CC BY
51
УДК 621.3:62-38:
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГОКЛАПАНА С УПРУГИМ СОЕДИНЕНИЕМ ЯКОРЯ /1 ЗАПОРНОГО ОРГАНА
К В. Захаренков 1, Б. Б. Захаренков * ' Омскг>й государственный технический университет, г. Омск, Россия ' РЭУ пи. Г.В. Плеханова, г. Омск, Россия
Лннотащя - Широкое применение электромагнитных клапанов в машиностроении в целом, актуализирует постановку задач, ориентированных на повышение их технико-экономических характеристик за счет оптимизации конструкции. Целью работы является исследование преимуществ электромагнитного клапана с аккумулирующей пружиной в кинематической цепи якоря электромагнита п запорного органа клапана. Для достижения цели в работе формулируются и решаются следующие 5адачн: анализ динамики электромагнитного клапана, с представлением его работы в внде отдельных фаз: экспериментальное исследование клапанов и сравнение характеристик электромагнитного клапана с аккумулирующей пружиной с аналогичными характеристиками классических электромагнитных клапанов. Рассматриваются конструкция и принцип работы кташна с аккумулирующей пружиной. Записаны уравнения динамики электромагнитного клапана, считывающие наличие аккумулирующей пружины и спад сил давления ни .мере «лкрыванин к 1а на на. Ншдено уравнение ни определению жен кони аккумулирующей пружины пропорционально силе сопротивления, создаваемой давлением рабочей среды. Результа ты гтйнюйыт испытаний клапана г аккулгулнруюптей пружины ппказктлют. что сила тока и катушке не зависит от величины давления рабочей среды. На основе полученных результатов можно добиться снижения потребляемой мощности, путем установки аккуму лирующей пружины.
Алючеше слова: электромагнитный клапан, электромагнитный привод, линейный привод, якорь
з.1ек1рома1шиа.
I. ВВЕЛЕНИЕ
Классическим электромагнитным клапаном будем называть устройство, в котором перемещение якоря происходит за счет тяговой электромагнитной ситы н конструктивно якорь жестко соединен с запорным органом. Такие клапаны широко распространены в области машиностроения. В последнее время все более широкое распространение получает применение электромагнитных клапанов в двигателях внутреннего сгорания вместо кулачковых механизмов [6. 8].
На быстродействие н надежность функционирования объектов, в которых клшакы осуществляют управление. существенно влияют характеристики электромагнитных клапанов '4. б].
Геометрические размеры и энергетические затраты привода электромагнитного клапана являются определяющими характеристиками в смысле надежности функционирования и быстродействия как самого клалана. так и ооьекта управления. Поэтому оптимизация электромагнитного привода клапанов прямого действия по геометрическим размерам и энергетическим затратам является актуальной задачей.
В направлении оптимизации электромегшшшх клапанов выполнено большое количество работ длт прпме нения й рл^.тшчнь-х технически* уггройгттах с учетов гиепифичи их облагтн пр^-менения [4. 6 7] Причем целью оптимизации является призодное устройство клапана, которое в большинстве случаев представляет электромагнит. Возросший в настоящее время интерес к применению электромагнитного привода в механотреннке [3. 5] актуалишрует изучение новых подходов к конструнрсванню электромагнитного привода с меньшей массой использованного материала на единиц;.' раооты при заданных условиях нагрева оОмотки 5\.
Па?:ождсннс зависимостей между электрическими характеристикам и геометрическими параметрами является важной эадапей ие только с точки зрения нахождения иижеиериых методик расчета, но и оптимизации конструкции [2. 7. 9].
Одним из таких подходов к оптимизации, который обеспечивает снижение потреЗляемон мощности без изменения геометрии клапана, основан на применении аккумулирующих упругих элементов в кинематической цепи соединения якоря электрсмагнита и запорного органа клапана [1]. Такие клапаны будем называть электромагнитными клапанами с аккумулирующей пружиной.
П. Постановка задачи
Цель настоящей работа анализ дпкамшш электромагнитного клапапа с аккумулирующей пружнпсй в ки нематической цели якоря электромагнита и запорного органа клапана. Для достижения поставленной цели в статье сформулированы и решаются следующие задачи:
1. Анализ динамики элекгромагпигпого клапапа с представлением егэ работы в виде отдельных фаз, улиты ваюших изменение характера протекающих процессов.
