新型電磁閥流通特性研究

楊揚(yáng)

(晉中職業(yè)技術(shù)學(xué)院車輛工程學(xué)院，山西晉中 030060)

0 引言

由于某企業(yè)研發(fā)生產(chǎn)的高通過性越野車，特殊的工作狀況使得車輛需要連續(xù)不斷地長(zhǎng)時(shí)間在惡劣環(huán)境下運(yùn)行，所以對(duì)整車性能的穩(wěn)定性要求極高。而該企業(yè)研發(fā)的某型號(hào)特種高通過性越野車，在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中變速器換擋時(shí)存在異常響動(dòng)，同時(shí)換擋不能順利完成的故障。針對(duì)這一故障現(xiàn)象，本文作者研發(fā)出一種適合于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的換擋電磁閥[1]，并有效解決企業(yè)研發(fā)車輛存在的問題，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間實(shí)際行車中，故障現(xiàn)象沒有再次發(fā)生。故通過解決上述問題，將研究方法和產(chǎn)品進(jìn)行描述；同時(shí)也為了滿足國內(nèi)市場(chǎng)高通過性車輛對(duì)液壓元件的特殊需求，以及提供一種液壓元件設(shè)計(jì)和指導(dǎo)方法。文中主要基于AMESim軟件及數(shù)值模擬的方法，來研究換擋電磁閥的動(dòng)態(tài)特性，從而對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化處理[2]。

1 設(shè)計(jì)說明

文中研究的電磁閥屬于一款市場(chǎng)上比較常見的兩位三通閥，其實(shí)現(xiàn)的功能也是簡(jiǎn)單的開啟和閉合[2]，但是在結(jié)構(gòu)上和市場(chǎng)上的換向閥存在很大不同之處，其結(jié)構(gòu)方面擁有新穎和獨(dú)創(chuàng)性[1]。

根據(jù)某企業(yè)研發(fā)生產(chǎn)的特種設(shè)備車輛，主要考慮到安裝位置的特殊和局限性，以及其工作特殊性的要求，提出如下設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

(1)換向時(shí)間應(yīng)小于40 ms；

(2)整個(gè)系統(tǒng)在3.2 MPa工作時(shí)，測(cè)試得到的泄漏量應(yīng)在15 mL/min以內(nèi)；

(3)整個(gè)液壓工作時(shí)規(guī)定流量為3.0 L/min時(shí)，測(cè)試得到的壓差應(yīng)該在0.25 MPa以內(nèi)；

(4)總質(zhì)量應(yīng)小于500 g，同時(shí)在結(jié)構(gòu)方面也有嚴(yán)格的要求，否則無法安裝。

2 電磁閥的結(jié)構(gòu)

針對(duì)某企業(yè)研發(fā)生產(chǎn)的特殊高通過性越野車輛工作特殊性，以及經(jīng)常和長(zhǎng)時(shí)間行駛在惡劣的道路環(huán)境；同時(shí)考慮到與其他液壓元件的協(xié)調(diào)性和安裝位置，設(shè)計(jì)出來的電磁閥結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 換擋電磁閥結(jié)構(gòu)

3 選定最佳運(yùn)動(dòng)參數(shù)

3.1 HCD模型

為了更好地研究該閥來解決特殊車輛換擋的不穩(wěn)定性，在充分解讀和剖析實(shí)際車型上換擋閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)，集合需要解決的問題對(duì)其進(jìn)行了合理簡(jiǎn)化處理。

這種結(jié)構(gòu)的閥主要有磁極、閥身及球型芯三部分；其工作過程為沒有接通電源時(shí)，球閥閥芯8在內(nèi)部螺旋彈簧2的強(qiáng)制壓力下球閥與閥座緊緊貼合，這個(gè)時(shí)候工作介質(zhì)只能流向油箱中；當(dāng)磁極通電時(shí)產(chǎn)生吸力將彈簧力消除，球閥閥芯在液動(dòng)力作用下處于開啟狀態(tài)，此時(shí)工作介質(zhì)可以通過P到達(dá)A，這個(gè)時(shí)候回油口T關(guān)閉[5]。最終確定HCD模型如圖2所示。

圖2 HCD電磁換擋閥模型

3.2 原始參數(shù)

液壓閥原始參數(shù)見表1。

表1 液壓閥原始參數(shù)

