电磁开关阀论文

电磁开关阀论文（精选7篇）

电磁开关阀论文 第1篇

高速电磁阀可用于水、空气和中性气体以及其他与电磁阀材质相适宜的气体、液体的开关控制,已广泛应用于航空、航天、汽车等领域,作为电-气结合的纽带,其动态性能对整个系统的性能有着重大影响,因此有必要对它的工作原理及控制方法进行深入研究。

虚拟仪器技术是利用高性能的模块化硬件,结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用,具有性能高、扩展性强、开发时间短、出色的集成等优势。

本文基于虚拟仪器技术对电磁阀的动态特性进行了测试,为电磁阀结构的改进提供了依据。

1 电磁开关阀基本结构和原理

1.1 电磁阀内部结构

一般的电磁阀其结构由线圈、弹簧、衔铁和阀杆组合、阀座以及进气口、出气口和排气口组成,其基本结构如图1所示。

1.2 工作原理

给线圈通电后,衔铁和阀杆组合向左运动,阀杆组合左锥面和左阀座接触并密封,进气口和出气口连通,线圈断电后,衔铁向右运动,右锥面和右阀座密封,排气口和出气口连通。对电磁阀的工作原理进行分解,有以下几个过程。给线圈加激励电压U。加电压后线圈中产生电流(i0),由于线圈为感性元件,因此,undefined,式中,L为线圈电感值。根据电磁感应定律,变化的电场产生磁场,因此线圈内部会产生磁场(设磁感应强度为B),磁场方向如图 1中绿线所示。

(1) 衔铁开始运动

由于磁场的存在,衔铁的受力情况如图1所示。衔铁所受合力为:F合=Fc-Fk,式中:Fc为通电线圈产生的磁场对衔铁的吸力(其大小和线圈激励电压、匝数、电阻以及磁导率有关);Fk为弹簧对衔铁的推力(和弹簧强度有关);当磁场强度增加到足以克服弹簧的推力时,即Fc>Fk时,衔铁开始向Fc方向运动。

(2) 线圈中产生感应电流

衔铁的运动使通过线圈的磁通量增加,根据楞次定律,通过回路面积的磁通量增加会产生感应电流,感应电流所产生的磁通量将抵消原来磁通量的增加,因此可判断感应电流的方向和原电流方向相反。根据感应电动势计算公式,可得到线圈上产生的感应电动势为:undefined:线圈的匝数;S:线圈的横截面积;B:磁感应强度(由于衔铁运动,导致线圈内磁通量发生变化,如果衔铁运动位移相同,则dB为常数)),因此,感应电流为:undefined,线圈上的总电流为:undefined,从上式可知,衔铁开始运动后,电流呈减小趋势。

(3) 衔铁停止运动

当弹簧达到最大形变时,衔铁停止运动,穿过线圈的磁通量不再发生变化,感应电流消失,线圈上电流按衔铁运动前的变化规律进行变化,在电流曲线上即表现为吸合拐点。根据衔铁的受力情况,可得下式:Fc-Fk=ma,式中:m:衔铁的质量;a:衔铁的加速度;设衔铁的运动位移为l,根据运动公式:undefined,得到:undefined,根据以上分析可知,线圈中产生的感应电流的大小和线圈参数、衔铁质量以及磁导率、弹簧强度均有关系。

(4) 电流稳定

当电流稳定后,线圈中磁通量不再发生变化,衔铁不会运动。

(5) 线圈断电

线圈断电后,其磁场强度减小,衔铁所受到磁场的吸力减小,当FcFk时,衔铁开始向Fk的方向运动,衔铁运动时,穿过线圈的磁通量减小,同样会在线圈上产生感应电流,感应电流所产生的磁通量将抑制原来磁通量的减小,根据楞次定律,感应电流的方向和原电流方向相同,因此,线圈中的总电流为:undefined,从上式可知,衔铁开始运动后,电流呈增大趋势。

(6) 衔铁停止运动

当衔铁停止运动后,通过线圈的磁通量不再发生变化,因此,感应电流消失,电流仍按衔铁运动前的规律变化,在曲线上表现为释放拐点。

2 电磁阀动态特性测试

电磁阀动态特性测试主要是指对电磁阀工作电流的测试,其电路包括三个部分:驱动电路、电流调理电路、滤波电路,驱动电路如图2所示。

图2为电磁阀控制电路,为电磁阀提供工作指令,指令格式为占空比可程控设置的方波信号,该信号通过编写Labview程序控制NI数据采集卡PCI-6221,由数据采集卡的DO通道发出;右半部分为电流调理电路。本设计中的电磁阀等效为电阻和电感的串联,其中电阻约为100 Ω,电感约为100 mH,吸合和释放时间均为毫秒级,考虑到开关管的开关时间和电阻对测试的影响,本设计中选择快速响应的MOSFET开关管,型号为IRF540,其导通时间小于20 ns,远小于吸合和释放时间,其导通电阻为0.05 Ω,对动态特性测试的影响也可忽略。图2中RX和RC分别为泄流电阻和采样电阻。

图3为电流信号调理电路,其中,INA117为高共模电压差分放大器,增益为1,其作用是消除高共模电压,防止损坏后向信道上的芯片,INA为仪表放大器,其差分输入模式可有效减小噪声。

电流曲线特征参数的提取与其调理模块的带宽有着密切的关系,带宽过宽,系统噪声会影响电流曲线特征提取,带宽过窄,会影响电流曲线上升沿和拐点的陡度,根据实际测试得到的电流曲线,以及带宽经验计算公式undefined为曲线上最陡的一段的时间,0.2 ms),可计算信道带宽为1.75 kHz,该带宽为通带频率,根据此带宽,并且通过滤波器设计软件FilterCAD可知-3 dB时的带宽应为2 kHz,由于电流芯片的带宽为200 kHz,因此在电路中加一个低通滤波器模块对带宽进行限制。滤波器电路如图4所示。

通过数据采集卡以及Labview程序对电磁阀工作电流进行测试,图5为测试结果。

3 结论

本文对电磁阀的工作原理进行了详细的分析,分析的结果与测试得到的曲线吻合,另外,本文设计的这种基于Labview的电磁阀动态特性测试系统性能比较稳定,测量精度比较高,能对不同型号电磁阀进行测试。

参考文献

[1]邹开凤,陈友龙.高速电磁阀响应特性的研究[J].海军航空工程学院学报,2005(6):671-672.

[2]张廷羽,张国贤.高速开关电磁阀的性能分析及优化研究[J].机床与液压,2006(9):144-147.

[3]戴佳,黄敏超,余勇,等.电磁阀动态响应特性仿真研究[J].火箭推进,2007(1):44-52.

