电磁脉冲阀动态性能的AMESim仿真及双压控制改进

何志壮， 叶 骞

(1.上海交通大学 机械工程学院， 上海 200240； 2.中国科学院 上海天文台射电天文科学与技术研究室， 上海 200030)

引言

脉冲袋式除尘器自20世纪50年代问世以来，已经取得了很大的发展，在工程上具有广泛的应用，尤其在尾气清灰处理方面具有重要的应用价值[1]。电磁脉冲阀是袋式除尘器的重要部分。国内对于脉冲阀的研究主要包括流量特性、清灰性能、清灰机理、阀片有限元分析等方面，均取得了不少的研究成果[2-5]。电磁脉冲阀涉及机械、电磁、气动等领域， 气路结构非常复杂，难以从理论公式对脉冲阀进行分析和改进。本研究基于已有的高速开关阀、比例阀等电磁阀的AMESim系统仿真模型[6-9]，以某公司提供的脉冲阀产品为研究对象进行系统建模，并且基于该系统模型应用双压控制策略进行了仿真改进设计和实验验证，以此建立了一套以仿真实验为基础的性能改进方案。

1 电磁脉冲阀结构和原理

1.1 基本结构

电磁脉冲阀的主要结构由主阀、先导阀、膜片、阀体以及相应连接固定零件组成，工作介质为空气。与普通电磁阀相比，脉冲阀的特点在于通过先导阀内较小的电磁吸力来控制主阀上下腔形成较大压差，从而快速开启阀口，进而可以同时满足高压、大流量等工况要求，先导膜片式电磁脉冲阀结构图如图1所示。

1.极靴 2.线圈 3.先导阀复位弹簧 4.先导阀阀芯 5.节流孔 6.主阀复位弹簧 7.主阀组件与膜片

1.2 工作原理

脉冲阀喷吹过程的工作原理[10]：在脉冲阀喷吹控制仪的作用下，先导阀的线圈通电，线圈产生电磁吸力克服先导阀复位弹簧的预紧力，驱动先导阀阀芯运动至开启状态。此时主阀芯上腔与大气连通，压力迅速下降，在膜片两侧形成了上部分低气压下部分高气压的压力分布。在上下压差形成的压力大于主阀膜片组件受到的复位弹簧预紧力和其他阻力的情况下，主阀开始向上运动直至主阀完全打开，进口气流向出口流出，开启喷吹过程；当控制信号断开，线圈断电时，电磁吸力消失，先导阀阀芯在复位弹簧的作用下复位形成密封，先导阀阀芯关闭。入口气体通过节流孔持续流入主阀上腔使得气压不断升高至膜片上下压力恢复平衡。于是，主阀膜片组件受弹簧力影响下降，主阀关闭，进口气流被隔开，喷吹过程结束。

2 电磁脉冲阀数学模型

先导式电磁脉冲阀动态特性的影响因素包含电磁变化、机械运动、气体流动。为便于计算，提出以下假设条件[6]：

(1) 忽略内部传热过程；

(2) 流体为理想气体；

(3) 所有非工作气隙磁阻等效为1个磁阻。

2.1 电磁模型

先导阀的驱动电路方程按式(1)计算：

(1)

式中,U—— 线圈两端的电压，V

I—— 线圈通过的电流，A

R—— 线圈电阻，Ω

N—— 线圈匝数，T

t—— 通电时间，s

φ—— 磁通量，Wb

根据安培环路定律，可得出磁路数学模型，见式(2)：

IN=φδRδ+HBLB

(2)

式中，φδ—— 气隙的磁通量，Wb

Rδ—— 气隙磁阻，Ω

HB—— 磁场强度，A/m

LB—— 磁路长度，m

根据麦克斯韦吸力计算公式，先导阀衔铁受到的电磁吸力表达式为式(3)：

(3)

式中，S—— 气隙处的衔铁面积，m2

μ0—— 真空磁导率，H/m

2.2 运动模型

1) 先导阀运动模型[6]

根据牛顿第二定律，先导阀吸合和释放过程中阀芯的运动方程为：

(4)

