文l张飞

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引言

电磁气动比例伺服阀因其简单的工作结构、大输出功率、大工作频率响应和良好的控制性能，广泛用于工业自动化、医疗设备、科学成分检测器等需要精确调节高压气流的领域。

然而，该阀的输出压力较小，容易受外部环境的影响。基于实际的电磁气动比例伺服阀。

本文建立了有限元动态数学模型，对阀门内的电磁场进行了有限元分析，然后通过对阀门性能参数和结构优化的分析改进了原始比例阀的结构参数。

最后，物理实验证明优化后的电动比例阀可以有效降低工作压力范围内的滞后，并对阶跃信号具有良好的响应特性。

电磁阀式气动流量伺服阀的配置模型

电磁气动流量伺服阀具有简单的工作结构、大输出功率和大工作频率响应的优点。

它广泛应用于需要精确调节高压气源的工业气动伺服控制系统。

这种类型的气动流量伺服阀广泛用于大型气动伺服控制系统中。研究的阀门结构如图所示。

其工作原理是，在阀门初始断电状态下，阀芯在环形弹簧的作用下关闭气隙。

当阀门通电时，阀芯作用打开关闭的气隙，高压气体通过阀口流向工作容器。

应用PWM控制信号，如果电磁结构产生的电磁力大于环形弹簧叶片的力，阀芯向下移动，使工作室的气隙打开，排气口的气流逐渐增加。

结构产生的电磁力小于环形弹簧板的力，阀芯向上移动，使工作室的气隙逐渐减小。

此时，排气口的气流逐渐减小，直到阀芯完全复位，气隙关闭。

当气流为零时，阀门停止工作。通过调整阀门的PWM控制信号，可以改变工作室气隙的有效面积，从而使排气口的气流达到目标值。

电磁阀型气动流量伺服阀的建模

根据调节器的工作原理和实际工作条件，为了便于计算和模拟，可以做出以下假设：

1.在工作部分使用理想气体，节流过程中气体的运动是等熵过程，并且气体温度保持在室温。

2.忽略长管道中的气体流动过程。

3. 橡胶密封部件等效于弹簧-阻尼系统，忽略调节器运行过程中发生的气体泄漏。

基于这些假设和分析，可以建立以下数学模型。

2.1阀门主要机械结构的数学模型

根据阀门的工作原理，可以建立阀门主要机械结构的数学模型，该模型主要描述了上工作室的气体状态和流动变化以及阀芯的运动状态。

工作室的压力方程可以描述如下：

其中，P是工作室的压力，R是气体常数，T是温度，A是膜片的有效面积，V是工作室的体积，Δx是阀芯的位移。

工作腔的流量方程可以描述如下：

当P_dc > P，Q表示为0；当P_dc ≤ P，Q表示为A_dc * C_v * sqrt((2 * (P – P_dc)) / (R * T_dc))；其中P_dc是膜片腔的气体压力，A_dc是上膜片腔的有效面积，T_dc是气体源温度，P_dc是气体源压力，C_v是气体常数因子，而C_p是空气的比热容。

阀芯运动方程可描述为:

其中，P_b是膜片下方的压力，即出口压力；A_s是阀芯的有效面积；K_s是阀芯的弹簧系数；F_f是调节器核心的摩擦力。

有效横截面积的近似工程方法

其中，A_r是矩形面积，A_s是圆柱的侧面积，A_p是由调节器核心和调节器本体形成的环形通道的面积，而k是一个固定值。

2.2电磁体结构的数学模型

为了解决建立电磁结构的数学模型和进行动态模拟的难题，对阀门的电磁部分进行了有限元仿真，并使用Ansoft Maxwell电磁仿真软件对电磁结构进行了模拟。

改变了电磁结构的相关结构参数，分析和研究了性能的影响，如图所示，这是阀门中电磁结构的二维有限元模型。

2.3. 阀门有限元-参数动态数学模型

通过对阀门的电磁部件进行有限元建模，构建了其动态工作状态下的有限元数据组，对有限元数据组进行数学处理和分析，并设计了基于电流变化的参数化模型。

有限元分析数据集被应用于阀门的机械结构模型。在MATLAB中建立了阀门的有限元-集总参数模型。数学模型结构如图所示。

阀门性能参数分析与结构优化

通过建立阀门的有限元-参数动态数学模型，可以分析影响阀门性能的参数，并研究参数变化对阀门性能的影响。

此外，还可以获得阀门的结构优化参数。主要研究内容是阀门的电磁结构参数变化对阀门工作特性的影响。

现在，阀芯直径和匝数（Nr）被用作结构变量，超调量、调整时间和误差是工作特性指标。

通过在有限元-集总参数动态数学模型中使用不同的结构参数变量，可以对其工作特性进行比较分析。

如图所示，当阀芯直径在4.7厘米到5.2厘米之间，匝数增加时，阀门的超调量会达到较小的值，然后逐渐增加。

这是因为对于线圈来说，随着匝数和阀芯半径的增加，在相同工作状态下，阀门中的电磁结构提供的电磁力增加，但当电磁力增加到一定程度时，

阀芯的磁通趋近于饱和值，电磁力对阀芯的变化逐渐减缓，但当阀芯直径达到5.2厘米时，由于阀芯的质量较大，超调量通常较大。

如图所示，当线圈的匝数增加时，阀门的整体调整时间的变化趋势是减小。同时，当阀芯直径为4.7厘米时，调整时间较短。

然而，如果阀芯直径过小，阀芯的平均有效磁场将较小，内部磁柱的磁阻将增加，电磁力将减小，调整时间将变长。

相反，如果阀芯直径过大，由于阀芯的质量较大，在相同的电磁力下，调整时间将更长。

如图所示，当线圈的匝数增加时，阀门的误差总体趋势是减小的，但变化幅度较小，优化效果有限。

如果改变阀芯的直径，可以有效减小误差值。当阀芯直径为4.7厘米时，误差值最小。

这是因为阀芯直径过小，其电磁力较小，使得难以及时调整阀芯位置，但阀芯直径过大，阀芯质量过大，电磁力对阀芯的影响较小，误差值也较大。

通过有限元-参数动态数学模型的数据分析，在以阀芯直径和匝数作为结构变量的工作特性比较实验中，参数组合为“线圈450匝，阀芯直径4.7厘米”的工作表现更佳，并且在确保电磁力满足开启条件的情况下，阀门功耗较小。

