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气动调节球阀新闻
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某脉宽调制数字快速电磁阀方案设计及仿真研究

[来源:原创] [作者:无锡科莱恩流体控制设备有限公司] [日期:15-08-15] [点击:]

摘要:脉宽调制数字快速电磁阀作为重要的电液转换元件,在燃油控制系统的作用日益突出。针对断电常开型快速电磁阀的需求,开展断电常开型脉宽调制数字快速电磁阀的方案设计及仿真研究,并通过工程验证使该脉宽调制数字快速电磁阀的设计方案得到优化。

0.概述

航空发动机燃油控制系统的控制方式,已由原机械液压控制调节方式向电子控制调节方式发展,其核心关键是机电液转换元件。

近年来,由于脉宽调制数字快速电磁阀(以下简称快速电磁阀)在航空发动机燃油控制中的广泛使用,其经常被作为航空发动机燃油调节系统的执行部件。快速电磁阀多采用脉宽调制(PWM)来控制,利用脉冲占空比的变化来调节阀口开关的时间,使得快速电磁阀能像其它数字流量电磁阀一样,对燃油流量进行连续的控制。虽然普通的电磁阀也具有同样的数字开关特征,但是普通的电磁阀响应特性较慢,而快速电磁阀体积小、重量轻、响应速度快、稳定性好、控制精度高。

本文以某喷口加力调节器用快速电磁阀的需求为研究背景,进行了快速电磁阀方案设计及仿真工作,并对断电常0开型快速阀的设计方案进行了优化。

1.工作原理分析及结构设计方案

1.1 电磁阀结构及工作原理
高速数字电磁阀作为航空发动机电子控制系统的电液转换装置,是电子控制器的关键执行元件(见图1)。主要工作原理为:在断电情况下,挡板活门在铁芯弹簧力作用下关闭活门座,电磁阀进口和出口处于关闭状态;当线圈通电时,电磁力克服铁芯弹簧力使活门座打开,使电磁阀进口和出口处于相通状态,属于断电关闭型阀门


图1 某定型快速阀结构图
注:1-活门座2-活门弹簧3-挡板活门4-铁芯顶头5-铁芯弹簧
该快速电磁阀采用“喷嘴-挡板”结构,其优点是技术成熟,加工容易实现,耐污染能力好,但结构不紧凑,长时间使用挡板磨损严重,且不满足航空发动机使用中断电长开的要求,需要对该电磁阀进行适当改进。

1.2 改进结构设计方案
根据喷口加力调节器工作需要,新研制快速电磁阀(以下简称阀2)属于断电常开型电磁阀,与阀1工作原理刚好相反,具体结构方案如下:

在假设电气部分结构参数不变的情况下,参考阀1结构原理图,采用球阀密封结构。球阀的优点是容易密封、行程小、动作灵敏,切换时间短;在一定开度和雷诺数变化范围内,球阀有较稳定的流量系数(Cq≈0 9~1.0),且不易出现流量饱和现象。阀2壳体组件和线圈组件与阀1相同,具体结构见图2。
图2 改进后结构图


注:1-钢球2-油嘴3-铁芯顶杆4-铁芯弹簧
工作原理:在线圈未通电时,铁芯弹簧的预紧力使铁芯顶杆推开钢球一定的间隙,燃油从进口通过滤网进入钢球和油嘴的间隙,从出口流出。当线圈通电时,电磁力和油压力共同克服铁芯弹簧预紧力,钢球封闭油嘴,油路关闭。

1.2.1 油嘴的设计
(1)根据最大流量Q=1800ml/min,计算流通面积:


得出:S=0.684mm2

(2)油嘴的设计
油嘴的结构设计图见图3。


图3 油嘴的结构图

选用φ3的钢球,计算阀口流通面积:


得出:R≥3.14mm
图纸设计时R=3.5mm
钢球的直径为φ3,推杆的直径设计为d1=1.2
计算油嘴的出口流通面积:

得出d=1.52mm

1.2.2 钢球所受的油压力计算


阀1装配位置的弹簧力F=6±0.4N
因此,在电气参数不变的情况下,采用结构改进设计方案能够实现产品功能要求。

2.建模与仿真

根据结构改进设计方案,快速电磁阀的主要组成有:壳体组件、线圈组件、铁芯组件、滤网组件、油嘴、钢球等。

2.1 建立数学模型
在AMESim中建立的占空比-流量模型见图4。
 

图4 脉宽调制数字快速电磁阀AMESim模型
第1部分:脉宽调制数字快速电磁阀的占空比S信号输入,输入值范围在0~1之间,单位是1,如下图5所示。


图5 脉宽调制数字快速电磁阀占空比输入信号范围
第2部分:利用函数关系式模拟脉宽调制数字快速电磁阀内部铁芯线圈结构,得到快速电磁阀的工作特性(因脉宽调制数字快速电磁阀内部的铁芯线圈结构较复杂,利用AMESim模型搭建较困难,且精度难以保证,故用公式f=4×S(1-S)f0,f0=40Hz是S=0.5时频率来代替)。

第3部分:脉宽调制数字快速电磁阀内部的球阀结构。在该模型中参数根据实际进行设置,铁芯位移0.3mm、油嘴孔径1.52mm、进、出口油压差1.8MPa。

2.2 仿真结果
从表1快速阀占空比-流量仿真曲线可以看出:在占空比为S=0,Q=1815.5mL/min;S=20%,Q=1439.4mL/min;S=50%,Q=908.6mL/min;S=20%,Q=362mL/min时,仿真流量结果与设计流量完全一致。

表1 快速电磁阀占空比-流量仿真曲线
3.工程验证及结论

为了进一步验证断电常开型快速电磁阀工作可靠性,将改进后电磁阀配装某喷口加力调节器开展了200小时寿命摸底试验,调节器各项性能均能满足要求。寿命试验结束后,分解检查电磁阀,钢珠等零件没有出现异常。改进设计的快速电磁阀完全满足喷口加力调节器工作要求。

文章链接:/jsxw/1186.htm

 

 

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