式中，md—— 先导阀阀芯质量，kg

Fdc—— 电磁吸力，N

F0—— 弹簧预紧力，N

Fx—— 弹簧力，N

Ff—— 摩擦力，N

Fq—— 压差造成的压力，N

2) 主阀运动模型[6]

主阀开启和关闭过程中阀芯的运动方程为：

(5)

式中,mz—— 主阀芯质量，kg

Fqy1，Fqy2—— 开启和关闭过程中的压差力，N

Fz0—— 主阀弹簧的预紧力，N

Fzx—— 主阀弹簧的工作力，N

Ff—— 摩擦力，N

2.3 气路模型

先导膜片式电磁脉冲阀包含主阀膜片组件的上下腔和先导阀阀芯上下腔。主阀膜片组件的上下腔由膜片上的节流孔相连，导阀阀芯上下腔通过导阀芯与导阀底座闭合隔开。导阀上腔通过阀芯与导向管之间的间隙与主阀上腔的管道连通，各气腔内气体的状态变化微分方程如下[6]：

(6)

式中，ρ—— 介质气体的密度，kg/m3

T—— 阀内气体的温度，K

p—— 气体压力，MPa

h—— 阀内气体的焓，J

hin，hout—— 流入和流出气腔的气体焓，J

Qin，Qout—— 流入和流出气腔的气体流量，kg/s

m—— 气体的质量，kg

x—— 阀芯位移，m

V—— 气腔体积，m3

A—— 气腔截面积，m2

3 系统模型建立和仿真结果验证

3.1 系统模型的建立

AMESim是液压气动领域常用的建模仿真软件，其优点在于具备多领域的元件模型库，通过各领域不同功能的模块相组合，能方便、准确地建立起涉及多领域的系统仿真。先导式电磁脉冲阀的仿真涉及电磁、机械、气路等多领域模型，本研究使用AMESim软件来完成先导膜片式电磁脉冲阀的系统仿真模型建立，系统模型如图2所示。

图2 先导膜片式脉冲阀仿真模型

由图2可知，此系统仿真模型包含了气动、电磁、机械、信号等模型库，系统用到的主要子模型见表1，根据具体结构和工况设置的参数见表2。

表1 先导膜片式脉冲阀主要子模型

表2 先导膜片式脉冲阀参数

3.2 仿真结果验证

在建立了脉冲阀的系统仿真模型后，需要通过实验验证系统仿真模型的准确性，实验装置的原理图如图3所示，脉冲阀实验验证的测试台如图4所示。

1.气源和过滤器 2.调压阀 3.进气控制阀 4.等温容器 5.脉冲阀

实验验证方法采用等温容器放气法[11]对脉冲阀进行流量特性测试，并设定仿真的系统模型与实验条件一致，以等温容器内气压曲线为参考目标，通过调整模型中脉冲阀前后测压管的直径长度来替代等效流阻以修正仿真结果。

从脉冲阀的结构上可以初步判断该款脉冲阀流量较大，根据ISO 6358等温容器放气法的标准要求，填充的换热材料为铜丝，直径为50 μm，填充密度为0.3 kg/L[12]。如图4所示，在等温容器和脉冲阀之间以及脉冲阀出口与大气之间均有连接测压管，用于保证脉冲阀进出口气压测量时处于稳定状态。图中的压力传感器3，4分别测量容器内气压p1和出口气压p3，由于容器内气压在等温容器放气法中可用于计算流量，出口气压为改进的目标参数，因此该两处的气压测量对精度要求较高，所选传感器型号为 DRUCK-PMP4010，测量范围为0～1 MPa，测量精度为0.05%。压力传感器5用于测量脉冲阀进口气压p2，所选型号为SMC公司的PSE540A-R06，测量范围为0～1 MPa，测量精度为1%，测试装置的主要参数见表3。实验测试过程：首先，调节等温容器进气口的调压阀，控制容器内气压为设定值，关闭进气口；其次，通过控制电路使得脉冲阀保持持续开启的状态 ，此时在压差作用下持续放气，直到结束；最后，关闭脉冲阀，对传感器采集到的数据进行分析。

