何志壯， 葉 騫

(1.上海交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 上海 200240； 2.中國(guó)科學(xué)院 上海天文臺(tái)射電天文科學(xué)與技術(shù)研究室， 上海 200030)

引言

脈沖袋式除塵器自20世紀(jì)50年代問(wèn)世以來(lái)，已經(jīng)取得了很大的發(fā)展，在工程上具有廣泛的應(yīng)用，尤其在尾氣清灰處理方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值[1]。電磁脈沖閥是袋式除塵器的重要部分。國(guó)內(nèi)對(duì)于脈沖閥的研究主要包括流量特性、清灰性能、清灰機(jī)理、閥片有限元分析等方面，均取得了不少的研究成果[2-5]。電磁脈沖閥涉及機(jī)械、電磁、氣動(dòng)等領(lǐng)域， 氣路結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，難以從理論公式對(duì)脈沖閥進(jìn)行分析和改進(jìn)。本研究基于已有的高速開(kāi)關(guān)閥、比例閥等電磁閥的AMESim系統(tǒng)仿真模型[6-9]，以某公司提供的脈沖閥產(chǎn)品為研究對(duì)象進(jìn)行系統(tǒng)建模，并且基于該系統(tǒng)模型應(yīng)用雙壓控制策略進(jìn)行了仿真改進(jìn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以此建立了一套以仿真實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的性能改進(jìn)方案。

1 電磁脈沖閥結(jié)構(gòu)和原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)

電磁脈沖閥的主要結(jié)構(gòu)由主閥、先導(dǎo)閥、膜片、閥體以及相應(yīng)連接固定零件組成，工作介質(zhì)為空氣。與普通電磁閥相比，脈沖閥的特點(diǎn)在于通過(guò)先導(dǎo)閥內(nèi)較小的電磁吸力來(lái)控制主閥上下腔形成較大壓差，從而快速開(kāi)啟閥口，進(jìn)而可以同時(shí)滿足高壓、大流量等工況要求，先導(dǎo)膜片式電磁脈沖閥結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.極靴 2.線圈 3.先導(dǎo)閥復(fù)位彈簧 4.先導(dǎo)閥閥芯 5.節(jié)流孔 6.主閥復(fù)位彈簧 7.主閥組件與膜片

1.2 工作原理

脈沖閥噴吹過(guò)程的工作原理[10]：在脈沖閥噴吹控制儀的作用下，先導(dǎo)閥的線圈通電，線圈產(chǎn)生電磁吸力克服先導(dǎo)閥復(fù)位彈簧的預(yù)緊力，驅(qū)動(dòng)先導(dǎo)閥閥芯運(yùn)動(dòng)至開(kāi)啟狀態(tài)。此時(shí)主閥芯上腔與大氣連通，壓力迅速下降，在膜片兩側(cè)形成了上部分低氣壓下部分高氣壓的壓力分布。在上下壓差形成的壓力大于主閥膜片組件受到的復(fù)位彈簧預(yù)緊力和其他阻力的情況下，主閥開(kāi)始向上運(yùn)動(dòng)直至主閥完全打開(kāi)，進(jìn)口氣流向出口流出，開(kāi)啟噴吹過(guò)程；當(dāng)控制信號(hào)斷開(kāi)，線圈斷電時(shí)，電磁吸力消失，先導(dǎo)閥閥芯在復(fù)位彈簧的作用下復(fù)位形成密封，先導(dǎo)閥閥芯關(guān)閉。入口氣體通過(guò)節(jié)流孔持續(xù)流入主閥上腔使得氣壓不斷升高至膜片上下壓力恢復(fù)平衡。于是，主閥膜片組件受彈簧力影響下降，主閥關(guān)閉，進(jìn)口氣流被隔開(kāi)，噴吹過(guò)程結(jié)束。

2 電磁脈沖閥數(shù)學(xué)模型

先導(dǎo)式電磁脈沖閥動(dòng)態(tài)特性的影響因素包含電磁變化、機(jī)械運(yùn)動(dòng)、氣體流動(dòng)。為便于計(jì)算，提出以下假設(shè)條件[6]：

(1) 忽略內(nèi)部傳熱過(guò)程；

(2) 流體為理想氣體；

(3) 所有非工作氣隙磁阻等效為1個(gè)磁阻。

2.1 電磁模型

先導(dǎo)閥的驅(qū)動(dòng)電路方程按式(1)計(jì)算：

(1)