电磁开关阀论文 第2篇

超磁致伸缩高速响应电磁开关阀(GMV)是近年发展起来的一种数字式电液转换控制元件,采用脉冲流量控制方式,直接根据一系列脉冲电信号进行开关动作,响应速度极高,可小于1ms。脉冲流的形成和调节方法有多种,其中脉宽调制(Pulse Width Modulation简称PWM)是用得最多的一种方法。与伺服阀、比例阀相比,GMV具有结构简单、价格低廉、阀口对污染不敏感等特点,能将ON/OFF数字信号直接转换成流体脉冲信号,使计算机控制技术无需D/A转换接口便可实现与液压技术的有机结合。

目前用于高速阀的新型材料是稀土超磁致伸缩材料(Giant Magneto Strictive Material,GMM),此材料具有磁致伸缩效应,即当材料的磁化状态改变时,其尺寸会产生显著的变化。这类材料输出力大、应变显著、响应速度快,是改变现有自动控制技术现状,提高产品精确度,提高系统响应速度的新型智能材料,超磁致伸缩高速电磁开关阀就是应用的典型例子[1]。

超磁致伸缩高速响应开关电磁阀最常见的是二位二通。按电-机械转换方式可分为压电晶体式、电磁式和超磁致伸缩式。用压电晶体驱动的高速响应电磁阀动态性能最好,切换时间最短,输出力也很大,但输出的位移较小,控制的流量小,而且需要使用高压电,耗电量大,安全性能得不到保障;电磁式又分为力矩马达式、电磁铁式,力矩马达动态性能较好,但输出力矩需要转化为力时,输出力不大,且结构复杂,价格昂贵,电磁铁式输出的力较大,但电磁铁式存在电磁时间延迟,动态性能差;超磁致伸缩式的输出位移要比压电晶体大几倍,无需高压驱动,切换时间比电磁式要短很多,且输出力大,是一种极有发展前景的高速响应阀[2]。

2 GMV工作原理

2.1 GMV结构设计

所设计的GMV由三部分组成:超磁致伸缩驱动器(GMA)结构如图1所示,柔性铰链放大机构如图2所示,阀体如图3所示。当改变激励线圈中的电流时,GMM棒所处区域磁场的大小就会发生变化,从而导致超磁致伸缩驱动器输出量发生变化,进而推动顶杆移动,实现位移和力的输出,完成电磁能向机械能的转换;由于GMA输出位移有限,采用柔性铰链放大机构进行位移的放大;输出位移经放大后传递给阀体输入杆,在阀体预压弹簧的共同作用下实现开关功能。当给高速响应电磁阀线圈周期信号时,通过控制脉宽指令(PWM)驱动高速响应电磁阀周期性地开关,通过改变占空比实现阀输出量的变化,钢球做周期性往复运动,电磁阀周期性地开关,实现了脉宽调制;当改变液体压力时,通过阀芯的液体流速发生变化,以上两种方法都能达到控制流量的目的[3]。

2.2 GMA磁路分析

根据图1,驱动线圈在驱动电流的作用下,产生磁场,磁路依次通过GMM棒永磁体输出顶杆上端盖外套筒下端盖永磁体GMM棒,形成一个完整的磁回路。在等效磁路图4中,GMM棒等效为衔铁,两侧端盖等效为磁轭径向部分,套筒等效为磁轭轴向部分,在输出顶杆与GMM棒之间为主气隙,在端盖与外套筒之间形成次气隙。

3 基于AMEsim的GMV仿真

3.1 模型的建立

由基尔霍夫电压定律可以得到电压方程:

式中,R-电阻,I-磁路电流,动态模型磁路的磁动势分为两部分:一部分由激励电流产生;另一部分则由GMM棒的应变引起,所以磁通方程可以表示为:

式中,d为压磁系数,P为磁路总磁阻。

式中,l1为磁轭轴向长度;H1为磁轭轴向部分磁场强度;l2为磁轭径向部分等效长度;H2为磁轭径向部分磁场强度;l3为衔铁和极靴长度;H3为衔铁和极靴磁场强度;准为磁路中的磁通量;Rm为漏磁元件等效磁阻;H0为主气隙中的磁场强度;l0为主气隙长度;N为线圈匝数。

阀芯动力学方程:

式中,FGMA为驱动器输出力;Fh为液压力;Fk为阀体预压弹簧的预压力;c为液体粘性阻尼系数;x为阀芯位移。

采用AMESim中的电磁库(EM)和液压库(HCD),构建超磁致伸缩高速响应电磁开关阀的模型,如图5所示。主气隙用柱型气隙模型表示;次气隙用漏磁模型表示;衔铁用固定长度磁性元件模型表示;磁轭两个径向部分用径向磁性元件模型表示,轴向部分用固定长度磁性元件模型表示。各子模型的作用、功能如表1。

3.2 仿真结果分析

(1)阀芯位移与PWM脉冲信号、电流的关系分析

依次增大仿真中的占空比,图6为超磁致伸缩高速响应电磁开关阀脉冲信号与阀芯位移、电流关系仿真结果。为脉冲占空比。

通过图6中τ=0.5,分析阀芯的运动过程。

图6中脉冲信号的周期、脉冲信号的宽度分别用tf、tp表示;阀芯开启时间、关闭时间、开启滞后时间、关闭滞后时间、分别用ton、toff、tzn、tzf表示。

阀芯开启时间是信号开始上升到阀完全开启的过程所用时间;阀芯关闭时间是信号脉冲开始下降到阀芯完全关闭的过程所用的时间。阀芯开启和阀芯关闭滞后是会产生滞后的。

阀芯开启运动之所以比脉冲信号上升滞后,是因为当脉冲上升时,电流伴随脉冲同时开始上升;随着电流的上升,超磁致伸缩驱动器给阀芯的力不断增大,当这个力大于阀芯的阻力时,阀芯才开始开启运动。阀芯开启滞后时间tzn就是从脉冲开始上升到阀芯开始运动这段时间。

阀芯关闭运动之所以比脉冲信号下降滞后,是因为当脉冲下降时刻,超磁致伸缩驱动器的线圈有续流作用下,电流下降受阻而滞后,随着电流的减小,GMA给阀芯的力逐渐减小,当GMA给阀芯的力小于阀芯弹簧预压时,阀芯才开始关闭运动。阀芯关闭的滞后时间tzf就是从脉冲下降到阀芯开始关闭运动的这一段时间。

通过对图6的分析,可以分析不同占空比对电流、脉冲信号、阀芯位移的影响。

①占空比τ很小时(如τ=0.1),由于GMA给阀芯的输入力始终小于阀芯负载的阻力,因此,阀芯不能开启,始终处于完全关闭状态;

②占空比τ值较小时(如τ=0.2),由于GMA给阀芯的输入力逐渐增大,可以克服阀芯阻力,但阀芯只开启了一部分,脉冲信号下降时刻就已经开始,因此,阀芯只是部分开启,就被迫开始关闭运动;

