快響應(yīng)電磁閥冷試與熱試響應(yīng)時間差異性分析

丁 洋 謝 彪 韋春花 陳 宗 伍家威

（貴州航天朝陽科技有限責(zé)任公司，貴州 遵義 563000）

0 引言

精準(zhǔn)控制飛行器姿態(tài)，關(guān)鍵在于發(fā)動機(jī)響應(yīng)時間足夠小，發(fā)動機(jī)響應(yīng)時間足夠小，核心在于電磁閥足夠快。為了表征電磁閥動作的快慢，引入了電磁閥響應(yīng)時間。其中，開機(jī)響應(yīng)時間為額定工況下，電磁閥接收到開機(jī)信號至閥芯完全打開的時間；關(guān)機(jī)響應(yīng)時間為額定工況下，電磁閥接收到關(guān)機(jī)信號至閥芯完全關(guān)閉的時間。

響應(yīng)時間是電磁閥的重要特性[1]，在使用前調(diào)試好，是發(fā)動機(jī)研制過程的一項重要工作內(nèi)容[2]。一般將電磁閥在非額定工況下的調(diào)試稱為冷試測試，簡稱為冷試；在額定工作條件下的試驗稱為熱試車試驗，簡稱熱試。當(dāng)前研究者主要關(guān)心如何提高電磁閥的冷試響應(yīng)時間[3]，對電磁閥在冷試與熱試響應(yīng)時間的差異鮮有關(guān)注。

然而，該文在發(fā)動機(jī)的研制過程中發(fā)現(xiàn)，電磁閥響應(yīng)時間在調(diào)試與實際使用時存在較大差異。具體表現(xiàn)為電磁閥冷試時響應(yīng)時間合格，在熱試時不合格，甚至導(dǎo)致了發(fā)動機(jī)的響應(yīng)時間不能滿足技術(shù)要求。為此，該文對電磁閥在冷試與熱試差異的原因進(jìn)行了探究。

1 問題模型

電磁閥從原理上可分為三類。直通式電磁閥、分布直動式電磁閥和先導(dǎo)式電磁閥。該文主要以直通式電磁閥為研究對象，其一般由線圈組件、彈簧、銜鐵組件組件及其他結(jié)構(gòu)件、密封件、接頭等組成。斷電時，閥芯靠彈簧壓力與閥前壓力壓緊密封，閥門處于關(guān)閉狀態(tài)；通電時，線圈組件產(chǎn)生電流，進(jìn)而產(chǎn)生磁通力，通過克服彈簧力與閥前壓力，使銜鐵組件移動，帶動閥芯打開。當(dāng)銜鐵運(yùn)動到位時，閥芯開度也完全打開，此時電磁閥處于打開狀態(tài)。

按照電磁閥的工作特點，將電磁閥電流曲線上的4個拐點進(jìn)行劃分，得到電磁閥的響應(yīng)時間，示意圖見圖1。

圖1 電磁閥電流曲線示例圖

當(dāng)需要電磁閥開機(jī)時，系統(tǒng)給定開機(jī)信號，電磁閥接到信號后，線圈兩端加載電壓，線圈電流開始增大，電磁閥內(nèi)的銜鐵組件受到的吸力也增大，當(dāng)吸力大于反力后，銜鐵組件開始運(yùn)動，此時的電流達(dá)到觸動電流I1，從電磁閥接收到開機(jī)信號至電流達(dá)到I1的時間，稱為吸合觸動時間t1；從銜鐵組件開始運(yùn)動到運(yùn)動結(jié)束經(jīng)歷的時間，稱為吸合運(yùn)動時間t2，此時電磁閥閥芯從完全關(guān)閉到完全打開。

當(dāng)電磁閥關(guān)機(jī)時，電磁閥兩端斷電，電流從穩(wěn)定電流I2開始下降，銜鐵組件受到的電磁力也開始下降，當(dāng)電流下降至釋放電流I3時，銜鐵組件無法保持原狀態(tài)開始運(yùn)動，將接收到關(guān)機(jī)信號至銜鐵組件開始運(yùn)動的時間稱為釋放觸動時間t3；銜鐵組件從吸合狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)獒尫艩顟B(tài)，直至運(yùn)動到位經(jīng)歷的時間稱為釋放運(yùn)動時間t4。

電磁閥開機(jī)響應(yīng)時間tk如公式（1）所示。

電磁閥關(guān)機(jī)響應(yīng)時間tg如公式（2）所示。

對電磁閥冷試與熱試的響應(yīng)時間進(jìn)行統(tǒng)計，分別見表1與表2。其中冷試與熱試最小差異為-17.7%，最大差異為38.2%；而在關(guān)機(jī)響應(yīng)時，其冷試與熱試最小差異為41.7%，最大差異為82.6%。

