液压电磁阀故障机理分析与瞬态特性仿真

设电磁阀 线 圈 的 电 感 量 为 L，则 电 磁 阀 的 电 路 方 程为：
u
=
iR
+
dΨ dt
=
iR
+L
di dt
+
i
dL dt
式中： u 为线圈励磁电压，i 为线电流，R 为线圈电阻， Ψ 为磁链，t 为时间。
衔铁未动之前，可认为 dL / dt = 0； 衔铁一旦吸动，即 会产生运动反电动势，此时阀芯运动电压方程为：
摘 要： 液压电磁阀作为液压系统中的关键元件，是电控系统和液压系统的控制中枢，在大型武器装备中使用数量多、分布广， 且故障率较高，对其实施在线监测诊断对于确保液压系统的正常运行十分重要。在收集整理电磁阀常见故障的基础上，深入研 究了各类故障的发生机理； 通过对电磁阀常见故障和特征信号的可测性分析，提出了一种基于磁场和振动敏感的电磁阀非介入 式测试诊断技术； 通过对电磁阀工作过程中的磁路分析和阀芯受力分析，建立了电磁阀的瞬态响应仿真模型，并进行了实验验 证，为电磁阀故障的快速检测诊断奠定了基础。 关键词： 电磁阀； 瞬态特性； 仿真； 非介入式测试诊断； 故障机理 中图分类号： TH137． 52 + 3 文献标识码： A 国家标准学科分类代码： 460． 45
故障现象
原因分析
可测性分析 通 过 振 动 / 磁 场 联 合 探 测，
电磁铁故障 可定位由电磁铁故障而产生的
阀芯不运动
阀芯卡紧 油液变化
阀芯不动作 通过振动探测，可定位到阀
芯卡滞故障，但具体原因需要
泄漏
复位弹簧故障 外漏 内漏
结合工程实际经验来判定 难以通过振动 /磁场检测
压力损失大
漏磁现象 冲击或振动
dL dx
=
4μ0 πD2 N2 l2v ［4lv （ l0 － x） + rD］2
3． 1． 2 电磁吸力 F
根据虚位移原理，设电磁铁气隙变化 dx 时吸力做机
械功为 Fdx，它应等于系统总磁能的变化 dW
=
1 2
i2 dL，
2728
仪器仪表学报
第32 卷
因此得： Fdx = dW = 1 i2 dL 2 （ 2） F = 1 i2 dL 2 dx
u = iR + L di + vi dL dt dx
（ 4）
3． 3 运动方程 3． 3． 1 弹簧力 F1
弹簧力的计算公式为：
F1 = k（ x0 + x）
实际流量过大 难以通过振动 /磁场检测
尺寸不对
通过振动探测，可定位到阀 阀芯移不到位
芯卡滞故障
电磁线圈 表面有缺陷
通过磁场检测
阀芯吸合速度过快 通过振动检测
螺钉松动
根据建模需要，可以将电磁阀的工作过程简化为 3 个数学 方 程，分 别 为： 磁 路 方 程、电 路 方 程 以 及 运 动 方程［6-13］。
2． 2 各类故障的可测性分析
如前所述，本文 的 研 究 目 标 是 为 基 于 磁 场 和 振 动 敏 感的电磁阀非介入式测试诊断技术提供理论支持，下面 针对各类常见故障与振动、磁场 2 类特征信号进行可测 性分析，如表 1 所示。
表 1 故障可测性分析 Table 1 Fault testability analysis
由此而产生的摩擦力为黏滞性阻尼力，根据下式计算：
f
=
Cf
dx dt
式中： Cf 为油液的黏性阻尼系数。 因此，摩擦力 F2 等于阀芯与阀体之间摩擦力及液压
油阻力之和，故：
F2
=
fv
+f
=
（ Cv
+ Cf）
dx dt
3． 3． 3 阀芯运动方程 电磁铁通电阶段，线圈通电产生电磁吸力，克服弹簧
力和摩擦力，吸引衔铁推动推杆，使阀芯运动，因此阀芯 运动方程为：
Rg1
=
r μ0 πDlv
所以电磁铁的电感为：
L = N2 =
μ0 πD2 N2 lv
R（ x） 4lv（ l0 － x） + rD
式中： μ0 为真空磁导率，D 为阀芯直径，N 为线圈匝数，
lv 为阀芯衔铁长度，r 为非工作气隙平均宽度，l0 为工作
气隙最大宽度，lg 为工作气隙长度。
对 L 进行求导可得：
文提出了一种基于磁场和振动敏感的电磁阀非介入式测 试诊断技术［4］，能够实现对液压系统大量电磁阀的工作 状态进行实时准确的监测诊断，其可靠性依赖于所建立
收稿日期： 2011-03 Received Date： 2011-03 * 基金项目： 总装维改课题（ ［2009］装司 62 号） 、中国博士后科学基金（ 20070411115） 资助项目
第 32 卷 第 12 期 2011 年 12 月
仪器仪表学报
Chinese Journal of Scientific Instrument
Vol. 32 No. 12 Dec． 2011
液压电磁阀故障机理分析与瞬态特性仿真*
蔡 伟，郑贤林，张志利，黄先祥
（ 第二炮兵工程大学 西安 710025）
第 12 期
蔡 伟 等： 液压电磁阀故障机理分析与瞬态特性仿真
2727
的电磁阀仿真模型的准确性。 以电磁换向阀 为 例，其 阀 芯 运 动 的 驱 动 力 来 自 于 电
磁线圈通电产生的电磁力，电磁铁本身或电气回路故障 都有可能影响电磁力大小。此外，油液中的杂质有可能 堵塞阀口或阻碍阀芯运动； 同样，内泄漏、弹簧失效都可 能引起阀芯卡滞，而电磁阀内部磨损也有可能导致其工 作不正常。本文以 4WE6E6X / EG24N9K4 型电磁换向阀 为例，对液压电磁阀几种常见故障的机理、电磁阀换向过 程中的受力情况和电磁阀的瞬态特性进行了深入分析。
1引 言