式中,U—— 線圈兩端的電壓，V

I—— 線圈通過(guò)的電流，A

R—— 線圈電阻，Ω

N—— 線圈匝數(shù)，T

t—— 通電時(shí)間，s

φ—— 磁通量，Wb

根據(jù)安培環(huán)路定律，可得出磁路數(shù)學(xué)模型，見(jiàn)式(2)：

IN=φδRδ+HBLB

(2)

式中，φδ—— 氣隙的磁通量，Wb

Rδ—— 氣隙磁阻，Ω

HB—— 磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m

LB—— 磁路長(zhǎng)度，m

根據(jù)麥克斯韋吸力計(jì)算公式，先導(dǎo)閥銜鐵受到的電磁吸力表達(dá)式為式(3)：

(3)

式中，S—— 氣隙處的銜鐵面積，m2

μ0—— 真空磁導(dǎo)率，H/m

2.2 運(yùn)動(dòng)模型

1) 先導(dǎo)閥運(yùn)動(dòng)模型[6]

根據(jù)牛頓第二定律，先導(dǎo)閥吸合和釋放過(guò)程中閥芯的運(yùn)動(dòng)方程為：

(4)

式中，md—— 先導(dǎo)閥閥芯質(zhì)量，kg

Fdc—— 電磁吸力，N

F0—— 彈簧預(yù)緊力，N

Fx—— 彈簧力，N

Ff—— 摩擦力，N

Fq—— 壓差造成的壓力，N

2) 主閥運(yùn)動(dòng)模型[6]

主閥開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程中閥芯的運(yùn)動(dòng)方程為：

(5)

式中,mz—— 主閥芯質(zhì)量，kg

Fqy1，F(xiàn)qy2—— 開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程中的壓差力，N

Fz0—— 主閥彈簧的預(yù)緊力，N

Fzx—— 主閥彈簧的工作力，N

Ff—— 摩擦力，N

2.3 氣路模型

先導(dǎo)膜片式電磁脈沖閥包含主閥膜片組件的上下腔和先導(dǎo)閥閥芯上下腔。主閥膜片組件的上下腔由膜片上的節(jié)流孔相連，導(dǎo)閥閥芯上下腔通過(guò)導(dǎo)閥芯與導(dǎo)閥底座閉合隔開(kāi)。導(dǎo)閥上腔通過(guò)閥芯與導(dǎo)向管之間的間隙與主閥上腔的管道連通，各氣腔內(nèi)氣體的狀態(tài)變化微分方程如下[6]：

(6)

式中，ρ—— 介質(zhì)氣體的密度，kg/m3

T—— 閥內(nèi)氣體的溫度，K

p—— 氣體壓力，MPa

h—— 閥內(nèi)氣體的焓，J

hin，hout—— 流入和流出氣腔的氣體焓，J

Qin，Qout—— 流入和流出氣腔的氣體流量，kg/s

m—— 氣體的質(zhì)量，kg

x—— 閥芯位移，m

V—— 氣腔體積，m3

A—— 氣腔截面積，m2

3 系統(tǒng)模型建立和仿真結(jié)果驗(yàn)證

3.1 系統(tǒng)模型的建立

AMESim是液壓氣動(dòng)領(lǐng)域常用的建模仿真軟件，其優(yōu)點(diǎn)在于具備多領(lǐng)域的元件模型庫(kù)，通過(guò)各領(lǐng)域不同功能的模塊相組合，能方便、準(zhǔn)確地建立起涉及多領(lǐng)域的系統(tǒng)仿真。先導(dǎo)式電磁脈沖閥的仿真涉及電磁、機(jī)械、氣路等多領(lǐng)域模型，本研究使用AMESim軟件來(lái)完成先導(dǎo)膜片式電磁脈沖閥的系統(tǒng)仿真模型建立，系統(tǒng)模型如圖2所示。

圖2 先導(dǎo)膜片式脈沖閥仿真模型

由圖2可知，此系統(tǒng)仿真模型包含了氣動(dòng)、電磁、機(jī)械、信號(hào)等模型庫(kù)，系統(tǒng)用到的主要子模型見(jiàn)表1，根據(jù)具體結(jié)構(gòu)和工況設(shè)置的參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 先導(dǎo)膜片式脈沖閥主要子模型

表2 先導(dǎo)膜片式脈沖閥參數(shù)

3.2 仿真結(jié)果驗(yàn)證

在建立了脈沖閥的系統(tǒng)仿真模型后，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)仿真模型的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)裝置的原理圖如圖3所示，脈沖閥實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的測(cè)試臺(tái)如圖4所示。

