0 高压内置式电磁先导气阀的设计与仿真

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机床与液压
第 36 卷
主阀阀芯的排气腔压力方程: dp 2 kp 2 kRT 2Q m2 dx = # ( 11) dt s + x 20 - x d t A 2 ( s + x 20 - x ) 式 中 : p 0、 p 1、 p 2 分 别 表 示 各 腔 室 压 力 ; Q m 1、 Q m 2、 Q m0分 别表 示各 腔 室 流 入 或 流出 的 气 体 质 量; x 10、 x 20为 p 1 腔 、 p 2 腔 余 隙 容 积 的 长 度; s 为 阀 芯 的 工作 行 程。 1141 3 流量方程 通过进气管道系统向主阀工作腔充气和主阀排气 腔向外排气的质量流量统一由公式 ( 12) 表示。 Q mq = A epu 1- b w (D , b) RT u 1 w (D , b) = D= pe [ b pu ( 12)
第 2期
雷鸣 : 高压内置式电磁先导气阀的设计与仿真
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行加工, 进而形成合格零件。 在先导阀衔铁设计上, 为减小衔铁复位弹簧的设 计难度, 尽量减小弹簧力, 在衔铁圆周上还加工了平 台, 在平台上设计有径向通孔和轴向盲孔, 使电磁阀 工作过程中平衡掉一部分气体压力, 以提高衔铁动作 的灵敏性。电磁先导阀结构示意图见图 2。
( 1)
在衔铁中气隙分两部分, 一部分为衔铁端面与铁 芯之间的工 作 气隙 D 一部 分为 衔铁 圆 周与 铁芯 之 1, 间的配合气隙 D 2 , 故气隙磁阻为: E R D= E R D + R D ( 2) 式中: R D为配 合气隙 磁阻, R D 为工作 气隙 磁 阻。为
1 2 2 1
图 4 电磁阀原理图
100 020B - (B - 01 5)# e 213 01820 042 - (B - 01779 634) + 41159 6 ( 1144- B )B @ 160 @ 28 (I N /m ) ( 7) H=
2 2
11 2 先导阀电磁铁的数学模型 1121 1 电磁铁的电流和电磁力方程 为计算电磁线圈安匝数, 根据使用条件作如下假 设: ( 1 ) 线圈工作电压取应急发射电压, U = 18V; ( 2) 从可靠性角度考虑, 将线圈型式设计为并联双 线圈, 当其中一个线圈通电, 即可打开电磁先导阀; ( 3 ) 衔铁行程为 013mm; ( 4 ) 铁 芯 及 衔 铁 材 料 采用 电工纯铁 DT 4。 在 以上 前 提 下, 对电 磁 铁 磁路进 行 简 化, 简 化 后 的 电磁 图 3 等效磁路 铁的等效磁路如图 3所示。 由等效磁路得先导阀中磁阻为:
E R e = E R ei
i= 1 6
1121 2 电磁铁衔铁的运动方程 由牛顿第二定律可知, 电磁铁衔铁的运动方程为: 2 d x FD - FP - F S ( 8) 2 = md dt 式中: F D 为电磁铁吸力; F P 为气体压力; F S 为弹簧 力; m d 为电磁铁衔铁质量。
11 3 主阀的性能分析 弹射发射装置使用的主阀为一大流量气动阀, 电 磁先导阀做电磁开关用, 因而电磁阀工作状态只有通 或断两种状态, 即通电时电磁阀衔铁在线圈磁力作用 下, 速移动, 打开先导阀门, 使高压气体进入主阀 芯的工作腔, 推动主阀芯迅速移动打开主阀通道, 使 能源气体迅 速 流入 与弹 射机 构 相连 的作 动筒 工 作腔 内, 使作动筒活塞 杆伸 出, 带动 弹射机 构协调 运动。 其原理如图 4所示。
本文仅就综合动力传动系 统中关键部件高压内置 式电磁先导阀设计作一简单介绍。
1 高压内置式电磁阀的设计与建模 高压内置式电磁先 导气阀为二级阀, 其由电磁先 导阀和主阀组成。整个阀体采 用回转体形式, 内置于 弹射作动筒内。 111 电磁先导阀结构分析
图 2 电磁先导阀结构示意图
先 导阀电 磁铁为 螺线 管 式, 电 磁 阀的 铁 芯是 电 磁 阀的骨 架, 铁芯 由前后 两部 分 组成 , 在 两 部分 中 间 有 2 ~ 5mm 的 磁 路 隔 断 区 , 使 之 形成 工 作气 隙, 成为磁路的一部分, 否则整个铁芯将形成一个闭合导 磁回路, 在工作气隙几乎没有磁通, 线圈通电后对衔 铁不产生吸力, 从而使电磁铁无法工作。由于铁芯骨 架在结构上设计要求铁芯为一整体, 于是设计上常常
0 前言 目前, 为了能使载机配置更多 的武器, 同时保持 良好的气动外形, 提高飞机的综合 作战能力, 中型以 上的机载导 弹比较 普遍地 采用以 弹射 方式发 射导 弹。 弹射发射装置按弹射能源分为 /热 0 弹型和 / 冷 0 弹 型两种。在冷弹型 弹射中越来越多地采用综 合动力系 统作为弹射能源。 综合动力系统为内装阀 式综合传动系统, 其本身 既是传动装置又是储能装置, 它以高压冷气 (压力达 15~ 20 M Pa) 作为动力 源, 其 显著 特点是 它的装 工作 物质的容积 (气罐 ) 和电磁阀均位于气缸的推杆活塞 的内腔中。因此, 在 工作状态, 它缩短了气 体在控制 及输送管路中的 传递 时间, 提 高了 动作 的响 应速 度。 同时, 由于其特殊的结构, 也 减小了气动系 统的尺寸 和重量。其工作过程分为: ¹ 储能状态; º 工作状态; » 回收状态。系统原理图如图 1所示。