③当τ值较大时(如τ=0.9),由于GMA给阀芯的输入力在减小过程中,还没有减小到阀芯完全关闭时,下一个脉冲信号上升又开始,GMA给阀芯的输入力又开始增大,因此,阀芯只处于半关闭状态,就被迫开始开启过程。

(2)液体压力与流量关系分析

流体压力对流量的影响较大,为了具体分析流体压GMV工作压力与流量之间的关系曲线如图7所示。力的影响,仿真时通过改变流体压力,观察通过GMV的流量。仿真时调节从0开始,每次增加0.1MPa,设置200Hz的工作频率,脉宽占空比设置为60%,由图7中可以看出,随工作压力的增加,超磁致伸缩高速响应电磁阀的流量随之增加。当压力只有0.1MPa时,GMV的流量几乎为0。压力增加到0.2~0.3MPa时,单脉冲流体总量都小于3L/min;0.4~0.6MPa压力时,流量为4.5~7L/min;压力达到0.7MPa时,流量接近8L/min,能够达到设计要求,但是此时阀体泄漏现象(BAF 12)开始明显。因此仿真结果认为0.5~0.6MPa是超磁致伸缩高速响应电磁阀最合适的工作压力范围。

(3)流量与脉宽占空比关系分析

PWM控制中占空比的大小决定线圈通电时间,影响阀芯开启或开启的程度,从而影响超磁致伸缩高速响应电磁阀的流量。仿真中,设置200Hz的驱动频率,0.4MPa的工作压力,占空比从0开始,逐渐增加,每增加10%处取值记录,超磁致伸缩高速开关阀流量与占空比的关系曲线如图8所示。

由图8中可以看出,流量随脉宽占空比的增大而增大。占空比小于10%时,超磁致伸缩高速响应电磁阀的流量基本为零,称之为PWM的控制死区。占空比在10%~25%之间时,流量与占空比线性关系较差,属于PWM控制的非线性区。占空比为25%~75%之间,流量与脉冲占空比的线性关系比较好,属于线性区,流量随脉冲占空比的增大而增大。占空比在75%~90%之间时,流量与占空比线性关系较差,属于PWM控制的非线性区。占空比大于90%后,流量保持常量几乎不发生变化,阀芯始终为开启状态,称之为饱和区。占空比增加,意味着超磁致伸缩高速开关阀线圈的通电时间增加,长时间通电可能导致线圈温度过高,如果超磁致伸缩驱动器散热性能不够好,将有可能影响GMV性能及精度,因此在流量达到要求的情况下,尽可能让占空比小,通常认为50%是较理想的占空比。

4 驱动电流与流量关系分析

驱动电流直接影响超磁致伸缩驱动器对阀芯的输入力和位移,进而对电流产生影响。驱动线圈通入电流幅值从零开始,每隔0.5A记录一个数值,设置50%的占空比,200Hz的驱动频率。由于超磁致伸缩驱动器的位移输出经放大后即为阀芯的输入(这里我们视放大倍数不变),因此电流的变化影响驱动器的输出和阀芯的开启量,即影响流量的变化。驱动器的电流幅值与流量的关系曲线如图9所示。

从图9中可以看出,超磁致伸缩高速开关阀的流量与驱动电流在1.2~2.4A之间成线性关系,在I<0.65A和I>2.4A成非线性关系,这主要因为受超磁致伸缩驱动器的输出位移与输入电流关系的影响,这与GMM棒的磁致伸缩曲线相符。当超磁致伸缩驱动器的驱动电流I<0.65A时GMA的输出位移小于5μm,阀芯的运动位移很小,开关阀近似于关闭状态,从图中可以看出此时的流量几乎为零;当驱动电流为在1.2~2.4A之间变化时,超磁致伸缩驱动器的输出位移急剧上升,阀芯的位移量增大,流量与电流成线性关系;电流达到2.4A后,GMM棒的磁致伸缩达到最大值,即饱和状态,此时认为阀芯处于常开状态,因此流量稳定于最大值。为减少发热对驱动器精度的影响,在流量要求泛围内尽量减小电流,要求开关阀的驱动电流通常为1.2~2.4A。

5 结语

(1)超磁致伸缩高速开关阀阀芯的运动相对PWM脉冲信号滞后直接原因是开关阀阀芯开启存在滞后时间tzn、阀芯关闭存在滞后时间tzf导致,根本原因是驱动器输出力和位移的增加或者减少需要的一定时间导致,即GMM棒涡流和磁滞的影响。因此要减小GMM棒涡流和磁滞的影响,减小驱动器输出力和位移的时间,使阀芯开启和关闭的过程尽可能短。

解决方法:通过对GMM棒进行径向或者轴向切割,提高极限工作频率,减小涡流与磁滞损耗,减小线圈发热量。

(2)通过选择合适的占空比、流体压力、驱动电流,能使GMV工作在线性驱域,提高效率、降低能耗。

参考文献

[1]朱玉川,等.超磁致伸缩材料在流体控制阀中的应用与展望[J].液压与气动,2004(5):49-51.

[2]吕福在.用于柴油机电喷系统的GMM高速强力电磁阀和电控系统的研究[D].杭州:浙江大学,2000.

[3]孙中雷.微小型高速开关阀驱动器关键技术研究[D].西安:西北工业大学,2006.

袋式除尘器用电磁脉冲阀浅析 第3篇

电磁脉冲阀是袋式除尘器脉冲喷吹清灰装置的执行机构和关键部件。某电厂共6台200MW燃煤发电机组, 其中#3炉、#4炉的烟气除尘设施均由电除尘器改为袋式除尘器。#3炉、#4炉袋式除尘器的脉冲喷吹装置采用的脉冲阀均为澳大利亚GOYEN公司生产的CA76MM010-305型淹没式电磁脉冲阀 (#3除尘安装600只, #4除尘安装624只) 。本文对电磁脉冲阀的定义、分类、技术要求、选用原则、工作原理等进行阐述, 并针对CA76MM010-305型淹没式电磁脉冲阀的构造、原理、使用及检修等进行分析探讨。

1 基本定义

1.1 脉冲阀:指受电磁或气动等先导阀的控制, 能在瞬间启闭高压气源产生脉冲的膜片阀。

1.2 电磁脉冲阀:指将电磁阀、先导阀与脉冲阀组合在一起, 直接受电信号控制的膜片阀。

2 电磁脉冲阀的分类

按阀进出口的角度及进出口的形式分为三种。

2.1 直角式电磁脉冲阀:阀体进出口成直角, 直接受电信号控制的膜片阀。

2.2 直通式电磁脉冲阀:阀体进出口成180°, 直接受电信号控制的膜片阀。

2.3 淹没式电磁脉冲阀:阀体进气口淹没在气包内, 直接受电信号控制的膜片阀。

3 电磁脉冲阀的技术要求 (依照HCRJ043-1999《袋式除尘器用电磁脉冲阀》)