表1 某型號電磁閥冷試與熱試開機(jī)響應(yīng)統(tǒng)計

表2 某型號電磁閥冷試與熱試關(guān)機(jī)響應(yīng)統(tǒng)計

2 結(jié)果與分析

該文分別對電磁閥開啟與關(guān)閉時的受力模型進(jìn)行分析。當(dāng)電磁閥開啟時，其受力如公式（3）所示。

式中：F開合為電磁閥開啟合力；F電磁力為電磁閥線圈通電后產(chǎn)生的電磁力；FP1為閥芯上游壓力作用于閥芯的力；FP2為閥芯下游壓力作用于閥芯的力；F彈為彈簧力。

當(dāng)電磁閥關(guān)閉時，其受力如公式（4）所示。

式中：F關(guān)合為電磁閥關(guān)機(jī)合力；F電磁力（余）為關(guān)機(jī)后殘余電勢產(chǎn)生的電磁力。

2.1 F電磁力的影響因素

由麥克斯韋公式可得公式（5）。

式中：μ0為真空磁導(dǎo)率，單位N/A2；B為磁極表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位T；n0為線圈數(shù)；A為磁極的面積，單位m2。

簡化可得公式（6）。

對確定的電磁閥，其線圈材料確定，線徑確定，μ0與A均不變。

磁感應(yīng)強(qiáng)度由畢奧-薩法爾-拉普拉斯定律可得公式（7）。

式中：r為到導(dǎo)線的距離；I為電流大小。

因此，I越大，B越大，F(xiàn)電磁力也越大，反之亦然。而當(dāng)且僅當(dāng)I>I1時，電磁閥才能開啟，當(dāng)I

2.1.1 加載電壓U

經(jīng)分析該文發(fā)現(xiàn)，在冷試測試中，因采集系統(tǒng)距離試驗臺較遠(yuǎn)，從電源輸出至電磁閥之間的電纜較長。當(dāng)輸出電源為額定壓力U時，加載于電磁閥上的電壓受電纜線阻的影響，低于額定壓力。而在熱試測試時，為保證電磁閥的性能，連接的電纜較短，且采用線阻較小的航天電纜，損耗低，加載于電磁閥的電壓處于額定工況。不同的加載電壓導(dǎo)致線圈電流不同，電磁閥開啟時，加載電壓小，電磁力也小，電磁閥開機(jī)合力減小，開機(jī)響應(yīng)變大；而當(dāng)關(guān)機(jī)時，其關(guān)機(jī)合力變大，關(guān)機(jī)響應(yīng)減小。

因此，為確保冷試與熱試時加載電壓處于額定電壓下，該文通過提高電源輸出電壓，利用數(shù)字萬用表等儀器測試實際加載電壓，保證冷試與熱試時加載電壓均為額定電壓，減小冷試與熱試響應(yīng)時間的差異。同時，通過改造冷試測試系統(tǒng)，縮短電纜長度，控制導(dǎo)線材料，也可有效減小二者的差異。

2.1.2 線圈電阻R

對一般的電磁閥冷試測試，由于測試介質(zhì)可以冷卻線圈電阻，且測試時間較短，線圈電阻的溫升并不高，遠(yuǎn)低于熱平衡溫度；但當(dāng)電磁閥處于熱試時，受發(fā)動機(jī)燃燒影響，溫度逐漸升高，電磁閥將達(dá)到熱平衡狀態(tài)，此時電磁閥線圈溫度將幾倍于冷試時的線圈溫度。

以該文某型號電磁閥為例，線圈電阻R可通過擬合公式計算得出公式（8）。

式中：RT為溫度T下線圈電阻；T為線圈實際溫度；R20為20℃下線圈電阻。

根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，常溫下的冷試測試線圈溫度約為20℃，熱試時最高可達(dá)80℃。在此條件下，線圈電阻將升高23.5%。在加載電壓不變的情況下，線圈電流將減少23.5%，對應(yīng)F電磁力也將減小，進(jìn)而影響電磁閥的響應(yīng)時間。

因此，在冷試環(huán)境下，可通過增加介質(zhì)溫度，或給增加電磁閥熱源，或使電磁閥空載通電一定時間，待線圈溫度上升后，再進(jìn)行響應(yīng)時間測試。如此可降低冷試與熱試時因溫度不同導(dǎo)致線圈電阻R不同帶來的差異，同時也可在電磁閥正式使用前對熱可靠性進(jìn)行檢測，提前發(fā)現(xiàn)問題，縮短研制周期，降低研制成本。

2.2 FP1的影響因素

FP1越大，電磁閥開機(jī)響應(yīng)越大，關(guān)機(jī)響應(yīng)越小[4]。但對已經(jīng)確定了技術(shù)狀態(tài)的電磁閥，只要保證冷試與熱試時的閥前壓力均為額定壓力，則可認(rèn)為冷試與熱試FP1相同。

2.3 FP2的影響因素

當(dāng)電磁閥進(jìn)行熱試時并第一次開機(jī)時，閥芯下游壓力與發(fā)動機(jī)室壓無關(guān)，熱試時閥芯下游壓力作用于閥芯的力FP2與冷試時閥芯下游壓力作用于閥芯的力FP2'相同；第一次關(guān)機(jī)時，由于發(fā)動機(jī)殘存壓力，閥芯下游壓力將增大，進(jìn)而使閥芯下游壓力作用于閥芯的力增大，此時FP2>FP2'，使F關(guān)合減小，電磁閥關(guān)機(jī)響應(yīng)比冷試時有所增大。當(dāng)電磁閥第二次開機(jī)時，若關(guān)機(jī)間隔時間較短，發(fā)動機(jī)室壓存在壓力，則此時F開合將增大，進(jìn)而導(dǎo)致電磁閥開機(jī)響應(yīng)減小。