1 1 1
( 4)
在 计算 FD 时 , 须 迭 代 计 算 磁通 , 这 与材 料 的 磁 化曲 线 有 直 接 的 关 系 , 需 要 对 导 磁 材 料 的 磁 化 曲 线进 行 拟 合 , 采 用 函 数 逼 近 的 方 式 , 得 到 如 下 表 达式 。 当 B > 11 594W b /m 时
D esign and S i m u lation of a H igh Pressure Pneumatic Inner -electrom agnetic -valve
LEI M ing ( Ch in a A ir to A irM issle A cade my , Luoyang H enan 471009 , Chin a)
2008 年 2 月 第 36 卷 第 2 期
机床与液压
MACH I NE TOOL & HYDRAULICS
Feb1 2008 V ol136 N o12
高压内置式电磁先导气阀的设计与仿真
雷鸣
( 中国空空导弹研究院, 河南洛阳 471009)
摘要 : 综合动力系统是在机载导弹弹射发射装置中采用的一种新型气压传动系统 , 它以高压冷气作为动力源 , 整个系统 本身既是传动装置又是储能装置 , 而其中关键的控制部件是高压内置式电磁先导气阀。本文对高压内置式电磁先导气阀的结 构进行了分析并建立了数学模型 , 在此基础上进行了仿真分析并研制了样机。 关键词 : 弹射发射装置 ; 电磁阀 ; 仿真 中图分类号 : T J7681 2+ 1 文献标识码 : B 文章编号 : 1001- 3881 ( 2008) 2- 094- 3
出 当衔铁吸力为 250N 时满足衔铁行程为 01 3mm 的设 计要求。
( 13) 2 pe D- b 11\ D= > b 1- b pu 式中: A e 为进、排气管道系统有 效面积; b 为 临界压 力比; p e、 p u、 T u 分别为下游 压力、上游压 力、上游 温度。
31 2 主阀的仿真计算 用 计算机对主阀的运动学方程及压力方 程进 行 仿 真计 算, 其 结果 如 图 7 ) 9 所 示 。图 7 所 示 为 主 阀 阀芯 运 动 曲 线 图 , 从 图 中 可 以 看 出 主 阀 阀 芯 的 最 大 位 移 为 3mm, 阀 芯 从 零 位 到 完 全 开 启 约 11 2m s 。 主阀 阀芯 的 速度 曲线 及主 阀 阀 芯的 受 力 曲 线 见 图 8、 9。从 仿 真 结 果 可 以 看 出 主 阀 阀 芯 在 开 启 瞬 时速 度可 达 6m / s , 阀芯开启瞬时所受的冲击 力 约 为 3 4 00N。
计算方便, 设 Z D为工作气隙磁导, 则有:
1
1 L0S 1 ZD = = RD D 1
1 1
( 3) L 0
式中: D S1 为工 作气 隙 面积; 1 为 工作 气隙 长度; 为空气导磁率。 不考虑气隙边缘的磁通, 电磁吸力为: FD = 2 dZ D L 1 1 < 0 S1 L = # # 2 D# 2 dD 2 Z D 1 D 1
2 系统仿真 先导阀螺旋管电磁力与线圈安匝数的仿真计算采 ++ 用 BORLANDC 31 1 for DOS 环境下编译运行通过。 主阀的仿真仿真采用 MATLAB610 下的 S I MUL I NK 模块, SI MULI NK 是 MATLAB 的一个 方便 的、交 互式 的、可视化的程序编制系 统, 其在 图形接口下, 以画 图框的方式建立系统模 型和进行仿真操作。可以 应用 于线性、非线性、连续力、多变量和多速率系统。在 进行仿 真 分 析时, 整 个系 统 模 型 采用 S I MUL I NK 实 现, 仿真中相关结构尺寸与真实产品相同, 整个系统 SI MUL I NK 仿真实现框图见图 5。
2 2
( I N /m )
( 6)
当 015[ B [ 1144W b /m 时
11 4 主阀数学模型的建立 1141 1 主阀的运动方程 由牛顿第二运动定律可得电磁阀主阀阀芯的运动 方程如下: 2 dx m 2 = p1A 1 - p 2A 2 - F S - F f ( 9) dt 式中: p 1 为主 阀阀 芯大 端 所受 压强; p 2 为主 阀 阀芯 小端所受压 强; A 1 为主 阀阀 芯大 端面 积; A 2 为 主阀 阀芯小端面 积; F S 为阀芯 复位 弹簧 的弹 簧力; F f 为 摩擦力; m 为主阀阀芯的质量。 1141 2 主阀的压力方程 弹射发射装置的动力系统电磁换向阀动作时间很 短, 为简化计算, 作如下假设: ( 1 ) 在动 作过 程中, 电磁 换向 阀腔 室内 气 体与 外界无热交换; ( 2 ) 气源压力恒定; ( 3 ) 气源初始温度为标准环境温度 20e ( 293K ); ( 4 ) 电磁阀内外泄漏均忽略不计。 由以上假设及热力学第一定律可得: 主阀阀芯的工作腔压力方程: dp 1 kRT sQ m 1 kp 1 dx = # ( 10 ) d t A 1 (x 10 + x ) x 10 + x dt