張德生 趙繼云 王振興 徐 展

中國礦業(yè)大學(xué)，徐州，221116

純水先導(dǎo)式電磁閥液阻試驗(yàn)研究及特性仿真

張德生 趙繼云 王振興 徐 展

中國礦業(yè)大學(xué)，徐州，221116

為研究液阻對(duì)主閥性能的影響，搭建了純水液壓試驗(yàn)平臺(tái)，分別對(duì)孔徑為1.2mm、1mm和0.8mm三種規(guī)格的節(jié)流噴嘴與所選先導(dǎo)閥串聯(lián)情況下的壓差－流量特性進(jìn)行了試驗(yàn)。利用AMESim軟件建立了先導(dǎo)式電磁閥的仿真模型，結(jié)合節(jié)流噴嘴和先導(dǎo)閥壓差－流量試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)開啟壓力、工作壓差及閥芯位移等進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明：節(jié)流孔液阻主要影響主閥開啟壓力，對(duì)主閥流動(dòng)特性影響較小。選用孔徑為1.2mm的節(jié)流噴嘴時(shí)，主閥由于高低腔間壓差太小，無法開啟；選用孔徑為1mm和0.8mm的節(jié)流噴嘴時(shí)，主閥開啟壓力分別為0.24MPa和0.2MPa，考慮大的孔徑抗阻塞能力強(qiáng)，故孔徑為1mm的節(jié)流噴嘴為優(yōu)選方案。

水壓傳動(dòng)；先導(dǎo)式電磁閥；低壓；液阻；AMESim

0 引言

純水是指直接過濾后的自然水，具有清潔環(huán)保、來源廣泛、防爆阻燃、環(huán)境友好等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)［1］，與油介質(zhì)相比，純水可顯著提高偶合器的扭矩系數(shù)［2］，目前，純水逐漸取代液力傳動(dòng)油、高水難燃液等而成為煤礦井下液力偶合器最主要的工作介質(zhì)。應(yīng)用于煤礦工作面大功率刮板輸送機(jī)的閥控充液型偶合器［3］即采用純水作為工作液，其充液、排液過程由低壓大流量先導(dǎo)式電磁閥組進(jìn)行控制。電磁閥的通流能力、耐污性對(duì)閥控偶合器的調(diào)控性能及可靠運(yùn)行有著直接影響，是閥控偶合器的核心部件之一。

目前對(duì)水介質(zhì)（或高水基）電磁閥的研究多集中在中高壓閥，如先導(dǎo)式電磁開關(guān)閥、先導(dǎo)式溢流閥及液壓支架中電液控閥等［4－6］，專門針對(duì)低壓閥的研究較少。液阻是構(gòu)成液壓閥的基本單元，對(duì)整閥性能有著直接影響，文獻(xiàn)［7］針對(duì)固定阻尼孔對(duì)水壓伺服閥的靜態(tài)特性影響進(jìn)行了研究，得到了阻尼孔參數(shù)的優(yōu)化組合。文獻(xiàn)［8］對(duì)以高速開關(guān)閥為先導(dǎo)閥的錐閥進(jìn)行了研究，分析了錐閥芯上阻尼孔徑對(duì)壓力大小及響應(yīng)過程的影響。

對(duì)于低壓先導(dǎo)式電磁閥，先導(dǎo)閥自身液阻不可忽略。本文將先導(dǎo)閥部分視為液阻，分析了先導(dǎo)式電磁閥的工作原理，并對(duì)不同節(jié)流孔和先導(dǎo)閥組合時(shí)的壓差－流量特性和壓力分配規(guī)律進(jìn)行試驗(yàn)研究，利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)主閥進(jìn)行仿真分析，尋求合理參數(shù)組合，為開發(fā)抗阻塞能力強(qiáng)、可靠性高的低壓大流量先導(dǎo)式電磁閥提供指導(dǎo)。

