开关电磁阀非线性流量可控性评价与优化研究

张宏伟　闫咏

摘要：随着我国经济的发展和技术水平的提升，我国居民的生活水平显著地提高，高新科技产业在我国的产业中占据着更加重要的地位。因此本文采用线圈电流作为控制信号建立开关电磁阀精确数学模式，从而可以验证开关电磁阀非线性流量的可控性以及相应的优化措施，从而可以极大程度地优化系统性能，为相关部门利用该种技术进行施工提供有效的建议。

关键词：开关电磁阀;非线性流量可控性评价;性能优化;高新科技产业

Study on Evaluation and Optimization of Nonlinear Flow Controllability of Switching Solenoid Valve

ZHANG Hongwei YAN Yong

（Tianjin Aerospace Electromechanical Equipment Research Institute， Tianjin， 300301 China）

Abstract： With the development of China's economy and the improvement of technology， the living standard of Chinese residents has improved significantly， and high-tech industry occupies a more important position in China's industry. Therefore， this paper uses the coil current as the control signal to establish the precise mathematical model of the switching solenoid valve， which can verify the controllability of the nonlinear flow of the switching solenoid valve and the corresponding optimization measures， so as to greatly optimize the system performance， and provide effective suggestions for the relevant departments to use this technology for construction.

Key Words： On off solenoid valve; Nonlinear flow controllability evaluation; Performance optimization; High tech industry

0引言

21世紀是信息化时代，高科技工业发展也需要与时俱进，利用现代化技术以及智能化技术进行创新，实现在新的时期的经济效益的有效提升。实际上，开关电磁阀则是线控制动系统中流量控制的关键部件。因此，开关电磁阀非线性流量的可控性进行评价和优化，对高新技术产业集群的促进和发展具有重要的意义。

1电磁阀工作的原理和分类

1.1电磁阀的工作原理

随着我国经济的发展和技术水平的提升，电磁阀作为一种工业元件在各种领域取得了比较广泛的应用，具体来说，电磁阀是一种工业设备，工作原理是电磁控制，属于执行器，在工业中具有比较广泛的应用，并不限于液压、气动，其在工业中最为重要的作用就是调整工业系统中介质的方向、流量、速度以及其他的参数^[1]。从目前来看，电磁阀在我国工业领域中的应用十分广泛，且尤以在航空航天领域的应用表现最为突出。

电磁阀在正常运转的时候，阀芯（衔铁组件，以下简称阀芯）会受到多种力的影响，包括但是不限于弹簧力、摩擦力、电磁力和液体作用力，当线圈处在不通电的状态时，电磁阀受到弹簧预紧力和液体作用力下处在常开的状态。如果电磁阀正在通电，在动铁和静铁之间由于电力的影响形成电磁场，导致二者之间相互吸引，从而可以推进衔铁向下运动，阀口小球会堵住阀座出口，关闭电磁阀。

1.2电磁阀的分类

一般而言电磁阀的分类主要按照其不同的工作原理，其中包括直动式电磁阀、分步直动式电磁阀以及先导式电磁阀，这三种电磁阀各自有不同的工作原理和工作特点，其中直动式电磁阀可以在真空、负压、零压的状态下发挥作用。另外，这种设备具有体型小的特点，具有比较广泛的应用前景。分步直动式电磁阀也可以在零压差或者真空高压的情况下运转，但是其功率比较大，并且安装的时候需要选择水平安装的方法。先导式电磁阀对于流体压力的负荷能力比较强，适用范围比较广，可以在满足液体压差的条件下可以随意安装。

2开关电磁阀流量可控性分析

2.1电磁阀的工作状态

在电磁阀实际应用的过程中，随着线圈内部的控制电流值的增加，导致电磁阀自身存在4个不同的工作状态下，即阀芯完全开启的状态、节流口1起作用的状态、节流口起作用状态和阀芯完全关闭状态。

在压力差不同的前提下，电磁阀的阀芯在运转的时候会根据时间而表现出不同的特点，具体可以按时间划分为电流曲线、电磁阀开始节流时间的电流曲线和电磁阀完全关闭等多种状态。在阀芯初始移动的阶段，设备会处在节流状态当中，此时压力差对于电流的影响比较小。在这一阶段，最主要的影响因素是弹簧预紧力。如果电磁阀完全关闭，电流大小和压力差的数值会呈正相关性。另外，电磁阀的阀芯如果处在电磁阀完全开启并且节流口1起作用的时候，区间值基本不会发生变化，即处在相对稳定的状态之中。如果处在节流口2发挥作用的状态下，压力差则会有所增，进而导致状态区间值的变化。二阀芯关闭以后，区间值会随着电磁阀两端压力的增大而减小。

这是电磁阀在不同的工作状态下的不同工作机理，相关部门需要对其进行更加详细的分析，并且提前设定一些参数值，从而可以为进一步的分析提供有效的参考。这里将电磁阀两端的压力差设置为2Mpa，并且可以得出一系列的分析结果。

当电磁阀处在完全来气的状态下，由于系统内部的弹簧预紧力的影响使得电磁阀的阀芯处在完全开启的状态，控制电流的不断增加导致内部的电磁力不断增大，但是此时的电磁力无法克服弹簧预紧力，使得阀芯处于静止的状态，这种情况下，最大值为阀口流量值，最小值为液体作用力。在这种时候可以适当地减少弹簧预紧力，从而可以使得线圈电流的影响范围缩小。但是，通过实践发现，若将弹簧预紧力降至过低水平，很可能会引发阀芯回位时间过长的情况，所以这个时候必须对弹簧预紧力进行严格的管控。同理，当电磁阀处在节流孔1起作用的状态下，增加线圈电流会导致阀芯位移的增加;当电磁阀处在节流孔2的状态下时，可以通过液体作用力和弹簧力的增加之和平衡电磁力的增加值，实现非线性流量的控制。当电磁阀处在完全关闭的情况下，线圈电流的增加会带来电磁力的持续增加，使得阀芯处在一个相对静止的情况下。

