某脉宽调制数字快速电磁阀方案设计及仿真研究

某脉宽调制数字快速电磁阀方案设计及仿真研究

文红武

(海军装备部,陕西 西安 710077)

摘要：脉宽调制数字快速电磁阀作为重要的电液转换元件，在燃油控制系统的作用日益突出。针对断电常开型快速电磁阀的需求，开展断电常开型脉宽调制数字快速电磁阀的方案设计及仿真研究，并通过工程验证使该脉宽调制数字快速电磁阀的设计方案得到优化。

关键词：快速电磁阀；方案设计；断电常开

收稿日期：2014-12-18

作者简介：文红武(1977-)，男，湖南长沙人，工程师，从事航空航天发动机燃油控制系统研究工作。

中图分类号：TM561.6文献标识码：A

收稿日期：2014-12-23

基金项目：安徽省高等学校优秀青年基金(2011SQRL201)；发明专利 (专利号201010280137.9)

0概述

航空发动机燃油控制系统的控制方式，已由原机械液压控制调节方式向电子控制调节方式发展，其核心关键是机电液转换元件。

近年来，由于脉宽调制数字快速电磁阀(以下简称快速电磁阀)在航空发动机燃油控制中的广泛使用，其经常被作为航空发动机燃油调节系统的执行部件。快速电磁阀多采用脉宽调制(PWM)来控制，利用脉冲占空比的变化来调节阀口开关的时间，使得快速电磁阀能像其它数字流量电磁阀一样，对燃油流量进行连续的控制。虽然普通的电磁阀也具有同样的数字开关特征，但是普通的电磁阀响应特性较慢，而快速电磁阀体积小、重量轻、响应速度快、稳定性好、控制精度高。

本文以某喷口加力调节器用快速电磁阀的需求为研究背景，进行了快速电磁阀方案设计及仿真工作，并对断电常0开型快速阀的设计方案进行了优化。

1工作原理分析及结构设计方案

图1某定型快速阀结构图

*注：1-活门座 2-活门弹簧 3-挡板活门 4-铁芯顶头 5-铁芯弹簧

1.1电磁阀结构及工作原理

高速数字电磁阀作为航空发动机电子控制系统的电液转换装置，是电子控制器的关键执行元件[1](见图1)。主要工作原理[2]为：在断电情况下，挡板活门在铁芯弹簧力作用下关闭活门座，电磁阀进口和出口处于关闭状态；当线圈通电时，电磁力克服铁芯弹簧力使活门座打开，使电磁阀进口和出口处于相通状态，属于断电关闭型阀门。

该快速电磁阀采用“喷嘴-挡板”结构，其优点是技术成熟，加工容易实现，耐污染能力好，但结构不紧凑,长时间使用挡板磨损严重，且不满足航空发动机使用中断电长开的要求，需要对该电磁阀进行适当改进。

1.2改进结构设计方案

根据喷口加力调节器工作需要，新研制快速电磁阀(以下简称阀2)属于断电常开型电磁阀，与阀1工作原理刚好相反，具体结构方案如下：

在假设电气部分结构参数不变的情况下，参考阀1结构原理图，采用球阀密封结构。球阀的优点是容易密封、行程小、动作灵敏，切换时间短；在一定开度和雷诺数变化范围内, 球阀有较稳定的流量系数(Cq ≈0 9～1.0)，且不易出现流量饱和现象[3]。阀2壳体组件和线圈组件与阀1相同，具体结构见图2。

图2改进后结构图

*注：1-钢球 2-油嘴 3-铁芯顶杆 4-铁芯弹簧

工作原理：在线圈未通电时，铁芯弹簧的预紧力使铁芯顶杆推开钢球一定的间隙，燃油从进口通过滤网进入钢球和油嘴的间隙，从出口流出。当线圈通电时，电磁力和油压力共同克服铁芯弹簧预紧力，钢球封闭油嘴，油路关闭。

1.2.1油嘴的设计

(1)根据最大流量Q=1800ml/min，计算流通面积：

得出：S=0.684 mm2

(2) 油嘴的设计

油嘴的结构设计图见图3。

选用φ3的钢球，计算阀口流通面积：

得出：R≥3.14 mm

图纸设计时 R=3.5 mm

钢球的直径为φ3，推杆的直径设计为d1=1.2

计算油嘴的出口流通面积：

得出d=1.52 mm

图3　油嘴的结构图

1.2.2钢球所受的油压力计算

阀1装配位置的弹簧力F=6±0.4 N

因此，在电气参数不变的情况下，采用结构改进设计方案能够实现产品功能要求。

2建模与仿真

根据结构改进设计方案，快速电磁阀的主要组成有：壳体组件、线圈组件、铁芯组件、滤网组件、油嘴、钢球等。

2.1建立数学模型

在AMESim中建立的占空比-流量模型[4]见图4。

图4脉宽调制数字快速电磁阀AMESim模型

第1部分：脉宽调制数字快速电磁阀的占空比S信号输入，输入值范围在0～1之间，单位是1，如下图5所示。

图5　脉宽调制数字快速电磁阀占空比输入信号范围

第3部分：脉宽调制数字快速电磁阀内部的球阀结构。在该模型中参数根据实际进行设置，铁芯位移0.3mm、油嘴孔径1.52mm、进、出口油压差1.8MPa。

2.2仿真结果

从表1快速阀占空比-流量仿真曲线可以看出：在占空比为S=0，Q=1815.5 mL /min；S=20%，Q=1439.4 mL /min；S=50%，Q=908.6 mL /min ；S=20%，Q=362mL /min时，仿真流量结果与设计流量完全一致。

表1　快速电磁阀占空比-流量仿真曲线

续表1

占空比流量QV(ml/min)仿真结果(L/min)80%(0.2±8%)Q(360±144ml/min)

3工程验证及结论

为了进一步验证断电常开型快速电磁阀工作可靠性，将改进后电磁阀配装某喷口加力调节器开展了200小时寿命摸底试验，调节器各项性能均能满足要求。寿命试验结束后，分解检查电磁阀，钢珠等零件没有出现异常。改进设计的快速电磁阀完全满足喷口加力调节器工作要求。

参考文献

[1] 王秋霞,樊丁,彭凯,等.航空发动机高速电磁阀控制模式分析研究[J].计算机仿真，2013,30(1):145-150.

[2] 马静,陈静,李杰.航空快速电磁阀的设计和仿真研究[J].计算机仿真,2009,26(9)：24-27.

[3] 贺小峰，黄国勤，杨友胜，等.球阀阀口流量特性的试验研究[J].机械工程学报，2004,40(8):30-33.

[4] 李吉，李华聪.仿真软件AMESim应用研究[J].航空计算技术，2006，36(1):56-58.

[责任编辑、校对：张朋毅]

Design and Simulation of a Pulse Width Modulation Digital

Fast Solenoid Valve

WENHong-wu

(Department of Navy Equipment, Xi'an 710077, China)

Abstract：With the development of aviation industry, the pulse width modulation digital fast solenoid valve is becoming increasingly prominent in fuel control system. The paper basically studies the design and performance simulation analysis of a pulse width modulation digital fast solenoid valve with the function of self-open when power cutting. Through validation test, the design of pulse width modulation digital fast solenoid valve has been optimized.

Key words：fast solenoid valve; design; self-open in power cutting