基于malabsimulink的電磁閥動態(tài)過程仿真與響應(yīng)特性研究

基于malabsimulink的電磁閥動態(tài)過程仿真與響應(yīng)特性研究

電氣閥和氣液閥通常合并使用，可以多次工作。在液體武器汽車的驅(qū)動系統(tǒng)中，它直接控制著車輛的工作和偏轉(zhuǎn)，對車輛的開放式、關(guān)閉式和脈沖式氣生態(tài)特征有重要影響。本文以某軌控發(fā)動機(jī)上使用的電磁閥為研究對象,建立了此閥開啟與關(guān)閉過程的非線性數(shù)學(xué)模型,利用MATLAB中的SIMULINK工具仿真了相應(yīng)的動態(tài)響應(yīng)特性,并分析了線圈勵磁電壓、線圈匝數(shù)、電阻、氣隙、氣源壓力、反力因素以及尺寸參數(shù)等對電磁閥響應(yīng)特性的影響。本文得出的一些結(jié)論可簡化電磁閥的參數(shù)選擇、修正及優(yōu)化設(shè)計(jì)過程。2電動氣閥開啟過程電磁閥的結(jié)構(gòu)如圖1所示,它由電動氣閥和氣動液閥兩部分組成,電動氣閥與高壓氣源相連,氣動液閥的推進(jìn)劑入口和推進(jìn)劑供應(yīng)管路相連,出口緊挨噴注器入口。電動氣閥線圈通電后,在電磁吸力的作用下逐漸打開,高壓氣體進(jìn)入電動氣閥控制腔使其控制腔氣體壓力急劇上升,同時,氣動液閥控制腔氣體壓力上升,氣動液閥活塞逐漸打開,完成電磁閥的開啟過程。當(dāng)發(fā)出關(guān)機(jī)指令時,電動氣閥線圈斷電,當(dāng)吸力已不足吸住銜鐵,銜鐵即開始釋放,直至電動氣閥閥口關(guān)閉,與此同時,電動氣閥控制腔氣體通過排氣口流出,控制腔泄壓,氣動液閥控制腔隨之泄壓,氣動液閥活塞在彈簧力的作用下逐漸關(guān)閉,完成電磁閥關(guān)閉過程。3磁極電磁器的動態(tài)數(shù)學(xué)模型3.1動態(tài)過程數(shù)學(xué)模型電動氣閥的動態(tài)過程在電路上遵循電壓平衡方程,在磁場上遵循麥克斯韋方程,在運(yùn)動上遵循達(dá)朗貝爾運(yùn)動方程,在熱路上遵循熱平衡方程。這些方程間存在相互聯(lián)系,構(gòu)成了描述整個電磁機(jī)構(gòu)動態(tài)過程的數(shù)學(xué)模型。由于電動氣閥的動態(tài)過程歷時極短,電磁系統(tǒng)又存在著熱慣性,故溫度變化極微,引起電阻的變化很小,可忽略不計(jì),因此,數(shù)學(xué)模型中可不包含熱平衡方程。3.1.1電路數(shù)學(xué)模型3.1.2材料磁曲線數(shù)據(jù)的插值及漏磁系數(shù)根據(jù)基爾霍夫磁壓定律,可得出磁路計(jì)算的數(shù)學(xué)模型,即忽略銜鐵及非工作氣隙磁阻,(2)式變?yōu)闅庀洞抛铻椴牧洗呕€數(shù)據(jù)利用MATLAB/SIMULINK中的一維線性內(nèi)插模塊(Look-UpTable)進(jìn)行數(shù)據(jù)分段插值,查找Bm所對應(yīng)的Hm。考慮漏磁時,漏磁系數(shù)為漏磁系數(shù)由電磁閥結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)求得。根據(jù)麥克斯韋電磁吸力公式,電磁閥氣隙的吸力公式為3.1.3運(yùn)動數(shù)學(xué)模型其中,式(8a)為銜鐵吸動過程運(yùn)動件運(yùn)動方程,(8b)為銜鐵釋放過程運(yùn)動件運(yùn)動方程。