水液压数字阀的电磁场数值研究.pdf

2 0 1 3年第 4 1 卷第 9期 流体机械 文章 编号 1 0 0 5 0 3 2 9 2 0 1 3 0 9 0 0 2 5 0 4 水液压数字阀的电磁场数值研究 朱碧海。 孟俊贤， 姜维 ， 贺小峰 ， 刘银水 华中科技大学， 湖北武汉4 3 0 0 7 4 摘要 介绍了一种由2个二位三通换向球阀集成于一体的数字开关阀。该阀的阀体部分可作为电磁铁轭铁， 衔铁部 分可作为放大杠杆 ， 从而使阀体和杠杆成为磁路的一部分。电磁线圈密封于阀体内， 有 良好的耐压性。因此， 该阀适用 于在海洋环境水下作业的液压系统。文中重点研究了位于电磁铁铁芯头部与衔铁接触处， 能够咬合的特殊锯齿结构。 在不同结构和几何尺寸下 ， 利用有限元分析软件 A N S Y S对于电磁铁铁芯和衔铁部分进行了电磁场数值分析， 得出电磁 吸力特性曲线。仿真结果表明， 这种具有特殊锯齿结构的电磁铁， 在咬合前期具有较大的吸合力 ， 咬合后期吸合力逐渐 减小， 因此能减小撞击且具有较高的响应频率。 关键词 数字开关阀； A N S Y S ； 电磁场； 锯齿结构； 数值分析 中图分类号 T H 1 3 7 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 5 0 3 2 9 ． 2 0 l 3 ． 0 9 ． O O 6 Nu me r i c a l An a l y s i s o f El e c t r o ma g n e t i c F i e l d o f t h e S e a wa t e r Hy d r a u l i c Di g i t a l Va l v e Z HU Bi - h a i ， MENG J u n x i a n， J I ANG We i ， HE Xi a o f e n g ， L I U Yi n s h u i H u a z h o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，Wu h a n 4 3 0 0 7 4 ， C h i n a A b s t r a c t T h e d i gi t M s w i t c h v a l v e i n t e g r a t e d b y t w o t w o - p o s i t i o n - t h r e e w a y b al l v al v e s w a s p r e s e n t e d ． T h e v al v e b o d y c a l l a c t a s t h e h e e l p i e c e of t h e e l ec t r o ma g n e t ，the a r ma t u r e a s t h e a mp l i f y l e v e r S O t h a t t h e v alv e b o d y a n d t h e l e v e r c a n b e a p a r t o f t h e ma g n e t i c c i r c u i t ．T h e e l e c t r o ma g n e t i c c o i l i s s e a l e d i n the v a l v e b o a y ，w h i c h h a s wa t e r p r o o f a n d p r e s s u r e r e s i s t anc e p e rfo r manc e ． Th e r e f o r e，thi s k i n d o f v a l v e c an b e fi t f o r the h y d r a u l i c s y s t e m i n d e e p s e a w a t e r ．T h i s p a p e r p r o p o s e s a s a w s h a p e d s t r u c t u r e i n t h e c o n t a c t p a r t b e t w e e n t h e e l e c t roma g n e t i c C O re and t h e a rm a t u r e ．B y u s i n g t h e F i n i t e E l e me n t Me t h o d t o a n aly s e t h e n u me r i c al v alu e of e l e c t r o ma g n e t i c C O re and a r ma t u r e，t h e c h a r a c t e ri s ti c c u r v e 8 o f e l e c t r o ma gne t i c f o r c e b rou g h t b y d i ff e r e n t s t r u c t u r e s a n d p h y s i c al d i me n s i o n s c a n b e o b t a i n e d ．