液力平衡形式开关电磁阀流量及动态响应特性仿真研究

李波

摘要：本文介绍了液力平衡形式开关电磁阀的工作原理，并以电磁阀的流量和阀芯的响应特性为优化目标，搭建其AMESim仿真模型，完成了该型开关电磁阀的关键结构设计参数优化设计。

关键词：开关电磁阀 AMESim 设计参数优化

开关式电磁阀是一种电磁控制执行器，是控制流体方向的自动化基础元器件，在各行各业有这广泛的应用。同时，基于仿真平台开展的设计与优化成为越来越被普遍采用的方法。本文采用AMESim仿真平台，搭建某种液力平衡式开关电磁阀的详细仿真模型，研究其关键设计参数对其流量及响应特性的影响，并最终完成其优化设计。

一、研究对象

本文研究对象为某种液力平衡式电磁阀开关阀。该阀采用锥面密封，阀芯锥角<阀座锥角。电磁阀通电，阀芯受到电磁力作用后打开，两侧高压油路通过密封座面泄油。电磁阀断电后，阀芯在顶部复位弹簧的作用下关闭，座面位置形成密封。在阀关闭状态，阀芯不受高压燃油液压力作用。

二、电磁阀流量特性数值计算

由阀口（锥台）几何流通面积计算式（式1）

式中：——密封面锥角，deg；

h——阀芯升程，mm；

d——密封直径，mm。

式1可知：

密封锥角α一定时，阀口的几何流通面积与正比于密封直径和阀芯升程。

三、基于AMESim的仿真分析

（一）仿真模型的搭建

为进一步探究液力平衡式开关电磁阀关键结构设参数对其流量及响应特性的影响并最终完成参数的优化设计，本文采用AMESim平台搭建该开关电磁阀的详细仿真模型，根据其工作原理，并综合考虑系统中的泄漏、压力波动等，建立的仿真模型。

（二）计算方案的制定

在满足阀口流通能力设计要求的前提下，以提高衔铁运动响应为目标开展计算，制订计算方案如下：

1.单因素分析——获取密封直径 、电磁阀升程和弹簧预紧力等参数对开关电磁阀响应特性和实际通过流量的影响规律。

2.确定最终结构参数方案——根据单因素优化计算结果确定因子范围，进行寻优计算获取最终结构参数方案。

3.磨损后所需弹簧预紧力计算——通过计算得出具体磨损宽度对应所需的保证电磁阀正常关闭的弹簧预紧力数值。

（三）单因素计算

1.升程的影响

升程增大时开启响应时间、关闭响应时间和流量同时呈线性增大的趋势。流量随升程的增大而增大，与理论计算保持一致。

2.密封直径的影响

密封直径对衔铁的启闭响应时间影响较小，但对通过流量影响显著。这是由于该型开关阀采用平衡结构，密封直径影响较小，但磨损后，液压力作用在阀芯上，密封直径对其响应特性的影响将加大。

3.弹簧预紧力影响

（1）开启响应时间随弹簧预紧力的增大而显著增大，关闭响应时间随弹簧预紧力的增大而显著下降。预紧力在两条曲线相交时使得不增加开启响应的前提下，关闭响应达到最小。

（2）当弹簧预紧力增大一定数值，在不提高保持电流的前提下，阀芯无法到最大升程。

（3）阀口出的流通面积不随弹簧预紧力变化而变化，即电磁阀的通过流量基本无变化。

（四）磨损后所需弹簧预紧力计算

阀座密封线在未磨损前，阀芯不受液压力作用，而在阀座密封线磨损后，阀芯与阀座接触处变成一个环状密封带，阀芯在开启过程和关闭落座过程中都存在液压力的作用，关闭过程需要克服这个环状流道中的液压力。由此可知：

1.随着磨损量的增大，阀芯开启响应时间越来越短，而关闭响应则越来越长。通过流量基本不随磨损宽度和弹簧预紧力变化而变化。

2.当磨损宽度达到一定数值，在原有弹簧预紧力下，阀芯已无法正常关闭；

3.加大弹簧预紧力可以使得磨损后阀芯正常关闭。但由上文中阀芯启闭时间随弹簧预紧力变化规律可知，预紧力加大后，阀芯开启过程時间变长，甚至无法开启。

因此，磨损后为要保证关闭响应时间达到磨损前的响应时间，弹簧预紧力就存在一个最小值。相应的，模型要保证阀芯正常开启，弹簧预紧力也存在一个最大限制。

经仿真计算得到，当磨损量使得密封直径增加0.5mm时，满足关闭响应要求所需最小弹簧力为140N。为保证正常开，其最大弹簧力不得超过190N。由此可见，当座面磨损量较大时（如0.5mm），虽可采用加大弹簧预紧力的方式保证开关电磁阀的正常工作，但对弹簧及其安装预紧力的精度要求较高，电磁阀稳定工作的可靠性将大幅下降。因此，建议在对电磁阀密封锥面进行特殊处理，降低其磨损风险和磨损间隔时间，并使用过程中需定期检查、及时更换。

四、结语

本文通过理论及仿真计算探究了液力平衡式开关电磁阀关键结构设计参数对其流量和响应特性的影响；综合单因素影响分析和寻优计算结果确定了电磁阀详细设计参数方案；并校核了不同磨损宽度对弹簧预紧力的需求。分析过程中得到的相关结论如下：

（一）该型电磁阀开启响应时间、关闭响应时间和流量随升程的增大同时呈线性增大的趋势；

（二）密封直径对衔铁的启闭响应时间影响较小，但对通过流量影响显著，流量随密封直径的增大而增大；

（三）开启响应时间随弹簧预紧力的增大而显著增大，关闭响应时间随弹簧预紧力的增大而显著下降；

（四）密封座面磨损后，采用加大弹簧预紧力的方式可保证电磁阀的正常工作，但对弹簧及其安装预紧力的精度要求较高，电磁阀稳定工作的可靠性将大幅下降。

参考文献：

[1]贾锡印，李晓波.柴油机燃油喷射及调整[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2001.

（作者单位：牡丹区何楼办事处 簸箕屯小学）