnetic force curves under different working air gaps

圖18 不同工作氣隙下的閥芯位移變化曲線Fig.18 Spool displacement curves under different working air gaps

5 結(jié)語(yǔ)

起動(dòng)電磁閥是船用柴油機(jī)電控壓縮空氣起動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵執(zhí)行部件，通過本文研究可得如下結(jié)論：

1）利用Ansys Maxwell 軟件建立起動(dòng)電磁閥有限元仿真模型，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證表明，起動(dòng)電磁閥的開啟、關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間的誤差分別為2.3%和2.8%，利用該模型可以為起動(dòng)電磁閥的性能預(yù)測(cè)、優(yōu)化設(shè)計(jì)和配機(jī)試驗(yàn)提供技術(shù)指導(dǎo)。

2）提高起動(dòng)電磁閥驅(qū)動(dòng)電壓，有利于提高電磁線圈電流和電磁力，從而縮短開啟響應(yīng)時(shí)間。減小靜鐵芯與動(dòng)閥芯之間的工作氣隙，有利于提升電磁線圈電流和電磁力增長(zhǎng)速率，進(jìn)而縮短開啟響應(yīng)時(shí)間。

3）自主研制的起動(dòng)電磁閥在響應(yīng)時(shí)間等關(guān)鍵指標(biāo)上滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，且在寬域電壓波動(dòng)下，電磁力及響應(yīng)時(shí)間仍可滿足柴油機(jī)快速、可靠起動(dòng)的要求。