1.氣源和過(guò)濾器 2.調(diào)壓閥 3.進(jìn)氣控制閥 4.等溫容器 5.脈沖閥

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法采用等溫容器放氣法[11]對(duì)脈沖閥進(jìn)行流量特性測(cè)試，并設(shè)定仿真的系統(tǒng)模型與實(shí)驗(yàn)條件一致，以等溫容器內(nèi)氣壓曲線為參考目標(biāo)，通過(guò)調(diào)整模型中脈沖閥前后測(cè)壓管的直徑長(zhǎng)度來(lái)替代等效流阻以修正仿真結(jié)果。

從脈沖閥的結(jié)構(gòu)上可以初步判斷該款脈沖閥流量較大，根據(jù)ISO 6358等溫容器放氣法的標(biāo)準(zhǔn)要求，填充的換熱材料為銅絲，直徑為50 μm，填充密度為0.3 kg/L[12]。如圖4所示，在等溫容器和脈沖閥之間以及脈沖閥出口與大氣之間均有連接測(cè)壓管，用于保證脈沖閥進(jìn)出口氣壓測(cè)量時(shí)處于穩(wěn)定狀態(tài)。圖中的壓力傳感器3，4分別測(cè)量容器內(nèi)氣壓p1和出口氣壓p3，由于容器內(nèi)氣壓在等溫容器放氣法中可用于計(jì)算流量，出口氣壓為改進(jìn)的目標(biāo)參數(shù)，因此該兩處的氣壓測(cè)量對(duì)精度要求較高，所選傳感器型號(hào)為 DRUCK-PMP4010，測(cè)量范圍為0～1 MPa，測(cè)量精度為0.05%。壓力傳感器5用于測(cè)量脈沖閥進(jìn)口氣壓p2，所選型號(hào)為SMC公司的PSE540A-R06，測(cè)量范圍為0～1 MPa，測(cè)量精度為1%，測(cè)試裝置的主要參數(shù)見(jiàn)表3。實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程：首先，調(diào)節(jié)等溫容器進(jìn)氣口的調(diào)壓閥，控制容器內(nèi)氣壓為設(shè)定值，關(guān)閉進(jìn)氣口；其次，通過(guò)控制電路使得脈沖閥保持持續(xù)開(kāi)啟的狀態(tài) ，此時(shí)在壓差作用下持續(xù)放氣，直到結(jié)束；最后，關(guān)閉脈沖閥，對(duì)傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1.脈沖閥 2.等溫容器 3-5.壓力傳感器 6、7.ISO 6358標(biāo)準(zhǔn)測(cè)壓管 8.控制電路

表3 脈沖閥測(cè)試裝置參數(shù)與指標(biāo)

容器內(nèi)氣壓變化曲線仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)比如圖5所示。由圖5可知，在上游壓力較大的情況下，仿真和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較為一致，隨著噴吹進(jìn)行，在較低壓的情況下誤差較大，最大誤差為3.6%。脈沖閥的實(shí)際工作壓力范圍為0.2～0.3 MPa，此壓力段的相對(duì)誤差最大僅為0.89%。該系統(tǒng)仿真模型和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差在可允許范圍內(nèi)，驗(yàn)證了目前的系統(tǒng)仿真模型的準(zhǔn)確性。

圖5 等溫容器放氣過(guò)程容器氣壓變化仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比

4 脈沖閥性能改進(jìn)

4.1 改進(jìn)指標(biāo)

脈沖閥噴吹性能改進(jìn)的首要問(wèn)題是確定改進(jìn)目標(biāo)。查閱參考文獻(xiàn)[13]，目前行業(yè)內(nèi)對(duì)脈沖閥性能的衡量和評(píng)價(jià)指標(biāo)有：脈沖閥噴吹壓力峰值、脈沖閥噴吹壓力上升速率、脈沖閥噴吹加速度峰值、閥體阻力、氣脈沖時(shí)間、噴吹氣量、流量系數(shù)值、有效截面積、壅塞流態(tài)下的有效截面積、臨界壓力比等。本研究將脈沖閥從接受信號(hào)到壓力峰值的時(shí)間作為脈沖閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能的主要指標(biāo)。

