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物理杂志：会议系列
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柱塞与插塞连接处带弹簧的电磁阀分析
摘要
电磁阀在工程领域的广泛应用，使其通过优化设计来提高效率成为迫切需要解决的问题。本文的目的是通过一个柱塞和一个塞子在运动链上的关节处对电磁阀的效率进行检测。为实现主要目标，制定并考虑了这两个问题:将电磁阀的运行作为单独的阶段进行分析;对阀门的电磁特性进行了实验研究，并比较了具有相同特征的经典电磁阀的蓄能弹簧。考虑了蓄能弹簧的设计和原理。阐述了具有累计弹簧的电磁阀的动力学方程，并将其考虑到阀门开启时的压降。累积弹簧刚度方程是与由流体压力所产生的抗压强度成正比。对带有累计弹簧的阀门进行的实验研究结果表明，线圈中的电流对所有运行环境压力值都是线性的。使用累积弹簧可以减少电力需求。
- 简介
传统电磁阀可以被定义为一种装置，在这种装置中，由于电磁力的作用，柱塞会发生运动，而柱塞与插头刚性连接。这种阀门广泛应用于许多工程领域。近年来，电磁阀被越来越多地用于内燃机而不是凸轮齿轮[1,2]。
具有控制阀的工业系统的性能和运行可靠性受到这些电磁阀特性的极大影响[1,3]。
电磁阀执行机构的几何尺寸和能量消耗是其运行可靠性和性能的重要特点，是阀门本身和控制对象的性能指标。因此，对直接作用阀的几何尺寸和能量消耗的电磁执行器进行优化是一个重要的问题。
这里有许多关于电磁阀优化领域的研究论文，它们围绕着电磁阀在不同技术设备上的应用而浮动[1,3,4]。此外，阀门执行机构通常是一个电磁体，它是优化的目标。目前，电磁致动器在机械电子学中的应用越来越受到重视[5,6]，对电磁执行机构在给定螺线管加热条件下，对每单位工作时使用材料重量较低的研究提出了迫切的要求[6]。
在寻找工程计算技术方面[4,7,8]和优化设计中，确定电特性与几何参数之间的关系是一个重要的问题。在不改变阀门尺寸的情况下，优化提供了低功耗的方法。它是基于一个柱塞和一个塞子[9]在运动链上的累计弹簧的应用。这样的阀门我们将用一个累计弹簧来控制电磁阀。
2、问题陈述
本文旨在分析在运动链中具有累积弹簧的电磁阀与柱塞和插头的接头。 为了实现主要目标，制定并考虑了以下问题：
1、电磁阀的独立运行阶段分析；
2、阀门的实验研究。具有相同电磁阀特性的累积弹簧阀电磁特性的比较。
2.1. 设计分析
具有累积弹簧的经典电磁阀和阀的基本方案由两部分组成（见图1），不考虑设计和整体尺寸。
第一部分是一个阀门。 阀体5具有入口通道10和出口通道9，出口通道9具有与插塞7重叠的阀座8。插塞7设置有复位弹簧6并与连接到柱塞3的杆4连接。
第二部分是一个电磁铁，通过该电磁铁将阀门转换到打开位置。 电磁铁包括磁芯1，线圈2和柱塞3。
在连杆4和柱塞3之间连接有累计弹簧的电磁阀。连接有线性弹性元件 - 弹簧。通常，累积弹簧可以以任何弹簧元件的形式有效地存储变形能量。
图1示出了不同于传统电磁阀的电磁阀，所述电磁阀包含累计弹簧13、铲斗11和连接到杆4的尾架12。
累计弹簧13被放置在斗11中并设置为使其包围杆4。此外，它的一端靠尾架12。铲斗11和柱塞3刚性连接。
图1、具有累计弹簧的电磁阀的基本方案
1磁芯；2线圈；3柱塞；4杆；5阀体；6回弹簧；7插塞；8阀座；9出口通道；10进口通道；11铲斗；12尾架；13累计弹簧。
传统的电磁阀的操作是向线圈2提供电流以使阀打开，使插头7从阀座8移出（移出）。因此而产生电磁力。 柱塞3通过杆4将其传递到插塞7。当电磁力超过外部负载(反作用力)时，由于重叠区域的压力和回弹弹簧的压力，将插塞7与阀座8分开。 此外，柱塞3、杆4和插塞7以柱塞全行程最大的值移动到磁芯1。当来自线圈2的电流被切断时，插塞7被设置在初始位置并且 在复位弹簧6的作用下与阀座8重叠。让我们满意的经典的阀门开启过程发生在每个阶段。
