高压电磁阀性能优化仿真分析

李文斌，孙海鹏，张占峰，程 博

（北京宇航系统工程研究所，北京，100076）

高压电磁阀性能优化仿真分析

李文斌，孙海鹏，张占峰，程 博

（北京宇航系统工程研究所，北京，100076）

高压电磁阀主阀背压腔进气和排气的流量影响高压电磁阀启闭特性。通过对高压电磁阀进行局部流场分析，计算了主阀受力影响；用AMESim建立仿真模型，分析了高压电磁阀动态特性。通过分析计算，提出主阀背压腔进气量化控制措施，达到了稳定的控制效果。

高压电磁阀；流量；动态特性

0 引 言

高压电磁阀是某运载火箭三级补压系统的重要阀门，用于控制常温高压氦气瓶向液氧箱及液氢箱补压的通道，以便在需要时利用气瓶向贮箱补压。高压电磁阀曾经在总装测试时出现主阀颤振问题，电磁阀在工作时颤振影响主阀正常打开，造成补压不稳定或不能补压的现象。本文对高压电磁阀进行流场及动态特性分析，计算出小孔直径与启闭特性的关系，并提出改进措施。

1 工作原理

高压电磁阀为先导式电磁阀，其工作原理是：电磁阀通过给电磁铁通电，使衔铁动作，打开小阀，使主阀背压腔内压力释放，主阀在入口高压气体的作用下开启，入口到下游的通路连通；电磁阀断电，小阀在回位弹簧作用下回位关闭，入口气体进入主阀背压腔，在弹簧作用下主阀关闭。

高压电磁阀采用波纹带、涨圈结构实现阻尼和泄漏量控制，由于颤振现象的发生，密封面和阀座多次碰撞，致使密封面损伤，导致电磁阀误打开，对系统造成严重影响。涨圈结构对电磁阀背压腔进气和排气的影响非常关键，如果涨圈出现质量问题将导致电磁阀打不开或关闭延迟，并且活阀开度将影响在开启过程中的活阀的平衡和稳定性。因此，本文对活阀开度以及波纹带涨圈的泄漏量控制对电磁阀工作过程中的活阀的动稳定性进行仿真分析，并提出优化改进方案。

2 活阀开度流场仿真分析

2.1 仿真模型建立

模型按照高压电磁阀结构建立，以z轴为中心选取四分之一作为计算域，利用Gambit软件选取非结构网格对计算域进行网格剖分，对阀座等速度梯度比较大的位置网格进行加密处理，网格数目约30万左右（见图1）。入口边界条件和出口边界条件使用压力边界条件，yz平面和yz平面上的对称面使用对称边界条件，其他边界使用壁面边界条件。

使用Fluent软件[1]对流场进行计算，该问题属于定常的可压缩粘性流动，流动介质为氦气，进口氦气压力为21 MPa，选取隐式耦合求解器，湍流模型采用Saplart-Allmaras方程模型，流动、湍流动能及湍流耗散率均采用二阶格式求解，courant数取2，使用出口边界条件对初场进行赋值。

2.2 计算结果及分析

对主活阀开度1 mm和0.5 mm的流场分别进行了计算，获得速度矢量和压力分布云图，见图2、图3。

从图2中看出，开度为0.5 mm时，在阀座截流后速度的尾迹影响区域短而细，靠近管壁面的流速不高，而随着开度增加的过程，阀座截流后速度的尾迹影响区域变长、变粗，出口管壁面的流速越来越高，在相对较远的位置管路上的速度大致均匀。阀座之前的上游进口部分流域的速度也是随着开度的增加而提高。

从图3中看出，气体流动到圆锥形状的管路中静压有明显上升的趋势，在阀座处压力梯度急剧增加。在开度为0.5 mm时，阀座上游流动区域的压力比较高，随着开度的增大，阀座上游的压力逐步变低，而阀座下游流动区域的压力升高。

2.3 主活阀受力分析

主活阀在实际工作中受弹簧力、背压腔气压力、活阀阀座一侧气压力等作用，电磁阀打开，背压腔放气，压力降低。活阀开启的动力来源于活阀两侧的压差。在定常的流场计算中可以显示主活阀在阀座一侧的气压力情况。不同开度压力场在阀座处的局部放大如图4所示。

主活阀表面压力可分为表面阀座外侧的环带区域（即不平衡面积区域）和表面阀座中心区域。这两个区域在开度变化过程中压力变化规律不一致。

a）环带区域：随着主活阀开度的增大，阀座处流量变大，由于阀座是整个流场中的截流位置，整个流场中的流量由阀座处的流量来确定，因此阀座附近上游的流速增加，由于此处总压不变，导致该处静压下降。由图4可知，在开度增大过程中，主活阀表面的阀座外侧环带的压力降低。

b）中心区域：由于气体经过阀座截流之后速度提高，在阀座处向心径向进气，大部分气流随着管路流出，小部分气流在主活阀中心处气流会合，速度降得很低，在主活阀中心处静压升高。从图4中看出，主阀开度增大的同时，主活阀表面在阀座内侧压力逐渐升高。