1.脉冲阀 2.等温容器 3-5.压力传感器 6、7.ISO 6358标准测压管 8.控制电路

表3 脉冲阀测试装置参数与指标

容器内气压变化曲线仿真和实验对比如图5所示。由图5可知，在上游压力较大的情况下，仿真和实验数据较为一致，随着喷吹进行，在较低压的情况下误差较大，最大误差为3.6%。脉冲阀的实际工作压力范围为0.2～0.3 MPa，此压力段的相对误差最大仅为0.89%。该系统仿真模型和实验数据的误差在可允许范围内，验证了目前的系统仿真模型的准确性。

图5 等温容器放气过程容器气压变化仿真实验对比

4 脉冲阀性能改进

4.1 改进指标

脉冲阀喷吹性能改进的首要问题是确定改进目标。查阅参考文献[13]，目前行业内对脉冲阀性能的衡量和评价指标有：脉冲阀喷吹压力峰值、脉冲阀喷吹压力上升速率、脉冲阀喷吹加速度峰值、阀体阻力、气脉冲时间、喷吹气量、流量系数值、有效截面积、壅塞流态下的有效截面积、临界压力比等。本研究将脉冲阀从接受信号到压力峰值的时间作为脉冲阀动态响应性能的主要指标。

4.2 双压控制方案

在直螺线管电磁铁的改进方案中，常见的是对其结构进行改进设计[14]，以及通过分析电磁吸力的影响因素提高电磁吸力[15]。随着高速开关阀领域中对电磁阀动作频率提升的研究逐渐深入，刘雨晨[16]提出了一种螺线管型电磁阀的运动分析方法和阶梯控制策略。相比于传统电磁阀控制方案采用单电压加载一定脉冲宽来控制电磁阀的开启，双压控制方案的主要思路在于用一高一低的电压来替代原先的单电压控制方案，在保持工作性能的前提下，能起到降低能耗、提高动态响应的作用。如何有效地设定高低电压值和高低电压加载时间则需要对脉冲阀导阀部分进行详细的运动学分析。

双压控制的控制思路为选取不同电压值Uhigher以及Ulower来控制电磁阀。高电压Uhigher控制时间t1为电磁阀上升运动的结束时间，保证以高压状态进行快速上升。在上升运动结束的时候，调节为低电压Ulower控制，Ulower为满足电磁阀恰好启动的最小起励电压。在保持Ulower的状态下，电磁阀以最小能耗维持电磁阀的工作状态。

通过图6的先导阀吸力测试平台对先导阀进行吸力、电流的测试，得到先导阀的起励电压为8 V。

1.拉压力传感器 2.支架 3.固定连接轴 4.实验台底座 5.先导阀 6.滑板

根据吸力测试结果，依据文献[16]中提到的改进电压控制策略对脉冲阀进行理论分析，其中先导阀上升过程运动学微分方程组如下：

(7)

其中，B—— 衔铁运动的相关阻尼系数，N·s/m

K—— 弹簧刚度

选取Uhigher的电压值为48 V后，可通过Runge-Kutta公式求解微分方程得加载时间为20 ms。单压控制和双压控制的导阀位移仿真结果如图7所示，其中图7a为控制电压信号曲线和位移整体曲线，图7b和图7c分别为上升段和下降段放大后的仿真曲线。

图7 单压和双压控制电压及导阀位移仿真曲线

为便于分析，现定义启动时间为从0%到2%位移峰值的时间，上升时间为2%位移峰值到98%位移峰值的时间，稳定时间为上升至98%位移峰值和下降为98%位移峰值之间的时间，下降时间为98%位移峰值到2%位移峰值的时间。启动时间与上升时间之和称为响应时间，单压和双压控制的仿真结果对比即时间数据对比如表4所示。