液压电磁阀是借助电磁铁通电时产生的推力使阀芯 在阀体内作相对运动实现换向的液压阀，其工作性能的 优劣直接影响装备的工作与安全。现有的电磁阀检测技 术通常采用离线方式，将待测电磁阀安装接入到专用测 试系统中进行检测，无法对运行中的电磁阀的工作状态
进行实时在线监测和诊断［1］； 有的在线监测方法需要对 电磁阀的控制电路或油路进行分解，再装入测试设备进 行测量，这些方法需要分解原有电路或油路，改变了设备 的工作状态，增加了安全隐患［2］； 有的监测方法仅靠定性 的感官诊断，无法实现对电磁阀状态的准确检测［3］。本
e
=
i
dL dt
=
vi
dL dx
（ 3）
速度成正比。
1） 阀芯与阀体之间的动摩擦力 fv
fv
=
Cv
dx dt
式中： Cv 为电磁阀的速度阻尼系数，x 为电磁阀阀芯运动 的位移量。
2） 液压油阻力 f
阀芯在换向和 复 位 过 程 中，由 于 油 液 具 有 一 定 的 黏
度，所以它会对具有一定速度的阀芯运动产生阻碍作用，
工作气隙的长度 lg 随阀芯位移 x 的增加而减小，故 有 lg = l0 － x。工作气隙面积等于阀芯横截面积：
Ag0 = πD2 /4 代入气隙磁阻计算公式 Rg0 = lg / μ0 Ag0 可得工作气隙 磁阻：
Rg0
=
4（ l0 － x） μ0 πD2
由于非工作气隙为圆环形柱面，可得其磁阻为：
Failure mechanism analysis and transient characteristic simulation of hydraulic electromagnetic valve
Cai Wei，Zheng Xianlin，Zhang Zhili，Huang Xianxiang
2 电磁阀常见故障及可测性分析
3 电磁阀瞬态特性建模
2． 1 电磁阀的常见故障
电磁阀在 使 用 过 程 中 常 见 的 故 障 现 象 主 要 有 以 下 几种［5］：
1） 阀芯不运动： 导致阀芯不运动的原因主要有电磁 铁故障、阀芯卡紧、油液变化和复位弹簧故障等；
2） 泄漏： 主要包括内漏和外漏； 3） 压力损失大： 主要是由于实际流量过大、阀芯台肩或 阀体沉割槽尺寸误差以及阀芯移不到位等原因导致的； 4） 漏磁： 电磁线圈表面有缺陷，从而导致穿过线圈 的磁通量发生变化； 5） 冲击和振动： 阀芯运动速度过大或固定电磁阀的 螺钉松动，导致冲击和振动。
3． 1 磁路方程
3． 1． 1 电磁线圈电流
根据电磁场理论，可得电磁线圈电流方程为：
i = Ψ/L
（ 1）
一般情况下，电磁铁的工作气隙很小，故可用磁路分
析法对电磁铁进行参数计算：
R（ x） = Rg0 + Rg1 式中： R（ x） 为电磁铁的总磁阻； Rg0 为工作气隙磁阻； Rg1 为非工作气隙磁阻。
（ Second Artillery Engineering University，Xi'an 710025，China）
Abstract： Hydraulic electromagnetic valves are the key components in hydraulic systems，which play the control centrum role in electrical control system and hydraulic system． They are widely used and the failure rate is very high； therefore the diagnosis of electromagnetic valve failure is very important． This paper studies most kinds of failure mechanisms deeply based on collecting and reorganizing common electromagnetic valve failures． Through analyzing common electromagnetic valve failures and characteristic signal measurability，a unique non-intrusive test and diagnostic technique was proposed based on magnetic field and vibration sensitivity． Based on the magnetic circuit analysis and valve core stress analysis in the operation process，the electromagnetic valve transient simulation models were obtained and simulation results were compared with experimental results． This paper lays a solid foundation for quick maintenance of electromagnetic valves． Key words： electromagnetic valve； transient property； simulation； non-intrusive test diagnostic technique； failure mechanism