Th e r e s u l t s 0 f t h e s i mu l a t i o n s h o w t h a t t h e e l e c t r o ma g n e t ，w i t h t h e s a w - s h a p e d s t r u c t u r e， h a s l a r g e s u c t i o n f o r c e i n t h e p r e v i o u s s t a g e a n d g r a d u a l l y r e d u c e d f o r c e i n t h e r e ma i n s t age ．Th i s c a n h e l p d e c r e a s e t h e i mp a c e a n d i n c r e a s e t h e r e s p o n s e f r e q u e n c y ． Ke y wo r d s d i g i t a l s w i t c h v a l v e ； ANS YS； ele c t r o ma g n e t i c fi e l d； s a w- s t r u c t u r e ； n u me r i c al a n aly s i s 1 前言 海水液压传动技术安全、 环保及与海洋环境 相容 ， 尤其能够满足深海作业要求。由于海洋环 境下水深压力高 ， 潜水员很难亲 自操作水下作业 机械u ， 因此 ， 需要具备具有 自动控制功能 ， 由机 器人操作的水下作业机械， 海水液压技术能满足 海洋水下作业机械的需求 。本文研究的数字开关 阀不仅可用于地面液压系统 ， 更 由于其特殊 的密 收稿 日期 2 0 1 21 l一 2 7 基金项 目 国家 自然科学基金 资助项 目 5 0 9 7 5 1 0 1 封结构 ， 可适用于水下作业机械。 水液压伺服阀和水液压比例阀都 因为加工精 度高 ， 且大多数情况下采用滑阀结构 ， 很难克服阀 芯与阀套的摩擦阻滞 ， 影响其可靠性 。数字 阀本 质上以开关 阀的方式进行工作 ， 因而结构简单 ， 工 作可靠； 响应速度快， 工作频率高； 直接采用数码 控制， 能方便的与计算机系统连接， 而且抗干扰能 力强。但是 ， 数字阀大多在高频率状态下工作 ， 在 控制大流量情况下有难度， 因此多用作液压阀的 F LUI D MACHI NERY Vo 1 ． 41， No ． 9， 2 01 3 先导 阀 。 国外的 日本小松制作所研制 了海水液压伺服 控制阀 ， 该 阀可实现流量的精确控制 ， 且使用放大 机构可获得较大流量。德 国 H a u h i n c o公 司研制 了中高 压 、 大 流 量纯 水 液压 控 制 阀， 压力 可达 2 1 MP a 。德国 M a r c o 公司生产了使用高水基乳化 液为工作介质 的双联 电磁先导阀 ， 此 电磁阀 由 2 个独立功能的先导阀共用一个阀体， 阀体兼做电 磁铁的铁芯， 体 积轻巧。本文在借鉴该公司此类 阀结构的基础上， 研究了一种用于海洋环境下的 海水液压数字阀 。j 。 本文研究的数字阀的电磁铁衔铁及铁芯部分 的锯齿结构参照上文提到的德国 Ma r c o双联电磁 先导阀的电磁铁部分。利用 A N S Y S软件对 电磁 铁的铁芯、 衔铁及 阀体 的不 同结构和不 同尺寸进 行了有限元分析， 得出衔铁和铁芯吸合部位有无 锯齿 ， 及锯齿疏密的不 同对于吸合力特性的影响。 2 数字开关阀结构 图 1为数字开关 阀的结构示意。图中铁芯 、 衔铁及阀体组成一个 E型拍合式电磁铁， 阀体既 作为铁芯线圈的耐压壳体， 也作 为先导 阀的安装 体 ， 同时也作为 电磁铁轭铁 ； 衔铁采用力放大杠杆 机构 ， 以较小的电磁吸力经过杠杆放大之后推动 阀球开启 ； 阀芯采用球阀结构 ， 具有较好的抗污染 能力， 高频响， 且密封性好。线圈密封于阀体内， 具 有较好的耐压性， 能够使用于水下环境中。衔铁、 铁芯及阀体上端设计为可以互相咬合的锯齿状， 充 分利用气隙磁势 ， 产生平稳的电磁吸力 ， 减小吸合 过程中产生 的噪声和冲击 ， 提高电磁铁 的响应频 率。 图 1 数字开关阀主体结构示意 3 电磁铁结构 普通结构 的电磁铁 啮合部 分通常为平板 结 构， 在吸合过程中容易产生较大噪声与撞击 ， 降低 电磁铁寿命 ， 且工作频率不可太高。