3.3 流通特性研究

對(duì)于液壓元件的流通能力，可以通過進(jìn)出口的壓差損失來反應(yīng)，壓差損失越小流通能力越好，閥的性能也越好[6],壓差損失特性如圖3所示。

圖3 壓差損失特性

3.3.1 進(jìn)油口流量與流通特性關(guān)系

車輛最初設(shè)計(jì)為2.8 L/min，現(xiàn)在探究流量為2.4、2.8、3.2 L/min流量下進(jìn)出口壓強(qiáng)特性，仿真數(shù)據(jù)如圖4和圖5所示。

圖4 流量對(duì)出口端壓力的影響

圖5 流量對(duì)進(jìn)口端壓力的影響

由圖可知，2.4 L/min壓力損失為0.139 855 MPa；2.8 L/min壓力損失為0.190 729 MPa；3.2 L/min壓力損失為0.249 068 MPa。由圖還可以看出：系統(tǒng)壓強(qiáng)差隨著進(jìn)口流量的增加，壓差也在逐漸增大，達(dá)到一定程度時(shí)趨于穩(wěn)定狀態(tài)，表明隨著流量的增大閥的流通能力逐漸降低。

通過以上對(duì)不同進(jìn)口流量數(shù)據(jù)可以看出，進(jìn)油口流量對(duì)閥的整體性能有明顯的影響，所以在設(shè)計(jì)過程中要選擇合理的流量來提升整體閥的流通性能。

3.3.2 進(jìn)油口直徑與壓差特性關(guān)系

探究了不同進(jìn)油口直徑對(duì)壓差特性的影響，分別對(duì)直徑為1.6、2.0、2.4 mm進(jìn)行模擬分析，結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 進(jìn)油口直徑對(duì)出口端壓力的影響

圖7 進(jìn)油口直徑對(duì)進(jìn)口端壓力的影響

通過批處理得到的模擬結(jié)果可以看出：進(jìn)油口直徑是1.6 mm 時(shí)，進(jìn)油口與出油口壓差為0.364 686 MPa；進(jìn)油口直徑是2.0 mm時(shí)，進(jìn)油口與出油口壓差為0.190 611 MPa；進(jìn)油口直徑是2.4 mm時(shí)，進(jìn)油口與出油口壓差為0.090 716 MPa。

在以上得到的數(shù)據(jù)圖中可以看出：壓力損失隨著進(jìn)油口直徑增大反而降低，進(jìn)油口直徑與壓差呈負(fù)相關(guān)，說明進(jìn)油口直徑越大閥的流通性能越好[7]。

3.3.3 閥芯直徑對(duì)壓力損失性能的影響

以下探究球閥閥芯直徑和壓差特性的關(guān)系，分別對(duì)閥芯直徑為2.6、3.0、3.4 mm進(jìn)行仿真分析,結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 閥芯直徑對(duì)出口端壓力的影響

圖9 閥芯直徑對(duì)進(jìn)口端壓力的影響

由圖可以看出，其中球閥閥芯直徑為2.6 mm時(shí)仿真提示邏輯性錯(cuò)誤，也就是這個(gè)參數(shù)不符合設(shè)計(jì)要求仿真無意義；球閥閥芯直徑是3.0 mm時(shí)，進(jìn)油口與出油口之間壓差為0.194 408 MPa；當(dāng)球閥閥芯直徑是3.4 mm時(shí)，進(jìn)油口與出油口之間壓差為0.086 764 MPa。

從以上批處理仿真得到的數(shù)據(jù)可以看出：在球閥設(shè)計(jì)時(shí)一定要符合設(shè)計(jì)要求，否則閥在運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)機(jī)械故障；壓差特性隨著閥芯直徑的增大而降低，可見壓差特性與球閥直徑呈負(fù)相關(guān)，在一定范圍內(nèi)球閥直徑越小流體性能越好。

4 結(jié)論

文中分別探究了進(jìn)油口流量與壓差特性之間的關(guān)系，進(jìn)油口直徑與壓差特性之間的關(guān)系，球閥直徑與壓差特性之間的關(guān)系。從模擬得到的數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，進(jìn)油口流量與壓差呈正相關(guān)，進(jìn)油口直徑與壓差呈負(fù)相關(guān)，球閥直徑與壓差呈負(fù)相關(guān)。通過以上得到的模擬結(jié)果以及結(jié)論，可以為今后同類產(chǎn)品研發(fā)給出指導(dǎo)[8]。