因此，随着开度变大，主活阀表面外侧环带压力降低，而主活阀表面中心区域压力升高，主活阀表面受到的压力随着开度的增大，将影响主活阀的平衡位置，导致主活阀的颤动。在活阀开度为1 mm以下时，活阀局部流畅比较均匀，并且主活阀前后的压力场分布更容易实现活阀的动平衡和稳定。为了消除主活阀表面压力对主活阀的影响，可增大环带区域的受力，减小中心区域的压力。

3 波纹带涨圈泄漏量影响分析

对高压电磁阀建立AMESim[2]模型进行波纹带涨圈的泄漏量对电磁阀性能的影响分析，高压电磁阀系统AMESim仿真模型如图5所示。

电磁阀的指挥阀等效流通孔径为0.98 mm，通过仿真计算发现当涨圈等效孔径大于0.72 mm后主阀无法打开。鉴于实际涨圈间隙面积无法确定，分别对等效孔径为0.7 mm、0.6 mm、0.5 mm、0.4 mm、0.3 mm、0.2 mm和0.1 mm间隙面积下电磁阀动态特性进行仿真分析，在指挥阀不断打开、关闭过程中，分别对应的主活阀时间位移特性曲线如图6所示。图6中，横轴起始时间为指挥开启时刻，持续间隔时间2 s。

由图6可以看出，泄漏间隙的微小差别对主活阀关闭位移特性影响很大。对于一定的泄漏间隙存在某个压力区间，在该压力区间外主阀关闭响应时间一般不大于0.4 s，而该区间内关闭响应时间则大大延长，最长的可能超过2.2 s，并且主阀发生了不同程度的颤振。由于环形间隙通路的流量受主阀腔和背压腔的压力影响较大，该流量又反过来影响背压腔压力和主阀开度，这种相互作用加剧了流量的不稳定性，主阀打开过程中发生位移的往复，在一定压力区间发生颤振现象。

4 性能优化及分析验证

由于波纹带、涨圈结构的间隙流量受主阀腔和背压腔压力影响较大，而且泄漏间隙的微小差别会造成泄漏量的较大变化，流量无法得到稳定控制，因此波纹带、涨圈结构性能不稳定，可靠性不高。为此，在结构上采用在主阀体上加工小孔实现向背压腔的漏气，并且设计不同的弹性元件分别实现密封和阻尼，相对应的结构修改所对应的电磁阀的分析模型如图7所示。

从改进后的电磁阀系统进行优化分析发现，背压腔和主阀腔之间小孔孔径大于0.72 mm时，会因为漏气量过大，背压腔压降不够，致使主阀无法打开；考虑到加工和使用可靠性，小孔孔径为0.6 mm。在没有阻尼力的情况下，主阀打开和关闭时主阀的位移的情况如图8所示。

由图8可以看到，相对环形间隙结构，小孔漏气结构的漏气量受两端压力影响较小，因此主阀的开关比较稳定，没有出现位移的往复。但是由于没有阻尼力，主阀完全打开后有提前回位的趋势，因此需要施加合适的阻尼力。根据计算结果，当阻尼力为6～8 N时，主阀打开后的开度保持较好。

初步确定小孔直径和阻尼力之后，计算在指挥阀不断打开关闭过程中主阀的位移结果（见图9）。

由图9可以看出，主阀各个阶段的位移都没有出现往复和颤振，打开和关闭响应迅速，动作稳定，改进理想。改进后进行试验验证，性能优化结果满足要求。

5 结 论

通过高压电磁阀性能优化仿真分析，计算出影响高压电磁阀启闭的因素是主阀背压腔流量的控制，通过小孔实现流量量化控制，可有效降低压力和流量之间的相互作用，而且小孔结构与波纹带、涨圈结构相比，工艺性能更加可靠，流通面积的一致性更容易实现，可以保证对流量的稳定控制，从而避免主阀的颤振现象。

[1] 陆培文. 实用阀门设计手册[M]. 北京: 机械工业出版社, 2006.

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[4] 王心清, 等. 结构设计[M]. 北京: 宇航出版社, 1989.

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Simulation Analysis on Dynamic Characteristics of High Pressure Solenoid Valve

Li Wen-bin, Sun Hai-peng, Zhang Zhan-feng, Cheng Bo
(Beijing Institute of Astronautical System Engineering, Beijing, 100076)

Chief disc back capacity’s flow influences the open or close of high pressure solenoid valve. In this paper fluid-structure of solenoid valve was analyzed, and force of chief disc was calculated. Using AMESim to analyze the dynamic characteristics, give advices to control flow of Chief disc back capacity, the effcctiveness has increase.

High pressure solenoid valve; Mass-flux; Dynamic characteristics

V432

A

1004-7182(2017)03-0041-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20170309

2017-01-10；

2017-04-28

李文斌（1971-），男，高级工程师，主要研究方向为结构设计