某脉宽调制数字快速电磁阀方案设计及仿真研究

某脉宽调制数字快速电磁阀方案设计及仿真研究

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。