该电磁阀的开启过程是在几个阶段完成的。现在我们为图1所示的设计定义了这些阶段。
随着电流供给线圈，电磁力在第一阶段产生。力使柱塞和铲斗移动它们之间的气隙值delta;s（累积弹簧应变的值）。同时，电磁铁克服了累计弹簧的弹性弹簧力。累积弹簧在电磁力作用下积累变形势能。第一阶段结束了。
当达到累积弹簧最大的变形程度时，柱塞行程在第二阶段达到值delta;s。它导致电磁力的显著增长，足以将插塞7与阀座8分开并打开阀门。假定累积弹簧处于压缩状态。在阀门全开之前，插塞和阀座之间的距离小于弹簧累积变形值。第二阶段结束了。
在第三阶段中，插塞相对于阀座移动到给定位置是由于累积弹簧变形的势能转化为插塞的动能。
当来自线圈的电流被切断时，柱塞在复位弹簧的作用下返回到初始位置，并且插塞与阀座重叠。
2.2. 实验过程
通过在不同的操作环境压力下对阀门通电，可以对电磁阀的各种设计进行阀门分析。 直动式常闭阀门 - 具有不同阀门流通面积（II，III）的传统电磁阀和具有累积弹簧（I）的阀门 - 具有表1中所示的技术特性。
阀门I和II的电磁铁适用于有直径0.8 mm和压力24·10^5Pa的阀门。电磁铁III是用于阀座直径为1mm，压力为54·10^5 Pa的阀门。阀门I、II和III的流动面积被修改为9毫米的阀座直径，即所有测试的阀门设计与阀座直径为9毫米相同。这样的阀座直径不是这三个电磁阀阀门的额定通径。
阀门I和阀门II的特性相同。 柱塞与阀门I中的插塞的连接具有累积弹簧，如图1所示。
表1. 试件规格(电磁阀)
|
电磁铁质量千克 |
线圈电阻 欧姆 |
柱塞直径 毫米 |
阀流通面积的直径 毫米 |
柱塞行程 毫米 |
直流电压 伏特 |
|
带有累计弹簧的阀门 |
|||||
|
0.2 |
75 |
14 |
9 |
6 |
27 |
|
传统的阀门1 |
|||||
|
0.2 |
75 |
14 |
9 |
6 |
27 |
|
传统的阀门2 |
|||||
|
1.2 |
50 |
22 |
9 |
6 |
27 |
在第一组测试中，当阀打开并且操作环境的压力从2·105Pa至106Pa时，将当前水平的电磁阀I与阀II的电流水平进行比较。
在第二组测试中，比较阀I和III。
操作环境压力和阀门响应时间是基本参数。
实验设备相当于一个测试台，它有一个压缩机、一个气动管道、一个压力计、管件、测试阀、电线、一个直流电源、一个电流表和一个从直流电源供应到测试阀线圈的电流开关。
图2.实验设备
通过从按下电流供应按钮到插头移动开始时的观察，测量阀门响应时间（从电流供应到线圈到插头分离时刻）。
3、理论
3.1. 柱塞动态方程
让我们考虑图1中设计的柱塞动态。在功能柱塞上存在以下力：
- 通过移动柱塞质量产生的惯性力;
- 与座位面积S和压力成比例的操作环境的反作用力
入口和出口通道之间的差值Delta;P;
- 累积弹簧和复位弹簧的弹性弹力;
- 干摩擦力;
- 粘性摩擦力。
直动阀的特点如下
其中x - 柱塞行程; m - 移动部件的质量; F - 移动力; P1（2） - 入口和出口通道流体的压力; S1（2） - 入口和出口区域; - 粘性摩擦力; - 干摩擦力; krs - 复位弹簧的弹性系数; F0rs - 由初始复位弹簧组产生的力。
具有累积弹簧的电磁阀的等式（1）在考虑阀打开时的压降的情况下如下写出：
其中 Fe - 电磁力; kas--累积弹簧的弹性系数，F0as--由初始累积弹簧所产生的力; rho;（x） - 考虑阀门打开时的压降的函数。 当函数等于1时，函数的最大值没有出现任何压降，系统处于平衡状态。