當(dāng)電磁閥頻繁開機(jī)與關(guān)機(jī)時，以一定壓強(qiáng)流動的液體受阻流速突然降低，壓強(qiáng)在較短時間內(nèi)升高，并向上游迅速傳播，在一定條件下發(fā)射回來，產(chǎn)生往復(fù)波動，形成較大的水擊壓力[5]。此時閥芯下游發(fā)動機(jī)壓力將產(chǎn)生波動，在耦合的情況下，將出現(xiàn)閥芯上游壓力低于下游壓力的情況，嚴(yán)重時將導(dǎo)致閥芯被迫打開（此為不合格電磁閥，合格產(chǎn)品不會出現(xiàn)該問題），使推進(jìn)劑流通，造成關(guān)機(jī)響應(yīng)時間延長。

而在冷試測試中，由于電磁閥外部連通大氣，不受發(fā)動機(jī)熱試時室壓的影響，也不存在閥芯下游壓力大于上游壓力的情況，所在開關(guān)機(jī)過程中的F開合與F關(guān)合與熱試不同，開關(guān)機(jī)響應(yīng)時間與熱試也不同。因此，為保證電磁閥冷試響應(yīng)與熱試響應(yīng)無較大差異，在冷試測試時，在閥芯后下游增加一定的壓降，壓降大小可參照發(fā)動機(jī)額定室壓給定，同時，冷試測試時電磁閥開關(guān)機(jī)間隔時間應(yīng)盡可能模擬其在熱試中的工況，保證測試條件開關(guān)機(jī)工況一致。

2.4 F彈的影響因素

F彈受銜鐵組件位移影響，與彈簧的位移量有關(guān)。對同一電磁閥，由于t2與t4較短，一般在1ms～1.5ms左右，且閥芯行程固定，因此，可認(rèn)為冷試與熱試中F彈相同。

2.5 F電磁力（余）的影響因素

泄放回路電阻，用于系統(tǒng)斷路后，將電路中殘余的電荷泄放，避免對電路造成惡劣影響。電路中殘余電荷將影響電磁閥殘余電勢[6]，若在冷試試驗時不考慮與熱試的泄放電阻差異，將導(dǎo)致電磁閥關(guān)機(jī)響應(yīng)時間的出現(xiàn)差異。

由圖2可知，在測試中，泄放電阻R1為無窮大時，當(dāng)給定關(guān)機(jī)信號后，電磁閥殘余電勢將很快消失，t3非常小。當(dāng)泄放電阻R1為零，電磁閥殘余電勢消失時間延長，t3增大。在該文對電磁閥進(jìn)行冷試測試時，當(dāng)泄放電阻R1無窮大，關(guān)機(jī)響應(yīng)時間僅5ms，但當(dāng)泄放回路為有限值時，電磁閥關(guān)機(jī)響應(yīng)時間達(dá)到了12ms。因此，為準(zhǔn)確測量冷試與熱試的差異，冷試測試時泄放回路應(yīng)與真實的系統(tǒng)一致，方可在系統(tǒng)上進(jìn)行測試時進(jìn)行比對。

圖2 泄放回路

通過分析，該文得出了影響冷試與熱試響應(yīng)時間差異的因素。優(yōu)化測試流程，改善測試條件后，重新對電磁閥進(jìn)行冷試測試，結(jié)果見圖3。顯然，經(jīng)過優(yōu)化測試流程和改善測試條件后的響應(yīng)時間與熱試更加接近，說明該文的分析合理，優(yōu)化與改善有效。

圖3 優(yōu)化測試流程后電磁閥冷試與熱試響應(yīng)時間對比

3 結(jié)論

該文從電磁閥開關(guān)機(jī)時的受力進(jìn)行分析，得出造成電磁閥冷試與熱試響應(yīng)時間差異的4個影響因素。1） 實際加載電壓。冷試與熱試時實際加載電磁閥的電壓應(yīng)保持一致，必要時可使用測量儀器進(jìn)行確定。2） 線圈溫度。應(yīng)在冷試時使電磁閥線圈升溫，縮小與熱試時的差異。3） 閥芯下游壓力。因熱試時電磁閥受閥芯下游的室壓影響，在冷試試驗時應(yīng)在電磁閥后增加一定壓力的壓降。4） 泄放回路電阻。冷試測試的泄放回路電阻應(yīng)與熱試一致。

通過優(yōu)化影響冷試時電磁閥響應(yīng)時間的測試條件，電磁閥的冷試響應(yīng)時間與熱試響應(yīng)時間一致性更好。該優(yōu)化方法可以應(yīng)用于其他型號電磁閥的冷試測試，為發(fā)動機(jī)調(diào)試提供更準(zhǔn)確的參考。