1 先導(dǎo)式電磁閥結(jié)構(gòu)原理和問題分析

1.1 結(jié)構(gòu)原理

先導(dǎo)式電磁閥由電磁先導(dǎo)閥（簡稱先導(dǎo)閥）與主閥組成，兩者之間有節(jié)流通道聯(lián)系，其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。圖中，R1、R2分別為節(jié)流孔和先導(dǎo)閥液阻，兩者串聯(lián)連接，構(gòu)成先導(dǎo)液壓半橋；p1為供液壓力，p2為主閥芯上腔壓力，滿足如下關(guān)系式：

圖1 先導(dǎo)式電磁閥結(jié)構(gòu)原理示意圖

主閥的上腔為敏感腔，作用面積為A2，彈簧剛度為k；下腔為高壓腔，作用面積為A1（A1＜A2）。當(dāng)先導(dǎo)閥處于失電關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，液阻R2無窮大，工作介質(zhì)通過節(jié)流孔進(jìn)入主閥上腔，由式（1）知p1＝p2，主閥芯在上腔液壓力和彈簧力雙重作用下處于關(guān)閉狀態(tài)。

當(dāng)先導(dǎo)閥得電開啟時(shí)，介質(zhì)通過節(jié)流孔－上腔－先導(dǎo)閥通道進(jìn)入偶合器（近似為無壓腔），在節(jié)流孔和先導(dǎo)閥處分別形成壓降，由式（1）知p1＞p2，當(dāng)下腔液壓力足以克服上腔液壓力、彈簧力及閥芯與閥套之間的摩擦力時(shí)，主閥芯將開啟，介質(zhì)經(jīng)主閥口進(jìn)入偶合器進(jìn)行充液。

以上是對(duì)偶合器充液閥的分析，排液閥工作原理與之類似。

主閥開啟前平衡條件為Fp2＋Ft＋Ff＝Fp1（Fp2為上腔壓力，F(xiàn)t為彈簧力，F(xiàn)f為摩擦力，F(xiàn)p1為下腔壓力），即

忽略彈簧力和摩擦力，即kx0＋Ff＝0，得到開啟結(jié)構(gòu)參數(shù)條件為R1＞（k1－1）R2，用壓力表示為Δp1＞ （k1－1）Δp2。

若先導(dǎo)閥的通流能力很強(qiáng)，即R2＝0，得到開啟壓力參數(shù)條件為

1.2 問題分析

由上述分析可知，液阻對(duì)先導(dǎo)式電磁閥的開啟起關(guān)鍵性作用，在主閥結(jié)構(gòu)確定條件下，要正常開啟，則希望液阻R1較大，R2較小。對(duì)于細(xì)長孔型節(jié)流孔，孔徑越小，孔深越長，液阻也就越大，但也易導(dǎo)致堵塞現(xiàn)象發(fā)生。供液液壓系統(tǒng)中雖然設(shè)置了高精度過濾器，然而由于偶合器工作過程中因滑差的存在產(chǎn)生大量的熱使水溫升高（帶載啟動(dòng)或堵轉(zhuǎn)時(shí)的溫升尤其嚴(yán)重），若水質(zhì)較硬則不可避免產(chǎn)生水垢，阻塞節(jié)流孔，致使主閥失控，偶合器無法正常充液、排液，影響整個(gè)工作面的生產(chǎn)甚至威脅人身安全。若要保持較大節(jié)流孔直徑，提高抗堵塞能力，則必須使R2降低，即要求先導(dǎo)閥具有較強(qiáng)通流能力。在先導(dǎo)閥確定條件下，則需尋求滿足開啟和正常工作要求的盡可能大的節(jié)流孔。