由表4可得，双压控制下导阀响应时间从7 ms减少到了4 ms，减少了42.8%的响应时间，吸合时间略微增加，由原先的327 ms增加到329 ms，增加了0.6%，下降时间从7 ms 增加到了8 ms，增加了14.3%。由此可知，双压控制方案可以有效地提高阀芯位移的动态响应。性能改进的主要目标为出口气压的动态响应，因此下一步将对气路模型部分进行单双压控制仿真实验对比。

表4 单压和双压控制位移的仿真结果对比 ms

根据图2中的脉冲阀气路模型，设置气源压力为0.2 MPa以及室温293.15 K的环境参数，阀口进口与下气室，上气室与导阀之间的管路均设置为节流孔模块，膜片组件由质量模块、挡板滑阀模块组成，气路模型部分膜片出口气压仿真结果如图8所示。

图8 单压和双压控制电压及出口气压仿真曲线

气压变化的4段时间定义与导阀位移分析中的定义类似，取5%气压峰值和95%气压峰值为分界点。同理，从图7中可以得到仿真结果如表5所示。

表5 单压和双压控制出口气压的仿真结果对比

由表5可得，双压控制下脉冲阀出口气压的响应时间从11 ms减少到了9 ms，减少了18.2%的响应时间，下降时间从5 ms 减少到了4 ms，减少了20%。仿真验证表明，双压控制方案可以有效地提高脉冲阀出口气压的动态响应，以及减少关闭所需的时间。在仿真验证有效的基础上，下一步通过实验进行单双压控制下的脉冲阀性能对比，实验结果如图9所示，同样的读取4段时间以及气压峰值，见表6。

图9 单压和双压控制电压及出口气压实验曲线

表6 单压和双压控制出口气压的实验结果对比

由表6可知，双压控制下脉冲阀出口气压的响应时间从27 ms减少到了24 ms，减少了11.1%的响应时间，吸合时间由216 ms减少到215 ms，减少了0.8%，下降时间由13 ms减少到了12 ms，减少了7.7%。实验验证表明，双压控制方案可以有效地提高脉冲阀出口气压的动态响应，以及减少关闭所需的时间。

为研究不同高电压对于脉冲阀动态响应的影响，设置不同的高电压进行仿真和实验分析。选取高电压分别为30， 36， 42， 48， 52 V，计算相应的控制时间26， 24， 22， 20， 18 ms进行仿真和实验，对比不同高电压控制下的脉冲阀出口上升段响应曲线， 仿真结果如图10所示， 实验结果如图11所示。 各电压下仿真和实验的响应时间数据，如表7所示。

图10 不同高电压下的脉冲阀出口气压响应仿真曲线

图11 不同高电压下的脉冲阀出口气压响应实验曲线

由表7可知，随着高电压值的提高，脉冲阀出口气压上升速度越快，但速度的增幅随着高电压值提高而减小。这是由于随着电压的提高，电磁吸力的增大幅度相应地减小。选用最大的54 V高电压值相比单压24 V控制响应时间减少了3.2 ms，减少幅度为11.9%。但实际工况下，高电压的选取受供电设备、能耗要求、线圈热损耗等因素制约。因此，实际运用需结合不同工况要求选择合适的高电压值。

表7 不同高电压下气压响应时间实验与仿真结果对比

以上实验结果和仿真结果的误差主要在于上升时间数值本身存在误差，仿真结果中上升时间较实验结果较小的主要原因在于实验条件下阀芯受到的摩擦力等阻力未能在仿真中准确设定，其次由于上升时间本身很小，软磁材料本身的磁滞现象也会导致上升时间的偏差。

5 结论

本研究使用AMESim软件对先导膜片式电磁脉冲阀进行了系统仿真建模，并搭建了流量特性测试平台，以此验证了系统模型的准确性。结合参考文献，提出了一种基于双电压阶梯控制脉冲阀的性能改进方案，并通过仿真分析和实验测试，均验证了该方案确实能提高脉冲阀出口气压的动态响应。从实验结果上看，48 V的双压控制方案能减少11.1%的响应时间。通过对不同高电压值的仿真和实验分析，得到了高电压值越大，响应越快的结论，但受实际工况影响，高电压值的选取应受到设备、能耗等条件制约。