因此 ， 本文中 电磁开关阀的研究主要在于研究具有特殊结构的 电磁铁 ， 找 出具有最佳静态特性 的电磁铁结构 。 本文研究的电磁铁结构形式如图 2所示 。衔铁 、 铁芯和阀体 的上部做成可 以相互 咬合 的锯齿结 构 ， 局部放大如图 3所示 。 图2 电磁铁结构示意 ■茸 图 3 锯齿结构局部不意 锯齿结构可 以实现 电磁铁磁导 由小到大， 再 由大到小的变化， 从而使整个吸合过程平稳进行。 本文设定锯齿结构 的变化参数为齿距 A、 齿隙 6 、 沟槽深度 t 和衔铁厚度。研究电磁铁 的 7种不同 结构对吸力特性 的影响。其中， 结构 1为无锯齿 结构 ， 结构 2 7为锯齿结构。结构参数见表 1 。 表 1 电磁铁 结构 参数 结构 齿锯 齿间距 沟槽深度 衔铁厚度 备注 类型 A mm 占 f m m t m m m m 衔铁及铁 结构 1 0 0 O 5 芯为板式 结构 2 2 ． 9 O ． 2 1 ． 5 5 结构 3 2 ． 9 O ． 2 2 ． 5 5 结构4 2 ． 9 0 ． 1 1 ． 5 5 结构 5 1 ． 9 0 ． 1 1 ． 5 5 轭铁磁路 结构 6 2 ．9 0 ． 1 1 ． 5 5 截面积较 结构 7 1 ． 9 0 ． 1 1 ． 5 2 ． 5 2 0 1 3年第 4 1 卷第9期 流体机械 4 电磁场数值分析方法及模型 4 ． 1 电磁 场数 值 分析 方 法 电磁场的数值分析方法主要有 有限元法 、 边 界元法和有限差分法 。其中， 有限元法是其 中最 有效、 应用最广的一种数值计算方法 ] 。本文选 择有限元法对电磁场进行分析。 安培环路定律、 法拉第电磁感应定律、 高斯电 通定律和高斯磁通定律组成 了麦克斯韦方程组其 微分形式可由以下方程描述 了 1 一塑 2 ‘ D P 3 B 0 4 式中．， ．一传导电流密度矢量， A ／ m 位移电流密度 D 电通密度 ， C ／m 卜电场强度， V ／ m 磁感应强度 ， T P 电荷体密度 ， C ／m 定义矢量磁势 A和标量电势 ， 可简化 电磁 场计算 B V 5 E 一 6 式 5 ， 6 可形成一个独立的电场或磁场 的 偏微分方程 ， 方便求解。 矢量磁势 A和标量 电势 定义后 ， 可应用到 法拉第电磁感应定律、 高斯磁通定律、 安培环路定 律和高斯 电通定律 中。 经过推导 ， 可分别得到磁场偏微分方程和 电 场偏微分方程 一 o - __d 一 7 一 一 詈 8 得出方程 7 和方程 8 后 ， 就可以利用有 限 元法进行数值分析求解， 得到电磁场和电势场的 分布 ， 再经过后处理的过程 ， 便最终可以得到磁感 应强度、 储能等各种电磁场的物理量 。 4 ． 2 电磁场数值分析模型 1 前处理 文中使用三维设计软件 P r o ／ E建立电磁铁部 分的几何模型， 导入 A N S Y S 后进行属性赋值和单 元格划分等。计算结果精确度很大程度上由网格 质量决定。在本文的电磁场分析 中， 阀体及空气 层部分使用 F r e e M e s h 自由划分 ， 衔铁和铁芯部 分使用 R e fi n e m e s h 精细划分 。线圈不进行网 格划分 ， 只通过一个有 限元 哑元单元 S O U R C E 3 6 的定常数来定义。 2 求解 首先确定边界条件 和加载激励源。本文 中， 使用 A N S Y S对电磁场进行有限元分析时 ， 假设磁 通量在边界的方 向是与边界平行 的方 向。因此 ， 将全部面设定为通量平行 ， 这是 自然边界条件 ， 自 动得到满足。计算出磁势， 输入至 A N S Y S 作为激 励源。 在 A N S Y S中， 可 通 过 给 待 求 力 的部 分 加 M a x w e l l 标志面来计算电磁力。Ma x w e l l 标志面并 不是真正意义的载荷， 而是给模型中待求力的部 分加力标志。在本次分析中， 将衔铁部分定义为 一 个部件， 再施加力标志L9 J 引。数字开关阀阀体 部分的有限元分析模型如图4所示 。 图 4电磁法 分析模型 3 后处理 通过 A N S Y S可获得求解结果 ， 并进行计算。 电磁场相关参数 ， 如气隙处最大磁感应强度 、 气隙 处最大磁场强度 ， 衔铁吸合力等 的具体数值都可 通过 A N S Y S的后处理器获得。 5 数值计算结果及分析 气隙高度为衔铁末端处衔铁锯齿与阀体锯齿 的距离最大值。衔铁在 吸合过 程 中所处位置不 同， 气隙高度就随之变化。7种结构的吸合力归 纳起来 ， 如 图5所示 。 FLUI D MACHI NERY Vo 1 ． 41， No． 9， 2 01 3 善 ‘R - 气 隙高度 mm 图5 多种电磁铁结构衔铁吸合力曲线 5 ． 1 无锯 齿 结构 结构 1 的曲线为类 反比例函数 曲线 ， 吸合力 F随气隙高度 的增 大而减小。