除結(jié)構(gòu)參數(shù)外，流動(dòng)形態(tài)對(duì)節(jié)流孔液阻同樣有重要影響［9］。液體在細(xì)長節(jié)流孔中的流動(dòng)一般處于層流和紊流之間的過渡狀態(tài)，流體的內(nèi)摩擦力和慣性力都起著一定的作用，一般通過試驗(yàn)方法來確定參數(shù)之間的關(guān)系［10］。先導(dǎo)閥內(nèi)部孔道復(fù)雜，公式計(jì)算存在較大誤差，同樣有必要對(duì)節(jié)流孔壓差－流量特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，準(zhǔn)確了解其阻力特性，以保證所設(shè)計(jì)先導(dǎo)式電磁閥在規(guī)定壓力范圍內(nèi)正常工作。

2 試驗(yàn)原理和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.1 液壓系統(tǒng)

圖2是壓力分配試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖。在串聯(lián)連接的節(jié)流噴嘴9和先導(dǎo)閥10前后布置了三個(gè)壓力傳感器8a、8b、8c，用來測定節(jié)流噴嘴和先導(dǎo)閥前后壓差。流量傳感器11布置在回液管路上，用以測量系統(tǒng)流量。溢流閥6設(shè)在泵出口，用來調(diào)定系統(tǒng)工作壓力。為保證系統(tǒng)正常工作，設(shè)置兩級(jí)過濾裝置。

節(jié)流噴嘴如圖3所示，孔深度取5倍孔徑d，試驗(yàn)中對(duì)d分別為0.8mm、1mm及1.2mm的噴嘴進(jìn)行測試。被試先導(dǎo)閥選擇寧波寶得電磁閥有限公司生產(chǎn)的二位二通微型電磁閥，該閥主要參數(shù)如下：通徑為1.5mm，壓力范圍為0～1.6MPa，工作電壓為24V（直流）。

圖2 壓力分配試驗(yàn)系統(tǒng)

圖3 節(jié)流噴嘴

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖4所示。壓力傳感器為壓阻式，輸出4～20mA電流信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行電流－電壓轉(zhuǎn)化，輸出1～5V電壓信號(hào)；流量傳感器輸出的是方波信號(hào)，采集卡無法直接識(shí)別，采用TTL電路進(jìn)行調(diào)理，轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)TTL信號(hào)，利用采集卡的計(jì)數(shù)功能進(jìn)行采集。采集卡將采集到的信號(hào)經(jīng)PCI總線傳輸?shù)焦た貦C(jī)，利用LabVIEW軟件進(jìn)行處理。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)壓力—流量特性及先導(dǎo)閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)等項(xiàng)目測試。

圖4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

3 試驗(yàn)方案和結(jié)果

3.1 試驗(yàn)方案

如圖2所示，被試先導(dǎo)閥10處于關(guān)閉狀態(tài)，手動(dòng)調(diào)節(jié)溢流閥6的壓力（通過壓力傳感器8a讀?。﹣碓O(shè)定不同的測試壓力（最大至1.8MPa）。調(diào)整到設(shè)定壓力后，打開先導(dǎo)閥使系統(tǒng)導(dǎo)通，待穩(wěn)定后保存壓力傳感器和流量傳感器的數(shù)值。壓力傳感器8a測得值為總壓力p1，壓力傳感器8a與壓力傳感器8b的壓力之差Δp1為節(jié)流噴嘴壓降，壓力傳感器8b與壓力傳感器8c的壓力之差Δp2為先導(dǎo)閥壓降，流量傳感器所測為系統(tǒng)流量。在同一坐標(biāo)系上繪出壓力隨流量的變化關(guān)系，即得到壓差－流量曲線，并可直觀看到各部分壓力分配關(guān)系。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