(1) 产品的工作压力为0.1Mpa~0.7Mpa, 介质为经过除油、除水处理的空气; (2) 在产品标称气源压力状态下, 电磁阀的工作电压为额定电压的85%时, 电磁脉冲阀的开启响应时间应小于0.03s; (3) 工作气源压力为0.1Mpa时, 即可使脉冲阀关闭; (4) 产品应能承受0.8Mpa的气源压力; (5) 在规定的环境条件下, 电磁线圈对外壳的绝缘电阻应大于1MΩ; (6) 在室温为5℃~35℃, 相对湿度不超过85%的条件下, 电磁线圈对外壳能承受50Hz、250V的电压, 历时1min无击穿现象; (7) 电磁脉冲阀在承受频率为20Hz、全幅值为2mm、历时30min的振动后应能正常工作; (8) 在正常使用条件下, 膜片累计使用寿命应大于80万次; (9) 阀的外表无明显涂层剥落、划痕、毛刺等损伤。

4 电磁脉冲阀的选用原则

4.1 选择高中低压力范围都能适用的脉冲阀:

如果在应用过程中滤料的阻力随着使用时间的推移而增高时, 可以通过调整气包压力来保持除尘器良好的运行阻力, 保证滤料不会糊袋。

4.2 选择低阻力的脉冲阀:

脉冲阀的内部结构需要保证喷吹气量大, 膜片行程长, 壳体内部结构根据流体力学设计使阀门阻力小。选用低阻力、高喷吹量的脉冲阀则每个阀门可以清灰更大面积的滤料, 节省喷吹系统的总体造价。

4.3 选择脉冲阀的生产质量统一性:

阀门的制造必须采用配备机器人和CNC中心的全自动生产线, 杜绝由于人为加工所引起的生产质量不统一。在一个清灰系统里, 往往会由于一只阀门的漏气而导致整个系统的瘫痪。

4.4 选择高质量品牌的脉冲阀:

电磁脉冲阀是除尘设备的心脏, 其总价格是脉冲喷吹除尘器总价的5%左右, 所以在脉冲阀上节省设备成本而承担整个除尘系统失效的风险是最不值得的。

5 电磁脉冲阀选择不当引起的严重后果

5.1 劣质的脉冲阀膜片使除尘器整体失效

因为一个阀门膜片的故障, 会导致整个气包压力大幅度降低并且气量不足, 使气包上的其他阀门不能正常喷吹乃至整个除尘器的脉冲阀处于非正常工作状态。除尘器的清灰不良, 会产生局部糊袋现象, 除尘器气布比提高, 运行阻力增加, 加速缩短滤料的工作寿命。

5.2 劣质的脉冲阀膜片增加设备检修和维护难度

当小部分阀门膜片故障时, 现场工作人员难以判断故障原因, 在几百个阀门中找出故障的阀门, 需要花费大量时间对阀门逐个进行检查。

5.3 劣质的脉冲阀膜片严重影响生产运作

当阀门发生故障时, 经常需要停止部分气包或过滤箱体方能进行检修工作, 严重影响机组的正常稳定运行。

5.4 导致清灰系统不良、运行费用增加

由于清灰效果差, 除尘器的压差阻力过高, 吸风机运行超负荷, 锅炉正压运行, 能源损耗增大;由于清灰力度不够, 导致糊袋现象, 滤袋的使用寿命缩短, 使整台除尘器的除尘效率降低。

6 淹没式电磁脉冲阀构造与工作原理

淹没式脉冲阀的进气口与出气口的方向是180°。淹没式电磁脉冲阀的工作原理是膜片把脉冲阀分成前、后两个室, 当接通压缩空气时, 压缩空气通过节流孔进入后气室, 此时后气室压力将使膜片紧贴阀的输出口, 脉冲阀处于“关闭”状态。当脉冲控制的电信号使脉冲阀衔铁移动, 阀后气室放气孔打开, 后气室迅速失压, 膜片移动, 压缩空气通过阀输出口喷出, 脉冲阀处于“开启”状态, 此时瞬间喷出压缩空气气流。脉冲控制的电信号消失, 脉冲阀衔铁复位, 阀后气室放气孔关闭, 后气室压力升高使膜片紧贴阀输出口, 脉冲阀又处于“关闭”状态。

7 CA76MM010-305型淹没式电磁脉冲阀的构造与工作原理

阀门的型号含义为:CA—电磁脉冲阀;76—阀门规格 (76mm, 3”Inch) ;MM—阀体类型 (淹没式) ;010— (首位) 先导阀类型代码1/8”; (中位) 隔膜主纤维类型为RC、 (末位) 膜片材料为nitrile常温型;305—电磁阀代码K305 (24V DC) 。

工作原理:当接通压缩空气时, 压缩空气通过主隔膜上的三个节流孔进入主阀帽气室空间, 主阀帽气室空间的气体通过小隔膜导气针进入小阀帽气室空间, 此时由于电磁阀内推杆的密封作用→小阀帽气室压力将小隔膜紧贴主阀帽气室的排气通道→主阀帽气室压力使主隔膜紧贴阀的输出口, 脉冲阀处于“关闭”状态。当脉冲控制的电信号使电磁阀内推杆向上移动, 小阀帽气室放气孔打开, 小阀帽气室迅速失压, 小隔膜的膜片向上移动, 主阀帽气室的排气通道打开, 主阀帽气室迅速失压, 主隔膜的膜片向上移动, 压缩空气通过阀输出口喷出, 整个脉冲阀处于“开启”状态, 此时瞬间喷出压缩空气气流。脉冲控制的电信号消失, 电磁阀内推杆复位, 小阀帽气室放气孔关闭→小阀帽气室压力升高使小隔膜紧贴主阀帽气室的排气通道→主阀帽气室压力升高→使主隔膜紧贴阀的输出口, 脉冲阀又处于“关闭”状态。

8 Goyen (高原) CA76MM型淹没式电磁脉冲阀的性能技术参数

该型淹没式电磁脉冲阀的喷吹耗气量在气包容积、气源压力等不同的情况下差别较大, 下表列出了澳大利亚CLEAN AIR SYSTEMS实验室对同一阀门的测试数据:

9 高原CA**MM系列阀门的安装、维护检修和故障的诊断分析

9.1 安装

(1) 该系列阀门系贯穿安装在压缩空气气包上, 阀门的正确装配 (含内部管道、阀门装置螺栓、出口接管) 是为了避免压缩空气的泄漏。 (2) 阀门可垂直向上或水平向两侧安装在压力容器上;为避免潮湿水汽进入阀门内部而影响阀门动作可靠性, 绝不能安装在压力容器的下边。 (3) 阀门上的螺栓均为压力密封部件而非结构锁紧装置, 各螺栓安装力矩允许范围见本文第七部分的部件说明的相关内容。 (4) 所有“O”形圈均应外涂一层矽酮基润滑剂或类似物质。