4.2 雙壓控制方案

在直螺線管電磁鐵的改進(jìn)方案中，常見(jiàn)的是對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)[14]，以及通過(guò)分析電磁吸力的影響因素提高電磁吸力[15]。隨著高速開(kāi)關(guān)閥領(lǐng)域中對(duì)電磁閥動(dòng)作頻率提升的研究逐漸深入，劉雨晨[16]提出了一種螺線管型電磁閥的運(yùn)動(dòng)分析方法和階梯控制策略。相比于傳統(tǒng)電磁閥控制方案采用單電壓加載一定脈沖寬來(lái)控制電磁閥的開(kāi)啟，雙壓控制方案的主要思路在于用一高一低的電壓來(lái)替代原先的單電壓控制方案，在保持工作性能的前提下，能起到降低能耗、提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的作用。如何有效地設(shè)定高低電壓值和高低電壓加載時(shí)間則需要對(duì)脈沖閥導(dǎo)閥部分進(jìn)行詳細(xì)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。

雙壓控制的控制思路為選取不同電壓值Uhigher以及Ulower來(lái)控制電磁閥。高電壓Uhigher控制時(shí)間t1為電磁閥上升運(yùn)動(dòng)的結(jié)束時(shí)間，保證以高壓狀態(tài)進(jìn)行快速上升。在上升運(yùn)動(dòng)結(jié)束的時(shí)候，調(diào)節(jié)為低電壓Ulower控制，Ulower為滿足電磁閥恰好啟動(dòng)的最小起勵(lì)電壓。在保持Ulower的狀態(tài)下，電磁閥以最小能耗維持電磁閥的工作狀態(tài)。

通過(guò)圖6的先導(dǎo)閥吸力測(cè)試平臺(tái)對(duì)先導(dǎo)閥進(jìn)行吸力、電流的測(cè)試，得到先導(dǎo)閥的起勵(lì)電壓為8 V。

1.拉壓力傳感器 2.支架 3.固定連接軸 4.實(shí)驗(yàn)臺(tái)底座 5.先導(dǎo)閥 6.滑板

根據(jù)吸力測(cè)試結(jié)果，依據(jù)文獻(xiàn)[16]中提到的改進(jìn)電壓控制策略對(duì)脈沖閥進(jìn)行理論分析，其中先導(dǎo)閥上升過(guò)程運(yùn)動(dòng)學(xué)微分方程組如下：

(7)

其中，B—— 銜鐵運(yùn)動(dòng)的相關(guān)阻尼系數(shù)，N·s/m

K—— 彈簧剛度

選取Uhigher的電壓值為48 V后，可通過(guò)Runge-Kutta公式求解微分方程得加載時(shí)間為20 ms。單壓控制和雙壓控制的導(dǎo)閥位移仿真結(jié)果如圖7所示，其中圖7a為控制電壓信號(hào)曲線和位移整體曲線，圖7b和圖7c分別為上升段和下降段放大后的仿真曲線。

圖7 單壓和雙壓控制電壓及導(dǎo)閥位移仿真曲線

為便于分析，現(xiàn)定義啟動(dòng)時(shí)間為從0%到2%位移峰值的時(shí)間，上升時(shí)間為2%位移峰值到98%位移峰值的時(shí)間，穩(wěn)定時(shí)間為上升至98%位移峰值和下降為98%位移峰值之間的時(shí)間，下降時(shí)間為98%位移峰值到2%位移峰值的時(shí)間。啟動(dòng)時(shí)間與上升時(shí)間之和稱為響應(yīng)時(shí)間，單壓和雙壓控制的仿真結(jié)果對(duì)比即時(shí)間數(shù)據(jù)對(duì)比如表4所示。

由表4可得，雙壓控制下導(dǎo)閥響應(yīng)時(shí)間從7 ms減少到了4 ms，減少了42.8%的響應(yīng)時(shí)間，吸合時(shí)間略微增加，由原先的327 ms增加到329 ms，增加了0.6%，下降時(shí)間從7 ms 增加到了8 ms，增加了14.3%。由此可知，雙壓控制方案可以有效地提高閥芯位移的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。性能改進(jìn)的主要目標(biāo)為出口氣壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，因此下一步將對(duì)氣路模型部分進(jìn)行單雙壓控制仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比。

表4 單壓和雙壓控制位移的仿真結(jié)果對(duì)比 ms

根據(jù)圖2中的脈沖閥氣路模型，設(shè)置氣源壓力為0.2 MPa以及室溫293.15 K的環(huán)境參數(shù)，閥口進(jìn)口與下氣室，上氣室與導(dǎo)閥之間的管路均設(shè)置為節(jié)流孔模塊，膜片組件由質(zhì)量模塊、擋板滑閥模塊組成，氣路模型部分膜片出口氣壓仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 單壓和雙壓控制電壓及出口氣壓仿真曲線