圖5所示為孔徑分別為0.8mm、1mm和1.2mm的節(jié)流噴嘴與先導(dǎo)閥串聯(lián)相接得到的壓力／壓差－流量曲線。

圖5 節(jié)流噴嘴與先導(dǎo)閥串聯(lián)的壓力／壓差－流量特性

由圖5可以看出，節(jié)流噴嘴孔徑變化對(duì)壓力分配影響非常顯著，隨孔徑增大，節(jié)流噴嘴所分配壓降減小，先導(dǎo)閥所分配的壓降增大，相應(yīng)主閥的上腔壓力將增大，有可能無法滿足開啟條件。系統(tǒng)流量隨節(jié)流噴嘴孔徑的增大而增大，最大值由1.2L／min增大到2.3L／min，因先導(dǎo)閥液阻未變化，故其所產(chǎn)生壓降隨流量增大而增大?？讖綖?.8mm的節(jié)流噴嘴因液阻較大，分配了大部分壓降，相應(yīng)地，先導(dǎo)閥產(chǎn)生壓降很??；孔徑為1.2mm的節(jié)流噴嘴的壓降與先導(dǎo)閥處壓降最為接近。

4 主閥仿真分析

4.1 仿真模型建立

由于水的黏度低，若采用錐面密封或滑閥結(jié)構(gòu)則易泄漏，尤其是對(duì)低壓閥來說，泄漏更為嚴(yán)重，因此主閥采用平面閥密封結(jié)構(gòu)，閥芯與閥座之間采用橡膠軟料密封，此種結(jié)構(gòu)密封效果好，耐污能力強(qiáng)。在主閥底部有一段尾錐與閥口配合，可有效降低沖擊。主閥芯結(jié)構(gòu)可以參照?qǐng)D1，主要參數(shù)見表1。

表1 主閥參數(shù)

利用AMESim軟件，建立主閥的仿真模型，如圖6所示，所模擬狀況為先導(dǎo)閥開啟狀態(tài)。由于實(shí)際與工作口配合的是尾錐，平面閥僅起到開關(guān)作用，即開啟后工作介質(zhì)直接到達(dá)錐閥入口，故忽略平面閥的壓力損失，在模型中給其設(shè)置一個(gè)大的流量系數(shù)（1000）。液阻根據(jù)流量和壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系來表示，以提高仿真準(zhǔn)確性，將圖5中的噴嘴及先導(dǎo)閥壓差－流量數(shù)據(jù)生成文本文件格式，賦給R1、R2。比例溢流閥的最大工作壓力設(shè)為1.6MPa，且可根據(jù)控制信號(hào)在0到最大值間線性調(diào)節(jié)。

圖6 整閥仿真模型

4.2 仿真結(jié)果分析

設(shè)定控制信號(hào)為斜坡信號(hào)，比例溢流閥工作壓力由0線性增至1.6MPa。將三種孔徑的節(jié)流噴嘴的壓差－流量數(shù)據(jù)賦給R1、R2。在平面閥開啟前，由于未有液體通過，壓力為0；一旦開啟，由于平面座流量系數(shù)設(shè)定很大，則圖6A處的壓力為溢流閥調(diào)定壓力，即主閥的開啟壓力。仿真結(jié)果表明：采用孔徑為1.2mm的節(jié)流噴嘴時(shí)，A處壓力恒為0，無法使主閥打開；采用孔徑為1mm和0.8mm的節(jié)流噴嘴時(shí)A處的壓力變化曲線如圖7所示，孔徑為1mm的節(jié)流噴嘴開啟壓力約為0.24MPa；孔徑為0.8mm的節(jié)流噴嘴開啟壓力減小，約為0.2MPa。開啟后壓力先上升然后下降，該現(xiàn)象因尾錐有2mm的負(fù)遮蓋（圖1）而致。

將比例溢流閥壓力調(diào)至1.6MPa，在400 L／min及240L／min流量下，考查主閥入口A處的壓力及位移情況。A處的壓力約1s后趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定壓力在0.1MPa左右，實(shí)現(xiàn)了低壓大流量工作要求。當(dāng)d＝1mm、Q＝400L／min（Q為流經(jīng)主閥的流量）時(shí)，A處的壓力最大，約為0.1MPa；當(dāng)d＝0.8mm、Q＝240L／min時(shí)，A處的壓力最小，約為0.09MPa，壓力差別不大。