根据对电磁阀的工作原理分析可知，电磁阀在控制电流的时候，会呈现出非线性的流量特性。在此期间，电磁阀流量存在一定的变化区间，该区间内的变化可被称为“指数变化”。随着指数的增大，电磁阀的增压能力也会得到提升，反之亦然。在此基础上，当电磁阀处于有效的电流工作状态时，其变化区间内的指数可被称为“流量精度指数”。流量精度指数越大，也就意味着电磁阀对电流的控制精度越高，即调压效果越好。而当电磁阀处于关闭状态时，其变化区间内的指数则称为“流量稳定性指数”。此时，流量稳定性指数越大，则电磁阀对于电流的控制越趋于稳定。

2.2电磁阀流量可控性评价的具体方法

通过对电磁阀的工作状态进行分析，可以得出在评价电磁阀流量的可控性的时候有三个评价指标：

1. 流量变化范围。

2. 阀芯完全关闭时的流量变化率。

3. 电流有效区间。

但是，这三个指标或多或少的都存在一些局限性，只能在压力差不会发生变化的的前提下，对某一方种电磁阀流量可控性进行评价，因此无法得到综合的评价结果，因此本文在进行分析的时候将假设该系统内部的压力差不会发生变化。因此，在电磁阀运转的过程中，随着电磁阀两端压力差的增加，导致电磁阀自身的流量通过性变强，流量稳定性加强，精度变高，在这种前提下，相关部门为了线控制动系统的作用可以得到有效的发挥，优化内部的流量可控性，就需要提高压力差。但是，如果系统内部出现压力差过高的问题，就会导致系统内部出现零部件受损的现象，从而致使其实际应用的效果大打折扣，难以支撑正常的生产活动。因此在控制电磁阀两端压力差的时候需要综合各方面因素进行考量^[2]。

3电磁阀非线性流量的可控性优化

在对电磁阀非线性流量的可控性进行研究的时候，相关部门可以依托于电磁阀的工作原理构建相应的数字模型，从而可以为后续工作的进行提供有效的建议，电磁阀在运转的时候会导致阀芯电磁力、液体作用力、弹簧力、摩擦力以及阻尼力的相互作用下进行了运动。在这个时候需要构建比较精确的数学模型，具体的数字表达式为：

Mx`=Fm-Fp-Fk-Fr-cx

M：阀芯和动铁的总质量;X：阀芯移动速度，x`：阀芯加速度;c：阻尼系数;Fm：电磁力;Fp：液体作用力;Ff：摩擦力;Fk：弹簧力。

通过对该数字模型的研究以及利用，可以设立一定的可控性优化的措施，并且构建一个新的数字模型。

实际上，电磁阀自身的结构参数节流口直径、阀座锥角和阀口小球半径等都会为整个电磁阀的流量可控性造成影响。其中在电磁阀的阀座锥角增加的时候，流量范围和流量通过性不会发生变化，但是流量的稳定性变差，电流有效工作区间变小。增大阀口小球半径的时候，同电磁阀的阀座锥角的变化相似，不会造成流量通过性以及流量变化范围的变化，但是流量稳定性变差。另外，在这一过程中，由于电流的工作区间扩大会使得流量控制精度增加。另外，节流口1的直径也会为非线性流量造成影响，电磁阀流量的变化范围增大，流量的通过性变强，稳定性变差，流量可控因子增加，由此可见，电磁阀的流量通过性和以及流量稳定性同阀座锥角和阀口小球之间没有关系，和节流口1的直径有直接关系。而电磁阀的流量控制精度和三种因素都息息相关^[3]-[4]。

综上所述，为了保障实际工作的效果，提升研究的精确性以及有效性，需要依托各种因素构建出电磁阀的数字模型，根据以上的探究结构重新对电磁阀非线性流量的可控性优化进行研究，从而可以达到优化其使用效果的目的。因此，这里将提高电磁阀流量的可控性作为具体研究的目的，可以确定节流口直径、阀座锥角和阀口小球半径等变量的取值范围在20%左右，从而实现对非线性流量进行优化。

粒子群优化算法是基于现代化技术提出的一种群体智能的寻优算法，具有比较优质的全局搜索能力，克服传统算法上局部极值、早熟收敛等缺陷，因此在进行研究的时候可以利用该算法进行计算，在通过一系列的计算之后，可以有效地取得最佳的优化值，从而可以保证整个实际应用的效果。通过计算结果对整个实际应用的情况进行优化，可以提升非线性流量可控性。由此可见，相关部门在实际应用的时候，可以利用数字模型和电磁阀非线性流量三维图对开关电磁阀非线性流量的可控性进行评价分析，并获取到电磁阀运行的相关数据信息，进而据此有效地计算其具体的工作状态和优化效果，保障其实际应用的效果^[5]-[6]。

4总结

高新技术产业是第二产业集群的核心，也是我国知识密集、技术密集的经济实体，对于促进我国经济的发展以及提升我国的人民生活水平具有重要的意义。电磁阀是现阶段航天航空领域比较广泛应用的推进系统部件，為了保障其实际应用的效果，需要对其进行优化。本文通过构建相应的数字模型以及实验，对开关电磁阀非线性流量可控性进行评价和优化，从而可以寻求到其工作的最佳状态，促进我国高新科技产业的发展。

参考文献

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