以下公式描述电磁力[6]
为了计算电磁铁在不同阶段的运行时间，我们将使用方程（2）
其中v - 线速度。
让我们考虑经典电磁阀第一阶段电磁阀的动态特性，以及电流供给后有累计弹簧的阀的动态特性。 在电磁铁启动前，由于环境压力和复位弹簧的作用力，柱塞处于静止位置。 此外，当rho;（x）= 1时，速度和加速度分量，干摩擦力和粘性摩擦力等于零。对经典电磁阀使用方程（2），我们得到静力学平衡方程
其中xmax - 柱塞行程的最大值。
具有累积弹簧的电磁阀的静态平衡方程可写为：
其中。
公式（3）意味着柱塞的运动从克服由流体压力和复位弹簧引起的力开始，而公式（4）表明柱塞的运动从克服累积弹簧产生的力开始。
3.2. 累积弹簧刚度
由（3）和（4）可以定义由流体压力和最大弹性累积弹簧变形delta;s产生的给定阻力的累积弹簧刚度可以表示为：
对于x =delta;s，即如果阀门被激活，累积弹簧刚度可以写为：
4、实验结果
第一组测试表明经典电磁阀II的线圈中的电流从0.65A变为1.6A，然而，并非是对应所有的压力值。当压力为1·10^6帕时，阀门未打开。 带有累计弹簧的阀门I中的电流对任何压力均为0.4 A，该电流已针对所有压力值运行。
阀门II对于压力2·10 ^5Pa的阀门响应时间为0.36秒，对于所有其他压力值，阀门响应时间超过8秒。 随着操作环境的压力增长，阀门I的阀门响应时间从0.16s变为0.8s。
经典电磁阀III的线圈电流值在第二组测试中确定。 测试的电流从0.3A变为0.65A。 阀门III的阀门响应时间从0.56秒变为1.44秒。 然而阀门响应时间不是针对任何操作环境的压力而确定的。
经典电磁阀的电流变化对于所有操作环境压力值都是线性的。 尽管对于具有累积弹簧的电磁阀，对于所有压力值而言，其是恒定的并且等于0.4A。 阀门响应时间随着压力的增加而增加。
5、讨论结果
在理论部分，提出了有累积弹簧阀的柱塞运动模型。累积弹簧阀的动力学方程与传统弹簧阀的动力学方程不同，具有运行时相。相位的分离是由阀门操作的非线性引起的，而阀门操作又是由运动质量变化所产生的。第一阶段是柱塞质量，第二阶段是柱塞的质量和带插塞的杆。
改进后的模型考虑了阀门开启时的压降。这是必要的，因为必须考虑的在第一阶段和第二阶段之间为系统的状态留出余地。考虑到阀门的操作，可以确定一个累计弹簧刚度，根据柱塞行程、线圈参数和操作环境压力值，找到适用于阀门的弹簧。
在柱塞和塞子的连接处，考虑到电磁阀的动态方程，可以确定电磁阀运行的各个阶段的时间。进一步研究的主要目的是为每一阶段的操作制定电磁铁能量方程。此外，进一步的研究表明电参数与几何阀门尺寸之间的相关性。
所获得的实验数据如表二所示，可以用来评价电磁阀比较的结果:传统的阀门和带有累计弹簧的阀门。
|
表2.实验结果（线圈电流，А） |
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|
电磁阀 |
|||
|
操作环境压力，Pa |
带有累计弹簧的阀门 |
传统的阀门1 |
传统的阀门2 |
|
2·10^5 |
0.4/0.16 |
0.65/0.36 |
03/0.56 |
|
3·10^5 |
0.4/0.32 |
0.85/8.00 |
0.37/- |
|
4·10^5 |
0.4/- |
0.95/- |
0.45/- |
|
5·10^5 |
0.4/0.72 |
1.0/15.6 |
0.47/- |
|
6·10^5 |
0.4/0.76 |
1.14/- |
0.5/1.12 |
|
7·10^5 |
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