氣壓變化的4段時(shí)間定義與導(dǎo)閥位移分析中的定義類(lèi)似，取5%氣壓峰值和95%氣壓峰值為分界點(diǎn)。同理，從圖7中可以得到仿真結(jié)果如表5所示。

表5 單壓和雙壓控制出口氣壓的仿真結(jié)果對(duì)比

由表5可得，雙壓控制下脈沖閥出口氣壓的響應(yīng)時(shí)間從11 ms減少到了9 ms，減少了18.2%的響應(yīng)時(shí)間，下降時(shí)間從5 ms 減少到了4 ms，減少了20%。仿真驗(yàn)證表明，雙壓控制方案可以有效地提高脈沖閥出口氣壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，以及減少關(guān)閉所需的時(shí)間。在仿真驗(yàn)證有效的基礎(chǔ)上，下一步通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行單雙壓控制下的脈沖閥性能對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，同樣的讀取4段時(shí)間以及氣壓峰值，見(jiàn)表6。

圖9 單壓和雙壓控制電壓及出口氣壓實(shí)驗(yàn)曲線

表6 單壓和雙壓控制出口氣壓的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由表6可知，雙壓控制下脈沖閥出口氣壓的響應(yīng)時(shí)間從27 ms減少到了24 ms，減少了11.1%的響應(yīng)時(shí)間，吸合時(shí)間由216 ms減少到215 ms，減少了0.8%，下降時(shí)間由13 ms減少到了12 ms，減少了7.7%。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，雙壓控制方案可以有效地提高脈沖閥出口氣壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，以及減少關(guān)閉所需的時(shí)間。

為研究不同高電壓對(duì)于脈沖閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響，設(shè)置不同的高電壓進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)分析。選取高電壓分別為30， 36， 42， 48， 52 V，計(jì)算相應(yīng)的控制時(shí)間26， 24， 22， 20， 18 ms進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)，對(duì)比不同高電壓控制下的脈沖閥出口上升段響應(yīng)曲線， 仿真結(jié)果如圖10所示， 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。 各電壓下仿真和實(shí)驗(yàn)的響應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)，如表7所示。

圖10 不同高電壓下的脈沖閥出口氣壓響應(yīng)仿真曲線

圖11 不同高電壓下的脈沖閥出口氣壓響應(yīng)實(shí)驗(yàn)曲線

由表7可知，隨著高電壓值的提高，脈沖閥出口氣壓上升速度越快，但速度的增幅隨著高電壓值提高而減小。這是由于隨著電壓的提高，電磁吸力的增大幅度相應(yīng)地減小。選用最大的54 V高電壓值相比單壓24 V控制響應(yīng)時(shí)間減少了3.2 ms，減少幅度為11.9%。但實(shí)際工況下，高電壓的選取受供電設(shè)備、能耗要求、線圈熱損耗等因素制約。因此，實(shí)際運(yùn)用需結(jié)合不同工況要求選擇合適的高電壓值。

表7 不同高電壓下氣壓響應(yīng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果的誤差主要在于上升時(shí)間數(shù)值本身存在誤差，仿真結(jié)果中上升時(shí)間較實(shí)驗(yàn)結(jié)果較小的主要原因在于實(shí)驗(yàn)條件下閥芯受到的摩擦力等阻力未能在仿真中準(zhǔn)確設(shè)定，其次由于上升時(shí)間本身很小，軟磁材料本身的磁滯現(xiàn)象也會(huì)導(dǎo)致上升時(shí)間的偏差。

5 結(jié)論

本研究使用AMESim軟件對(duì)先導(dǎo)膜片式電磁脈沖閥進(jìn)行了系統(tǒng)仿真建模，并搭建了流量特性測(cè)試平臺(tái)，以此驗(yàn)證了系統(tǒng)模型的準(zhǔn)確性。結(jié)合參考文獻(xiàn)，提出了一種基于雙電壓階梯控制脈沖閥的性能改進(jìn)方案，并通過(guò)仿真分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，均驗(yàn)證了該方案確實(shí)能提高脈沖閥出口氣壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果上看，48 V的雙壓控制方案能減少11.1%的響應(yīng)時(shí)間。通過(guò)對(duì)不同高電壓值的仿真和實(shí)驗(yàn)分析，得到了高電壓值越大，響應(yīng)越快的結(jié)論，但受實(shí)際工況影響，高電壓值的選取應(yīng)受到設(shè)備、能耗等條件制約。