3.1.4腔氣體動態(tài)數(shù)學(xué)模型的控制視控制腔氣體為理想氣體,忽略氣體的動能變化,由能量方程和理想氣體狀態(tài)方程得其中當(dāng)3.2氣動液閥動態(tài)過程氣動液閥由一個控制腔及氣孔、一個彈簧、一個活塞、兩個推進(jìn)劑入口和出口、一個閥體構(gòu)成。該閥的推進(jìn)劑出口緊挨噴注器入口,而噴注器出口又緊挨發(fā)動機(jī)燃燒室入口。高壓氣體進(jìn)入控制腔以后,當(dāng)氣壓增至一定值后,將同時推動作動腔活塞克服液壓力、摩擦力和彈簧力而運(yùn)動,從而使推進(jìn)劑流入到噴注器容腔中。在電動氣閥關(guān)閉時,氣動液閥控制腔中的氣體在彈簧力和液壓力的作用下從電動氣閥的排氣孔中排出。活塞運(yùn)動過程中,伴隨著氣體流量、壓力、體積、密度、溫度和活塞位移、速度、彈簧伸縮量的變化,因此,氣動液閥動態(tài)過程應(yīng)遵循質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律和牛頓第二定律。為建立氣動液閥動態(tài)過程的數(shù)學(xué)模型,先作如下假設(shè):(1)由于該閥的動態(tài)過程極短,不考慮閥內(nèi)的傳熱過程;(2)不考慮推進(jìn)劑的可壓縮性;(3)視控制腔內(nèi)氣體為理想氣體。3.2.1運(yùn)動數(shù)學(xué)模型其中式(16a)為閥門打開過程運(yùn)動件運(yùn)動方程,(16b)為閥門關(guān)閉過程運(yùn)動件運(yùn)動方程。3.2.2基于動態(tài)微分方程組的模型求解其中當(dāng)關(guān)于氣體質(zhì)量流量和的求解,本文考慮了超臨界、亞臨界,氣體正向、反向流動四種情況。具體數(shù)學(xué)模型如下當(dāng)p1≤pN時p1>pN時當(dāng)p2≤p1時p2>p1時當(dāng)p0≤p1時p0>p1時求解電動氣閥的動態(tài)微分方程組,得出x1、v1,實(shí)際上是求出了影響氣動液閥控制腔氣體流入量及控制腔容積的外界因素。在此基礎(chǔ)上,才可以求解氣動液閥的動態(tài)數(shù)學(xué)模型。但是,電動氣閥的活塞前壓強(qiáng)和氣動液閥的運(yùn)動有關(guān),所以電動氣閥和氣動液閥的動態(tài)微分方程組要聯(lián)立求解。4第1階段穩(wěn)定階段針對電磁閥具體已知參數(shù),對其開啟和關(guān)閉過程進(jìn)行仿真計(jì)算,輸入電壓24V,作用時間為0.2s,仿真時間為0.3s,得出電磁閥動態(tài)響應(yīng)特性,仿真結(jié)果如圖2所示。圖中分別給出了電流、電磁力以及電動氣閥和氣動液閥活塞位移隨時間變化的曲線。由圖可知,從線圈通電,電流按指數(shù)規(guī)律增長到吸動電流為止的過程,稱為銜鐵的吸動觸動過程。這個階段吸力小于或等于反力,銜鐵尚未運(yùn)動。位移x1、x2,速度v1、v2均為0,控制腔壓力p1、p2,體積V1、V2無變化。當(dāng)吸力大于反力,銜鐵開始運(yùn)動,直到銜鐵與靜鐵芯完全閉合,稱為吸動運(yùn)動過程。運(yùn)動過程中,x1、v1大于0,p1、p2、V1也隨之增大,由于銜鐵速度v1的逐增,產(chǎn)生運(yùn)動反電勢,使電流下跌,直至銜鐵終止運(yùn)動,電動氣閥開啟響應(yīng)時間為4.53ms。之后,電流又按新的指數(shù)規(guī)律上升,直到穩(wěn)態(tài),穩(wěn)態(tài)電流峰值為1.7757A。