9.2 维护检修

(1) 阀体。阀门所在的气包完全泄压后, 松掉主阀帽安装螺钉8并取出膜片组件和弹簧, 清洁所有的部件, 检查、清理空气流通路径及放气孔的杂物, 更换已损坏的部件, 装复主阀帽, 按规定力矩旋紧安装螺钉。 (2) 电磁阀。阀门所在的气包完全泄压后, 断开电磁阀的控制电路, 移去电磁阀线圈, 松掉电磁阀芯轴固定帽固定螺钉36并取出电磁阀芯轴部件30~34, 清洁所有的部件, 更换已损坏的部件, 装复电磁阀, 按规定力矩旋紧电磁阀芯轴固定帽安装螺钉。 (3) 淹没式电磁脉冲阀的故障诊断分析:为便于分析故障的真实原因, 根据检修维护经历列表说明常见故障的原因及其对策如下。

1 0 结论

在火电厂除尘器系统使用电磁脉冲阀首先要选型正确, 然后是注意日常的检修和维护, 基本就可保证整个除尘系统的安全稳定运行。

参考文献

[1]郝吉明.马广大.大气污染控制工程[M].北京:高等教育出版社, 2002.

气动开关阀密封装置的技改 第4篇

气动开关阀主要由阀体、阀芯、密封装置、气力驱动装置和充气装置等组成, 广泛应用于水泥库库侧 (底) 卸料的控制。阀芯为半圆柱体结构, 在阀芯上开有出料缺口, 靠气力驱动装置带动阀芯旋转, 改变阀芯缺口的位置, 从而达到开闭阀的目的。气动开关阀采用的是阀芯与毛毡的紧密接触来实现对物料的密封。传统的气动开关阀的密封毛毡是用压板固定在阀体内, 当密封失效需要更换时, 要拆下整个阀体, 费时费力。为提高更换密封的效率, 对阀体内密封结构进行了改造。

在传统的阀体两侧开方孔, 从该孔中插入一个抽屉状结构, 密封毛毡与抽屉板固定一起, 安装在阀体内。当毛毡密封失效后, 不必拆下整个阀体, 而是仅拆下抽屉盖板, 拆下抽屉板安装螺栓, 抽出密封装置, 将毛毡更换后, 重新插入阀体内安装好即可 (见图1) 。

实际使用表明, 该密封装置拆装方便, 密封效果好, 也方便定期检查气动开关阀密封装置的磨损情况。原来更换密封毛毡, 在毛毡事先裁剪好的情况下, 需2人工作半小时左右, 而抽屉式密封装置的更换仅需1人工作10多分钟。

高压气动开关阀动态特性仿真分析 第5篇

高压气动开关阀是高压气动容积减压系统的核心控制元件。虽然影响高压气动开关阀动态性能的因素很多,但起重要作用的是主阀的阀芯结构形式和参数。要想保证研发设计的高压气动开关阀满足工业应用的性能要求,就必须明确这些主要因素变化对阀的动态性能的影响趋势和程度。文献[1,2]中提出的先导式高压大流量气动开关阀动态特性的细分理论经实验证明是符合实际的。在此,笔者根据细分理论对先导式高压气动开关阀进行仿真分析,从而得到各相关因素对阀的动态特性的影响规律,以期为先导式高压气动开关阀的设计提供指导。

1 结构原理

电磁先导高压气动开关阀的结构原理如图1所示。先导级采用高速电磁阀,主阀采用活塞驱动锥面开关的差动作用式阀芯结构。通过控制电磁先导阀进气通道的启/闭,即可控制先导阀控制口的进气和排气,进而控制主阀的关闭和开启。

由于高压气体的压缩率较大,在高压气动阀开关时,控制腔的充、放气过程必须考虑气体的热力学膨胀效应对动态特性的影响。这种特征可以描述为先导式高压气动阀的动态特性细分理论,即分别以高压气动开关阀控制腔充、放气的定容积过程和变容积过程为单元,以控制腔气体转折压力为标志,将主阀开启过程细分为定容积放气过程、变容积放气过程和余隙容积放气过程;将主阀关闭过程细分为余隙容积充气过程、变容积充气过程和定容积充气过程[1]。根据细分理论,利用高压气动开关阀工作过程中的质量连续方程、压力微分方程和动力平衡方程,即可建立描述高压气动阀动态特性的数学模型[2]。

2 仿真

根据先导式高压气动阀的动态特性细分理论,利用MATLAB的Simulink工具箱建立的动态特性仿真模型框图如图2所示。按主阀的开启和关闭操作过程分别建立仿真模型,每个操作过程分3个模块,每个模块封装有各自的子模块,每个子模块都由该工况下的质量连续方程、压力微分方程及动力平衡方程等建立联系并进行求解[3]。

表征先导式高压气动开关阀动态特性的主要参数有:主阀控制腔气体压力、主阀芯位移、主阀芯速度和主阀芯加速度。仿真和实验结果证实这4个参数的变化过程是完全对应的,其中控制腔气体压力包含的动态信息最丰富,而且主阀芯位移、速度和加速度的变化都由控制腔的气体压力决定[1]。因此,仅用主阀控制腔气体压力曲线来表征高压气动开关阀的动态特性是可靠的。

3 仿真分析

基于细分理论建立的仿真模型所给定的先导式高压气动开关阀的基本参数为:先导阀控制口有效面积Ac=Ao=4πmm2,控制腔驱动活塞面积A1=156πmm2,主阀芯开关面积A2=100πmm2,高压进气口面积A3=56πmm2,主阀芯质量M=50g,摩擦力f=100N,弹簧刚度K=2500N/m,气源气体压力ps=10MPa,控制气体压力pc=10MPa,排出气体压力po=0.1MPa,压缩因子Z=1.0。以给定的基本参数值为基准,通过上、下调节重要参数值得到对应的仿真结果,进而分析气动开关阀动态性能的变化程度和规律。

3.1 先导阀控制口有效面积的影响

先导阀控制口有效面积Ac即主阀控制腔进/排气口面积,Ac变化引起控制腔压力动态变化的仿真如图3所示,主阀的开启和关闭运动过程时间都随Ac的增大而减小,而且主阀的开启运动过程结束时造成的压力尖峰也随Ac的增大而减小,甚至消失。然而,Ac增大意味着先导阀的结构尺寸要相应增大,动态响应可能降低,将会影响整个阀的动态特性。因此,需要综合考虑先导阀与主阀的动态关系以保证先导式高压气动开关阀的总体动态性能最优。