使用“线圈450匝，阀芯直径4.7厘米”可以使超调量为13.05%，调整时间为0.23秒，误差值为2.25%。该阀门具有较好的工作特性。

阀门的物理实验分析

如图所示，已经建立了一个电磁阀型气动流量伺服阀的开环实验回路，并验证了流量阀的结构优化以改善其工作特性。

在这个实验电路中，高压气源和气动降压阀可以提供一定范围内的可控压力和稳定的高压气流；电动开关阀用作气动电路的开关结构，控制主电路的开关以实现气压信号切换控制；

电磁阀型气动流量伺服阀用作实验测试组件；气体流量传感器用于测量流量阀的输入和输出处的气体流量值；可调节节流阀和气体箱用作可调节的系统负载。

如图所示，阀门的入口气压设定为0.3 MPa，其余工况保持不变，分别测试了原始阀门和改进阀门的正向和反向行程流量输出值。

从行程流量的数值分析中可以看出，改进后的阀门的起动电流大于原始阀门。

这是因为改进后的阀门中线圈匝数较少，需要较高的起动电流来使阀芯开始运动。

同时，改进后的阀门与原始阀门进行了比较。

滞后值降低到了原始滞后值的约72%，小于最大流速的9%，其重复性也提高到了小于最大流速的5%。

如图所示，阀门的入口气压设定为0.5 MPa，其余工况保持不变，分别测试了原始阀门和改进阀门的正向和反向行程流量输出值。

从行程流量的数值分析中可以看出，改进后的阀门的起动电流与原始阀门相似。

这是因为当保持高的气压值时，工作室内的压力差产生的气压较大，阀芯需要较高的起动电流才能开始移动。

因此，改进后的阀门和原始阀门的起动电流都大于0.3 MPa的低压。

同时，改进后的阀门的滞后值与原始阀门相比有所降低，为原始滞后值的68%。最大流速的9%左右，其重复性也提高到了最大流速的3%以下。但同时，改进后的阀门可以提供的最大输出流量较小。

这也是由于在阀门线圈匝数和阀芯直径经过优化后，使得工作室内的气隙较小，输出流量较小，从而使阀门核心上的电磁力较小。

如图所示，阀门的入口气压设定为0.5 MPa，其余工况保持不变，分别测试了原始阀门和改进阀门的正向和反向行程流量输出值。

从行程流量的数值分析中可以看出，改进后的阀门的起动电流与原始阀门相似。

这是因为当保持高的气压值时，工作室内的压力差产生的气压较大，阀芯需要较高的起动电流才能开始移动。

因此，改进后的阀门和原始阀门的起动电流都大于0.3 MPa的低压。

同时，改进后的阀门的滞后值与原始阀门相比有所降低，为原始滞后值的68%。最大流速的9%左右，其重复性也提高到了最大流速的3%以下。但同时，改进后的阀门可以提供的最大输出流量较小。

这也是由于在阀门线圈匝数和阀芯直径经过优化后，使得工作室内的气隙较小，输出流量较小，从而使阀门核心上的电磁力较小。

如图所示，阀门的入口气压一直设置为0.5 MPa，并且控制信号采用0-90 mA的阶跃信号。

通过流量的数值分析，在增加气体流量的过程中，达到60升/分钟目标流量值的20%所需的时间是阀门的启动时间；

也就是说，阀芯移动打开工作室气隙所需的时间，然后在这种工作条件下，阀门处于气动状态的时间约为0.11秒，启动时间相对较短。

当气体流量达到稳定过程时，流量保持相对稳定，误差值约为5.1%。这是因为气源压力受到实验条件的限制，无法在0.5 MPa下保持恒定，这会受到实验回路的工作状态影响。因此，会出现流量误差。

结论

本文以电磁阀型气动比例流量阀为研究对象，建立了阀门的有限元动态数学模型，通过对阀门内的电磁铁磁场进行有限元分析，研究了阀门的动态特性，并对阀门的关键结构参数进行了优化。

随后，通过物理实验进行了相关验证和分析，得出了以下三个主要结论：

通过建立电磁阀型气动比例流量阀的有限元动态数学模型，利用仿真实验，优化了阀门的电磁结构参数，研究了其动态特性的变化，

并在一定参数范围内优化了影响阀门性能的关键结构，当线圈匝数为450匝，阀芯直径为4.7厘米时，阀门具有较好的工作特性，为研究提供了研究基础。

设计了气动流量伺服阀的开环实验系统，以验证优化阀门结构参数的性能影响。通过比较，在低压条件下，阀门的初始电压略有增加，高压条件下阀门的输出流量略小，

但能有效减小阀门在工作压力范围内的滞后，并增强阀门的可重复性。滞后值降低到了未优化阀门的约70%，阀门的可重复性保持在最大流量的5%以下，证明了优化的有效性。

验证了阀门在阶跃信号下的响应特性。在相对较高的工作压力条件下（0.5 MPa），阀门的输出流量切换时间可达约0.19秒，而流量保持相对稳定，误差值约为5.1%。在较低的工作压力条件下（0.3 MPa），

阀门的输出流量切换时间可达约0.12秒，而流量保持相对稳定，误差值约为3.9%。与已发表的数据相比，阀门的最大输出误差显著减小。

参考文献

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