當(dāng)p2所產(chǎn)生的壓強(qiáng)力大于氣動液閥的反力時,氣動液閥活塞開始運(yùn)動,x2、v2均大于0,V2也開始增大。x2持續(xù)增大到活塞最大行程,氣動液閥開啟響應(yīng)時間為4.98ms。線圈斷電以后,電流下降,跟吸動過程一樣,釋放過程分為釋放觸動過程和釋放運(yùn)動過程。由仿真結(jié)果知,電動氣閥關(guān)閉響應(yīng)時間為63.36ms,氣動液閥關(guān)閉響應(yīng)時間為65.09ms。影響電磁閥響應(yīng)特性的因素有很多,下面討論線圈勵磁電壓、線圈匝數(shù)、電阻、氣隙、氣源壓力、反力因素以及尺寸參數(shù)等對電磁閥響應(yīng)特性的影響,從而為優(yōu)化設(shè)計(jì)此類閥門,提高其響應(yīng)能力提供依據(jù)。4.1電磁閥驅(qū)動方式及電壓從圖3(a)、(b)和表1可以清楚地看出:輸入額定電壓越高,在電磁閥開啟階段線圈中的電流上升越快,銜鐵在電磁吸力作用下就會越快獲得最大的作用力,閥開啟時間就越短;但是,由于軟磁材料的剩磁特性,切斷電壓后會剩下較大的磁性,使得閥關(guān)閉時間加長,同時,電壓的增大,也使得線圈和控制回路中的電流峰值過高,容易燒毀線圈和擊穿電子元器件。所以應(yīng)當(dāng)適當(dāng)?shù)奶岣咻斎腚妷簛硖岣唠姶砰y的響應(yīng)能力。為了達(dá)到電磁閥響應(yīng)速度加快和維持階段電磁力可以降低的要求,電磁閥驅(qū)動時使用了分階段高、低電壓驅(qū)動方式,即在銜鐵運(yùn)動之初,使用高的電壓,加大驅(qū)動電流,使銜鐵快速吸合;當(dāng)銜鐵吸合后,使用低電壓維持。由于在電磁閥吸合后,電磁鐵與銜鐵之間氣隙減小、磁阻降低,較低的維持電流不僅可保持電磁閥的可靠吸合,還能降低電磁鐵的能耗和線圈的發(fā)熱,并有利于銜鐵的快速復(fù)位,縮短電磁閥的關(guān)閉響應(yīng)時間。下面研究維持電壓對電磁閥響應(yīng)特性的影響。圖3(c)和表2是在驅(qū)動電壓24V,作用時間4ms,降到維持電壓,到50ms時電壓再降為0的條件下得出的仿真結(jié)果。結(jié)果表明:降低維持電壓能加速電磁閥的關(guān)閉,但是這種降低要有一定的限度,即維持電壓要能產(chǎn)生足夠的電磁吸力以保證電磁閥維持全開。4.2不同電阻下的動磁閥動態(tài)響應(yīng)表3是額定電壓24V,作用時間0.1s,Rw=13.5的條件下得出的結(jié)果。從表中可以看出對于某一電阻值,隨著匝數(shù)的增加,電動氣閥打開時間呈先減小后增大的趨勢,而電動氣閥關(guān)閉時間隨著匝數(shù)的增加而增加。那么就有一個匝數(shù)最優(yōu)值,可以使電動氣閥開啟的響應(yīng)時間最短,而關(guān)閉時間不至于太長。當(dāng)匝數(shù)超過這個值,電動氣閥開啟的響應(yīng)時間明顯變長,而當(dāng)匝數(shù)低于這個值,電動氣閥開啟的響應(yīng)時間也會變長,甚至使電磁閥達(dá)不到足夠的工作安匝數(shù)而無法正常工作。由仿真結(jié)果得出,在該條件下電磁閥匝數(shù)最優(yōu)值為180匝。從表4可知:隨著電阻的增加,動態(tài)電流峰值明顯減小,電動氣閥開閥響應(yīng)時間加長,而關(guān)閥響應(yīng)時間減少。因此,電阻值的大小是影響電磁閥動態(tài)響應(yīng)特性的一個重要因素。要選擇合適電阻值的線圈,既保證電磁閥有良好的響應(yīng)特性,又能夠限制峰值電流。