3.2 控制腔驱动活塞面积的影响

控制腔驱动活塞面积A1与主阀内腔上部构成控制容积,该容积的大小与A1成正比,A1变化引起的控制腔压力动态变化的仿真曲线如图4所示,随着A1增大主阀开启时间增长,主阀的关闭运动过程时间急剧减小。也就是说,主阀开启过程的动态响应时间与A1成正比;主阀关闭过程的动态响应时间与A1成反比;主阀运动阶段的恒定控制压力随A1的增大而降低。A1决定了主阀开启和关闭过程的时间对比关系。通过仿真,可以找到满足高压气动开关阀动态性能要求的A1最优值。

3.3 主阀芯开关面积的影响

主阀芯开关面积A2即差动作用的主阀芯下端横截面面积,A2变化引起的控制腔压力动态变化仿真曲线如图5所示,随着A2的增大主阀的关闭运动过程时间增长,而主阀开启过程时间基本不变。即A2只决定主阀关闭过程的动态响应时间,对其开启过程的动态响应时间的影响可以忽略。主阀关闭过程的动态响应时间与A2成正比。

3.4 控制气体压力的影响

控制气体压力pc是取自主阀进气口高压气源的分支压力,pc变化引起的控制腔压力动态变化的仿真曲线如图6所示。pc越高主阀的开启和关闭时间越短,动态响应越快。由于控制腔必须充满压力气体,控制压力越高主阀关闭后达到压力稳定状态所经历的时间也有所延长。

3.5 其他参数的影响

主阀芯摩擦力f主阀弹簧刚度系数K都是气动控制阀动态特性数学模型中必要的工作参数。但仿真结果得出,它们引起的动力变化与高压气体产生的作用相比至少要低1～2个数量级,因此对高压气动开关阀的动态特性影响较小,在进行动态特性分析时可以不作为主要因素考虑。

主阀芯质量M减小,放气过程和充气过程的时间都缩短。当M太小时,容易产生加速度曲线并引起速度曲线的振荡;当M增大到一定值时,可以消除开启过程的压力尖峰现象,但响应过程延长。

压缩因子Z是表示高压气体与理想气体差别的系数。仿真得出,对于15MPa以下的高压气体,Z对动态特性的影响不会大于5%。

4 结束语

根据先导式高压气动开关阀动态特性仿真分析结果可知,先导阀控制口有效面积、控制腔驱动活塞面积、主阀芯开关面积及控制气体压力等参数是影响其动态性能的主要因素,摩擦力、弹簧刚度及阀芯质量等其他参数的影响相对较小。先导阀控制口有效面积增大,主阀的开启和关闭时间也缩短;主阀控制腔驱动活塞面积决定了主阀开启过程和关闭过程的时间对比关系,面积增大开启时间延长,关闭时间缩短。因此,优化高压气动开关阀的总体动态性能需要综合考虑先导阀与主阀的动态性能。

参考文献

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[2]贾光政,王宣银,吴根茂.超高压大流量气动开关阀的原理与动态特性研究[J].机械工程学报,2004,40(5):77～81.

大流量气动高速开关阀的优化设计 第6篇

关键词：高速开关阀,Ansoft,切换时间,大流量

0 引言

气动高速开关阀具有结构简单、控制精度高、响应速度快、抗污染能力强、价格低等特点, 被广泛应用在现代气压伺服控制领域中[1]。随着应用领域的拓展及应用要求的提升, 高速开关阀仍面临着如何解决大流量与高频响之间矛盾的难题。

Topcu研究团队[2]利用在圆柱E型电磁铁上贴膜片以提供保持间隙和引入IGBT控制驱动, 使其所研发的高速开关阀, 在7 bar的进口压力下, 延迟时间为9 ms, 最大流量为460 L/min。但目前鲜有流量在700 L/min, 开启时间在10 ms以内的高速开关阀的报导[3,4]。

本研究提出一种大流量高速开关阀结构, 该结构将传统的圆形衔铁中心开孔, 提高衔铁电磁利用率, 通过对其进行有限元仿真分析和优化设计, 可得该阀在未加驱动电路的情况下, 流量为720 L/min时, 切换时间仅为9.5 ms。

1 开关阀结构与工作原理

本研究所提出的开关阀结构如图1所示。

该阀为常闭式二位二通结构, 主要由阀座、静铁芯、复位弹簧、阀体1、阀体2、阀体3等组成, 各部分之间通过螺纹连接。衔铁置于阀体3中, 由于衔铁外径小于阀体3上的安装孔径, 故在开关阀动作过程中, 可能会存在衔铁晃动的问题, 影响开关阀动作稳定性。为了弥补该缺陷, 本研究对称取两个弹性片, 令弹性片一端与衔铁边缘固定, 另一端由阀体3与阀座夹持住。考虑到开关阀的密封性能, 在衔铁中心开有安装孔, 将树脂密封片安装于其中, 其与阀座之间形成密封。

工作时, 衔铁在气压力和弹簧复位力的共同作用下, 保持阀口关闭。通电时, 电磁铁产生的电磁力克服衔铁所受反作用力后, 促使衔铁向上运动, 从而打开阀口, 使气体从进口P处向出口A处流动。

2 数学建模

2.1 流量模型

根据ISO6358标准, 流经开关阀的质量流量可表述为[5]:

式中:Cq开关阀流量系数;d阀口直径;p1, T1阀口上游气体压力及温度;p2, T2阀口下游气体压力及温度;k气体绝热常数;R气体常数;x (t) t时刻阀口工作气隙。

开关阀的最大流通能力由其音速流决定, 在维持阀口上 (下) 游压力、温度及流经气体特性不变的情况下, 式 (1) 可表示为:

式中:α开关阀质量流比例系数。

从式 (2) 中可以看出, 在一定的目标流量下, 开关阀的阀芯直径与开关阀电磁铁的工作气隙成反比。本研究所研究的开关阀的目标流量为700 L/min, 不同的d和x的匹配值如表1所示。

考虑到加工难度, 同时兼顾频响, 本研究选择阀口直径为6 mm, 工作气隙为0.5 mm。

2.2 运动耦合瞬态场模型

本研究采用有限元分析方法对开关阀运动耦合模型进行分析研究, 以下是对开关阀的运动过程进行建模。

高速开关阀的电磁模型包括电路和磁场两部分[6]。其中电控回路可等效为电感与电阻的串联回路, 可用下式表示[7]:

式中:U (t) 线圈电压, R线圈电阻, i (t) 线圈电流, N线圈匝数, φ (t) 电磁铁磁通。

忽略位移电流与磁滞效应, 根据麦克斯韦基本方程可得磁场矢量位函数方程为[8]:

式中:Js源电流密度, A矢量位移, μ磁导率, σ电导率, ν衔铁的运动速度。

忽视气体阻尼动态影响, 假设衔铁一直处于最大气阻力的作用下, 根据牛顿第二定律, 开关阀的运动模型可表示为:

式中:k1复位弹簧系数。

3 仿真与实验研究

电磁铁是影响高速开关阀响应特性的关键部件。本研究在仿真分析中, 忽略软磁材料磁阻与电涡流效应及温度对系统的影响, 采用Ansoft Maxwell电磁有限元仿真软件对高速开关阀中电磁铁的结构进行优化设计, 主要研究电磁铁结构参数对其开启特性的影响, 特别是衔铁结构参数与绕组参数对电磁铁动态特性的影响。

由于开关阀的结构为轴对称结构, 同时研究的是开关阀的动态特性, 本研究在瞬态求解器下建立2D模型[9,10], 其模型如图2 (a) 所示, 具体尺寸参数如表2所示。

本研究给静铁芯和衔铁指定steel1010材料属性, 给绕组指定copper材料属性, 给Region和Band指定空气材料属性, 其中steel1008磁化曲线如图3所示;指定Region边界条件为Balloon;施加驱动电压12 V给绕组, 其线圈匝数根据不同分析条件设置;给Band设置运动选项, 令其运动区域为-0.499 mm~0 mm, 负载方程为14+ (3.78-Position1 000) 2;给模型设置的网格划分如图2 (b) 所示。

电磁铁磁通密度图如图4所示。从图4中可知衔铁中心位置磁通密度较低, 故可在衔铁的中心钻孔, 以减小衔铁重量。在实际中, 由于磁路的影响, 衔铁的中心开孔半径并不是越大越好。假设衔铁厚度不变, 衔铁中心半径与开关阀开启时间的关系图如图5所示。从图5中可以看出开关阀切换时间初始时随着衔铁中心开孔半径的增大而减小, 当半径增大到一定程度时 (比弹簧孔半径略大) , 开关阀切换时间反而随着衔铁中心开孔半径的增大而变大。这是因为当衔铁中心半径大于弹簧孔半径后, 若一直增大衔铁中心半径, 则处于内极柱处气隙磁阻会变大, 使电磁力减小, 切换时间变长。故研究者在对衔铁进行开孔处理时, 要对开孔半径进行综合考虑, 以获得最优化参数。根据仿真结果, 可以认为在衔铁中心开孔半径为2.2 mm左右时, 开关阀切换时间最小。

衔铁厚度对开启时间的影响 (假设衔铁中心未开孔) 如图6所示。理论上, 当衔铁的厚度h增大时, 衔铁处的磁感应强度将会变小, 从而减缓磁场在衔铁处饱和时间, 同时, 由于h增加, 将令衔铁磁阻减小, 进而使磁通量增加, 电磁力变大[10]。但在实际过程中其变化趋势如图6所示, 初始时随着衔铁厚度h的增加, 开关阀切换时间减小, 但当衔铁厚度h增加到一定程度时, 开关阀的切换时间并没有很大的提升。这主要是由于一方面衔铁厚度h的增加会导致衔铁重量的增加, 另一方面, 在一定的工作气隙、绕组、驱动电压下, 产生的磁通不会无限增加, 特别是当衔铁厚度接近或超过磁轭厚度时, 磁通基本变化不大。根据仿真结果, 在满足质量条件下, 对该阀进行优化设计时, 衔铁的厚度在2 mm以上时, 开关阀切换时间较小且随衔铁厚度变化时切换时间变化不大。

绕组匝数N对开关阀开启时间的影响如图7所示。其主要分为两种形式:一为相同的绕组截面, 不同的漆包线规格;二为相同的漆包线规格, 不同的绕组截面, 此时假设衔铁厚度h与磁轭厚度相等, 衔铁中心未开孔。针对第一种情况, 笔者所研究的是绕组圆柱体高 (h4-h2) 不变, 改变绕组圆柱体内外径差a。如图7 (a) 所示, 存在一个最优的线圈截面积, 使开关阀切换时间最短, 对于本研究所提的开关阀, 其值大概是 (r4-r2) /2, 即在3 mm左右。从图7 (b) 中可以看出, 在漆包线直径小于0.35 mm时, 开关阀开启时间与漆包线直径关系并不明显, 但当漆包线直径大于0.35 mm时, 随着漆包线直径变大, 开关阀开启时间显著增加。对于该阀, 漆包线直径为0.35 mm时, 开启时间最小。

通过仿真分析、优化参数, 获得的结构参数对比表如表3所示。根据优化后的参数进行仿真研究获得的动态响应特性对比表如表4所示。从表4中可以看出, 优化结构后的开关阀切换时间比没有优化前的切换时间降低10%以上。

本研究利用优化结果制作样阀, 根据ISO6358及FESTO FN942029电磁阀流量特性检测标准, 依托现有的开关阀流量特性测试系统, 获得的样阀阀口进口压力与流量之间的关系图如图8所示。从图8中可以看出, 在进口压力为1 bar~7 bar之间时, 开关阀的流量基本呈线性关系, 其中阀口进口压力为7 bar时, 流量为720 L/min。根据GB/T22107-2008气动方向控制阀切换时间测量, 获得样阀在进口压力为7 bar时, 其切换时间为9.5 ms。

4 结束语

本研究介绍了开关阀的基本结构, 提出了流量与电磁结构模型, 并进行了仿真实验研究。仿真结果表明, 通过对电磁铁衔铁结构与绕组参数的优化设计可以有效降低开关阀的开启时间。实验结果表明, 本研究所提出的开关阀流量大, 响应时间快, 基本满足预期设计目标。

本研究所提出的流量特性匹配关系可以为后续的开关阀阀芯结构提供一定理论指导, 本研究对电磁铁结构研究路线可以为后续的开关阀电磁铁结构设计提供一定的研究方向。

参考文献

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电磁开关阀论文 第7篇

先导式开关阀是一种方向控制阀, 在煤炭、工程机械、航空航天等行业得到较多应用。为提高先导式开关阀的通流能力与响应速度, 许多学者对此展开了研究, 文献[1]研究了一种具有两位三通先导式高速开关阀, 通过主阀与先导阀之间的参数匹配, 对主级阀芯的换向时间进行优化设计。文献[2]介绍了一种基于先导式控制原理的纯水液压电磁开关阀的结构原理、关键零件的材料选择方法, 并对所设计的开关阀进行基本性能试验。文献[3]提出一种具有失电自锁功能的二位三通高速开关阀的设计方案, 采用二级驱动的先导控制方式, 实现了大流量与高响应速度的要求。文献[4]对某航天器的先导式开关阀的工作原理进行了分析, 运用MATLAB/SIMULINK仿真得到主阀的启闭响应特性, 并进行瞬态流量试验。