也就是说 ， 当线 圈得电后， 衔铁与铁芯产生吸合力， 气隙高度开始 减小 。在 由初始 的 1 ． 8 m m逐 渐减 小至 0 ． 3 m m 的过程中， 电磁铁吸合力随之增加。这是 因为在气隙减小时， 气隙磁导增大， 相应的磁场强 度增大。在无锯齿 的平板结构 中， 近似 的可认为 气隙接触面积保持不变 ， 衔铁所受 吸合力逐渐增 大。这种结构的电磁铁具有的力特性易在吸合时 产生较大冲击 。 5 ． 2 有锯齿结构 从图 5中电磁铁结构 2 、 4 、 5 、 6及结构 7的曲 线可以看出， 线圈得电后， 在未咬合阶段时， 由于 气隙减小 ， 磁导增大 ， 衔铁所受吸合力逐渐增大 ； 在开始咬合的瞬间， 也就是气隙高度 0 ． 9或 1 ． 2 时达到最大吸合力。锯齿开始咬合后， 由 于锯齿结构的影响 ， 衔铁 与铁芯之间的气隙变成 了 2个部分。如图 6所示 ， 气隙 1会产生对衔铁 的吸合力， 而气隙 2会消耗较大磁势 ， 并且对衔铁 没有产生吸合力 ， 故得到图5中的吸合力曲线。 气 图6 气隙示意 从结构 3的曲线可以看出， 吸合力随气隙高 度 的减小而减小。在衔铁吸合过程中， 由于衔 铁和铁芯沟槽过深， 在吸合 的初始状态就 已经 咬 合 ， 齿间气隙 2一开始就已存在 ， 故衔铁在吸合过 程中所受吸合力逐渐减小。 此外 ， 由图 7和图 8可以看出， 在气隙高度为 0 ． 6～1 ． 8 ra m 时， 带锯齿结构 的磁通量密度大 于 无锯齿结构的磁通量密度 ， 从而可以达到更大的 吸合力， 以较快速度吸合， 提高响应频率。这是因 为 ， 当磁路的形式不同时， 磁通的分布也不同。无 锯齿结构空间较为开放 ， 磁漏较大。锯齿状磁力 线通路多， 磁漏较小 ； 且锯齿结构齿侧面的磁漏也 会形成电磁力 。故带锯齿结构会产生更大的吸合 力， 提高相应频率。 6结论 2 2 5E- 05 ． 401 07 8 02 1 3 8 I ． 20 3 1 ． 60 4 图 7 结构 1 磁通量密度云图 ．330E一05 ． 42 657 ． 8 53 1 37 1． 28 1 ． 7 06 图8 结构 4磁通量密度云图 1 通过对 电磁铁不 同结构的数值分析， 得 到其吸合力特征。可 以得知， 电磁铁衔铁及铁芯 设计为锯齿形状 时， 不仅可 以满足 电磁铁工作要 求 ， 并且使吸合过程更加平稳 ， 提高响应频率 ； 2 由于衔铁作为力放大杠杆的影响， 此种结 构电磁铁的吸合力经杠杆机构放大后会 比普通结 构电磁铁的吸合力大 ； 特殊的锯齿结构产生更大的 磁感应强度 ， 从而有更大的吸合力。因此 ， 本文 中 研究的电磁阀在提高响应频率方面具有很大优势； 在海洋这种特殊环境下 ， 电磁铁铁芯和衔铁 部分通常裸露于海水 中， 无法解决侵蚀 问题 ， 因 此 ， 研究使用高导磁率耐蚀合金的电磁 阀是下一 步研究的重心 。 下转第4 3页 2 0 1 3年第 4 1 卷第 9期 流体机械 4 3 排气压差小的工况。但在该工况范围内由于压缩 机的进、 排气压差很大， 气量的提升空间有限， 供 气能力仅 比定频机略高 。 变频活塞 压 缩机 在 进气 压 力 为 21 3 MP a 时 ， 随着负荷降低能够 自动调高主电机转速 以获 得较大的功率， 确保了排气量的提升， 减少了单位 压降所用的时间， 降低了无功损耗， 减少了能耗。 4结论 1 变频活塞式子站压缩机相对于液压活塞 式和定频往复活塞式， 具有平均排气量大、 总运行 时间短、 低压进气段排气量大、 低压进气段时间短 及全卸气阶段能效比高等优点； 2 变频活塞式压缩机在不同进气压力下运 行时， 其排气量均大于液压活塞式和定频往复活 塞式 ， 因此变频机平均气量最大 ， 耗能最小 ， 能效 比最优 ； 3 通过对子站系统用活塞式压缩机的对 比 分析， 变频活塞式压缩机具备了智能 、 高效 、 节能 等优势， 而主电机转速变频范围越大， 这一优势也 将越明显。可以预期， 在未来的 C N G活塞式压缩 机领域 ， 变频结构的市场竞争力更强 。 参考文献 [ 1 ] 高其烈． C N G压缩机面面观[ J ] ． 压缩机技术， 2 0 1 1 ， 4 5 8 ． [ 2 ] 杨红， 竟然， 陈海松． 机械式与液压式 C N G子站压缩 机的对比[ J ] ．企业技术开发， 2 0 1 2 ， 3 1 5 8 3 - 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i n g，1 9 9 7 ． 作者简介 朱碧海 1 9 6 7一 ， 男， 博士， 副教授， 主要研究方向 为液压传 动与控制技术 ， 通讯地址 4 3 0 0 7 4湖北武汉 市华 中科技 大学机械学院液压与气动中心。 1 J 1 J 1 J 1● 1 J 1 2 3 4 5 1