4.3主工作間隙的影響由圖4(a)、(b)可以看出:主工作間隙越大,銜鐵行程越長,電動氣閥開啟和關(guān)閉的響應(yīng)時間就越長。因?yàn)?當(dāng)主工作間隙增大時,初始?xì)庀都哟?氣隙磁阻加大,初始電磁力減小,電磁力上升緩慢,所以閥的開啟時間加大。關(guān)閉過程中,由于閥的運(yùn)動距離加長,運(yùn)動時間就有所加長。當(dāng)主工作間隙大到一定的程度,電磁閥將不能提供足夠的安匝數(shù),而使電磁閥無法正常工作。主工作間隙應(yīng)該被限制在一定的范圍之內(nèi),只要有微小的超出,將導(dǎo)致電磁吸力迅速下降,而不能克服反力使銜鐵動作。對于本電磁閥,當(dāng)主工作間隙超過0.4mm時,將無法正常工作。另外,隨著主工作間隙的增大,銜鐵行程末速度增大,銜鐵碰撞前具有的動能越大,將不利于電磁鐵的壽命。主工作間隙的大小不僅決定了電磁閥工作能力與適用范圍,對電磁閥的性能影響也很大。由圖4(c)知:當(dāng)銜鐵行程不變時,殘余間隙減小意味著初始工作氣隙減小,在開啟過程中電磁鐵能產(chǎn)生更大的電磁吸力,使電磁閥開啟加快;在關(guān)閥時,小的殘余間隙加大了剩磁的影響,使電磁閥關(guān)閉響應(yīng)時間加長。若銜鐵在吸合狀態(tài)下氣隙為零,剩磁將產(chǎn)生一定的剩余吸力阻止銜鐵釋放;保留一定的殘余間隙,使斷電時整個磁路仍有較大的磁阻,這樣可以基本消除剩磁。因此,要保證電磁閥有短的開啟和關(guān)閉響應(yīng)時間,必須綜合考慮。4.4高壓氣體壓力由表5的仿真數(shù)據(jù)知:隨著高壓氣體壓力的減小,壓強(qiáng)力隨之減小,則電磁力需要經(jīng)過較長一段時間的增長才能使銜鐵運(yùn)動,所以電動氣閥開啟時間加長,同一時刻銜鐵運(yùn)動速度較小,但是銜鐵行程的末速度幾乎相等;同時,高壓氣體是推動氣動液閥活塞的動力來源,隨著高壓氣體壓力的減小,氣動液閥控制腔壓力隨之減小,氣動液閥開啟響應(yīng)變慢,甚至推不動活塞,但活塞末速度較小,有利于氣動液閥工作壽命的延長。而關(guān)閥時,電動氣閥響應(yīng)時間則隨著高壓氣體壓力的減小而縮短,銜鐵行程的末速度增大;氣動液閥響應(yīng)時間隨著高壓氣體壓力的減小而縮短,活塞末速度幾乎相等。所以,高壓氣體壓力的選取要綜合考慮電磁閥的響應(yīng)能力與其工作壽命。4.5彈簧預(yù)緊力和剛度由圖5知:彈簧預(yù)緊力對電磁閥響應(yīng)特性的影響與高壓氣體壓力的影響相反。彈簧預(yù)緊力越大,閥的開啟響應(yīng)越慢,而關(guān)閉響應(yīng)越快。為了加速電磁閥的關(guān)閉響應(yīng)時間可適當(dāng)加大預(yù)緊力,但過大的預(yù)緊力將造成閥門開啟過程的遲緩,甚至吸不動銜鐵,過小的預(yù)緊力可能使得彈簧回力不足而閥門無法關(guān)閉。因此,要確定合理的彈簧預(yù)緊力的大小,必須兼顧閥的開啟和關(guān)閉時間。彈簧剛度對閥開啟關(guān)閉的影響不大。因?yàn)殚y芯的運(yùn)動行程非常小,彈簧力隨閥芯運(yùn)動的變化很小?？偟膩碚f,彈簧剛度越大,閥的開啟響應(yīng)越慢,而關(guān)閉響應(yīng)越快。4.6開閥、排氣口直徑由表6可以看出:電動氣閥控制腔入口直徑大小(d1in)直接控制進(jìn)入電動氣閥控制腔的氣體流量,從而影響控制腔內(nèi)的充氣過程。電動氣閥控制腔入口直徑越大,開閥響應(yīng)越快,活塞末速度大;而關(guān)閥響應(yīng)慢,活塞末速度小。排氣口直徑(dout)越大,開閥時響應(yīng)越慢,關(guān)