本文利用AMESim软件对某先导式开关阀进行动态特性仿真, 研究了主阀芯弹簧刚度、预压缩力、阻尼孔直径及长度对开关阀启闭时间的影响。

1 先导式开关阀的工作原理

先导式开关阀主要由主阀和先导阀两部分组成, 工作时先打开先导阀, 后打开主阀, 其原理如图1 所示。

当先导阀关闭时, 压力油从P口进入主阀后腔, 经阀芯上的阻尼孔Ⅱ进入控制腔, 此时主阀后腔与控制腔压力相同, 于是主阀阀芯在弹簧力和油液静压力的作用下被紧压在阀座上, 主阀关闭;当先导阀通电打开, 经阻尼孔Ⅱ进入控制腔的压力油再经阻尼孔Ⅰ流至出口A, 由于流体流经阻尼孔产生压力降, 导致主阀后腔压力大于控制腔压力, 当压力差能克服弹簧力时, 主阀打开, 压力油从A口流出。

2 数学模型

2.1 主阀芯力平衡方程

作用在主阀芯上的力主要有流体作用力、弹性元件作用力和惯性力。由于主阀芯自重和瞬态液动力很小, 计算时可忽略, 则主阀芯只受流体静压力、稳态液动力、环形缝隙阻尼力、弹簧力和惯性力的作用。主阀芯行程范围内的力平衡方程为:

式中:M为主阀芯的质量, kg;Fj为流体静压力, N;FW为稳态液动力, N;Fg为惯性力, N;Ff为环形缝隙阻尼力, N;Ft为主弹簧力, N;x1为主阀芯位移, m;xmax为主阀芯最大行程, m。

2.2 主阀进口流量连续性方程

忽略油液压缩性的影响, 则主阀进口流量连续性方程可表示为:

式中:q1为流入主阀进口流量, L/min;qz为主阀口流量, L/min;qw为主阀芯位移流量, L/min;qk为流经主阀芯中阻尼孔的流量, L/min;qf为缝隙流量, L/min。

2.3 先导阀阀芯力平衡方程

先导阀为二位二通电磁滑阀, 先导阀阀芯采用弹簧对中, 忽略阀芯自重和瞬态液动力, 由于阀芯的2 个台肩在轴向所受流体静压力相等, 方向相反, 则轴向流体静压力为零, 因此阀芯只受电磁铁驱动力、稳态液动力、环形缝隙阻尼力、弹簧力和惯性力的作用。阀芯在行程范围内的力平衡方程为:

式中:m为先导阀阀芯质量, kg;F驱为电磁铁驱动力, N;F′t为弹簧力, N;F′w为稳态液动力, N;F′f为环形缝隙阻尼力, N;F′g为惯性力, N;x2为先导阀阀芯位移, m;x′0为弹簧预压缩量, m。

2.4 先导阀进口流量连续性方程

忽略油液压缩性的影响, 则先导阀进口流量连续性方程可表示为:

式中:q2为流入先导阀进口的流量, L/min;qx为先导阀阀口流量, L/min;q′f为环形缝隙流量, L/min。

3 AMESim仿真与结果分析

根据上述对先导式开关阀的结构及工作原理的分析, 从AMESim软件的液压元件设计库 (HCD) 中选择相应的元件, 建立某先导式开关阀的模型如图2 所示。

模型中各个元件的参数设置如表1 所示, 利用软件的批处理功能, 仿真了主阀芯弹簧刚度、主阀芯弹簧预压缩力、阻尼孔直径和长度对阀动态响应特性的影响。

3.1 主阀芯弹簧刚度对动态特性的影响

不同弹簧刚度下的启闭时间如图3 所示。

由图3 可知, 在其他条件相同的情况下, 主阀芯弹簧刚度的增大对先导式开关阀的开启时间几乎没有影响, 响应时间大约为50 ms。阀的关闭时间随弹簧刚度的增大而略微减小, 这主要是因为在弹簧预压缩量相等的条件下, 当经过阻尼孔的流量突然变为零时, 主阀后腔与控制腔的压差消失, 弹簧刚度越大, 对主阀芯的推力越大, 加速度也越大, 使得阀芯关闭过程缩短。

3.2 主阀芯弹簧预压缩力对动态特性的影响

不同弹簧预压缩力下的启闭时间如图4 所示。

由图4 (a) 可知, 随着主阀芯弹簧的预压缩力增大, 阀开启时间也增大, 在预压缩力为25 N、30 N、35 N时对应的开启时间分别为55 ms、70 ms和100 ms, 这是因为弹簧预压缩力使得主阀芯压紧在阀座上, 有阻止阀芯运动的作用, 且该力在阀芯运动过程中保持不变, 当阻尼孔两端存在压差而阀芯未运动时, 控制腔处于卸荷状态, 预压缩力的增大将使得卸荷时间增大, 因而阀开启时间增加。相反, 阀关闭时间随预压缩力的增大而减小, 其对应值分别为130 ms、95 ms和35 ms, 这主要是因为当阻尼孔两端的压差突然减小时, 弹簧预压缩力越大, 使得阀芯向阀座运动的加速度增大, 运动时间缩短。

3.3 主阀芯阻尼孔直径对动态特性的影响

不同阻尼孔直径下的启闭时间如图5 所示。

由图5 可知, 随着主阀芯阻尼孔直径的增大, 阀开启时间增大, 关闭时间则减小。在阻尼孔直径为0.8 mm、1.1 mm和1.4 mm时, 阻尼孔长度为5 mm的条件下, 开启、关闭时间分别为20 ms、35 ms、70 ms和320 ms、205 ms、95 ms。这是因为圆管流动的压力损失与管径的平方成反比, 阻尼孔直径越大, 主阀芯后腔与控制腔间的压差越小, 阀芯开启速度也越小, 因此开启时间增大。而当导阀关闭时, 直径越大的阻尼孔对流体的阻滞作用越小, 使得控制腔压力上升越快, 压差消失所需时间越小, 关闭时间缩短。

3.4 主阀芯阻尼孔长度对动态特性的影响

不同阻尼孔长度下的启闭时间如图6 所示。

由图6 (a) 可知, 阻尼孔长度的增大对阀芯开启时间影响很小, 长度为5 mm和7 mm时主阀的流量曲线几乎重合, 增大阻尼孔长度能减小出口流量脉动。从图6 (b) 可以看出, 随着阻尼孔长度的增大, 阀芯关闭时间也相应增大, 这主要是因为阻尼孔长度越大, 流体流入控制腔所需时间增大, 使得控制腔压力升高变慢, 阀芯将延迟运动, 关闭时间增大。

4 结论

(1) 主阀芯弹簧刚度、阻尼孔长度对先导式开关阀的开启特性影响很小, 增大阻尼孔长度能减小出口流量脉动。随着主阀芯弹簧预压缩力和阻尼孔直径的增大, 阀的开启时间增大。

(2) 阀的关闭时间随主阀芯弹簧刚度的增大而略微减小, 增大主阀芯弹簧预压缩力、阻尼孔直径能显著缩短关闭时间, 而增大阻尼孔长度使得关闭时间也增大。

参考文献

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