圖7 主閥開啟壓力

圖8所示為主閥芯開度隨時(shí)間變化關(guān)系，可以看出流量對(duì)主閥芯開度影響較大，Q＝400 L／min時(shí)開度約為7mm，Q＝240L／min時(shí)約為4mm。噴嘴的孔徑對(duì)閥芯開度影響不大，在相同流量下，d＝0.8mm時(shí)的主閥開度比d＝1mm時(shí)的主閥開度略大。

圖8 主閥芯位移曲線

通過仿真結(jié)果可看出，孔徑為1mm的節(jié)流噴嘴的開啟壓力高于孔徑為0.8mm的節(jié)流噴嘴的開啟壓力，在相同流量下其工作壓差及開度與孔徑為0.8mm的節(jié)流噴嘴相差較小?？紤]孔徑越大，抗阻塞能力越強(qiáng)，選擇孔徑為1mm的節(jié)流孔與電磁先導(dǎo)閥相匹配，進(jìn)行主閥設(shè)計(jì)。

5 結(jié)論

（1）節(jié)流孔和先導(dǎo)閥液阻是低壓大流量先導(dǎo)式電磁閥設(shè)計(jì)敏感因素，主閥結(jié)構(gòu)確定條件下，兩者決定著主閥能否開啟。對(duì)于試驗(yàn)選用的通徑為1.5mm的電磁先導(dǎo)閥，孔徑為1.2mm的節(jié)流噴嘴無法使主閥開啟，孔徑為0.8mm的節(jié)流噴嘴易致阻塞，孔徑為1mm的節(jié)流噴嘴是相對(duì)合理匹配。

（2）節(jié)流噴嘴孔徑主要影響開啟壓力，對(duì)開啟后的工作壓差和主閥芯開度影響較小。

（3）若要尋求更大通徑的節(jié)流孔，提高抗阻塞能力，更好滿足水介質(zhì)偶合器使用要求，需選擇更大通流能力的先導(dǎo)閥。

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Experimental Investigation of Hydraulic Resistances and Characteristics Simulation on Pure Water Pilot Operated Solenoid Valves

Zhang Desheng Zhao Jiyun Wang Zhenxing Xu Zhan
China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu，221116

To investigate the influences of liquid resistance on the main valve performance，a hydraulic experimental system for pure water was built，and three sizes of throttle nozzles with diameter 1.2mm，1mm and 0.8mm were separately serial connected to pilot valve to be tested，then the corresponding pressure－flow characteristics were tested.Using AMESim software，a simulation model was built based on the structure of pilot operated valve.Combining with the experimental data of pressure－flow characteristics，the simulation results of opening pressure，running pressure and poppet displacements were studied.The results indicate that the hydraulic resistance of throttle orifice affects mainly the openning pressure and has only a little influence on the flow characteristics of main valve.The pressure difference between high pressure chamber and low pressure chamber are too small to open the main valve when using 1.2mm throttle oriffice，the openning pressure using 1mm throttle orifice is 0.24MPa，0.8mm is 0.2MPa.Considering that the small hole is easy to choke，then 1mm throttle orifice is the optimization scheme.

water hydraulic；pilot operated solenoid valve；low pressure；hydraulic resistance；AMESim

TH137.5

1004—132X（2011）01—0005—05

2010—03—26

“十一五”國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（2008BAB36B04）；江蘇省研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目（CX09B＿112Z）

book=0,ebook=67

（編輯 郭 偉）

張德生，男，1982年生。中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院博士研究生。主要研究方向?yàn)橐毫鲃?dòng)技術(shù)及應(yīng)用。趙繼云，男，1966年生。中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。王振興，男，1985年生。中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院碩士研究生。徐 展，男，1986年生。中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院碩士研究生。