2. Экспериментальное исследование клапанов и сравнение характеристик электромагнитного клапана с аккумулирующей пружиной с аналопплыми характеристиками классических электромагнитных клаиагюв.
1. Анализ схемного решения
Независима от габаритов и конструкцнн принципиальная схема классического электромагнитного клапана и электромагнитного клапана с аккумулирующей пружиной содержит две ласти (Ьис. I).
Первая ласть клапан, в корпусе 5 которого выполнен входной капал 10, выходной 1сапал 9, па котором вы полнено седло 8, перекрываемое запарным органом 7. Запорный орган 7 снабжен всовратпой пружиной б, к нему присоединен шток 4. который, в свою очередь, соединен с якорем 3 электромагнита.
Вторая часть - электромагнит, за счет которого клапан переводится в открытое положение. Электромагнит состоит из иаппхгопровода 1, катушки 2 н якоря 3.
В электромагнитном клапане с аккумулирующей пружин эй внесены изменения в част:! соединения пгтека Л и якоря 3. Соединение осуществлено через упругий элемент - пружину. В общем случае аккумулирующая пружина межег представлять собой упругий элемент любого рода, способный эффективно запасать энергию деформации.
На рис. 1 показан электромагнитный клапан, который отличается от классического электромагнитного клапана наличием аккумулирующей пружины 13, стакана 11 н упорной голевкн 12, выполненной на штоке.
Рис. ¡.Принципиальная схемы электромагннтнэге клапана с аккумулирующей пружниой: 1 - магиитопровод; 2 - катушка; 3 -якорь 4 - шток; 5 - корпус клапана; б - возвратная пружина;
7 - запорный орган; 8 - седло; 9 - выхэдной канал; 10 - входной канал; 11 - стакан;
12 - упорная головка; 13 - аккумулирующая пружина
Аккумулирующая пружина 13 размещена в стакане И и установлена с охватом штэка 4, а также упирается одним конпом в упорную головку 12. Стакан 11 соединен с якорем 3 жестко.
Работа классического электромагнитного Елапана состоит в том, чте для открывания клапана, т.е. подъема запорного органа 7 от седла 8, в катуппс/ 2 неэбходимо подать электрический ток. При этом возникает гягэвая сита электромагнита, которая передается от якоря 3 на запорный орган 7 через шток 4. В момент достижения тяговэй силон превышения нагрузки, создаваемой давлением перекрываемой среды и возвратной пружниой 6, прэисходит отрыв запорнэго органа 7 от седла 8. Далее якорь 3, пггек 4 и запорный орган 7 перемещаются до контакта, с магннтопрозодом 1, перемешаясь на Еелнчнну полного хода якеря х^. При отключении тока от катушки 2. запорный орган 7 устанавливается в исходное полежение перекрывая седло 8 под денстьиеи возвратной пружины 5. Условимся, что работа по сткрыЕанню клапана проходит за одну фазу.
Работа по открыванию электромагнитного клапана с аккумулирующей пружиной, представленного на рнс. 1. происколгг за несколько фаз. Определим этн фазы работы для схемы на рис. 1.
На первой фазе работы, прн подаче тока з катушку возникает тягоБая сила электромагнита, перемещающая якорь со стаканом на величин;/ зазора $ между якорем н стаканом (величина сжатия аккумулирующей пружины). Прн этом электромагнит преодолевает ситу сжатия аккумулирующей пружины. Под действием тягобой силы электромагнита, аккумулирующая пружина накапливает потенциальную энергию деформации. На этом игрьал фа1а работ завершена
На зторой фазе работы когда достигнута максимальная деформация аккумулирующей лружкны. ход якоря достигает величины с£. лто создает значительный рост тягоиого усилия электромагнита, которое дол>шо быть достаточным для отрыва запорного органа 7 от седла 8 и открывали* клапана
При этом будем считать что аккумулирующая пружина нахсдится я сжатом состоянии Расстояние между заперным органом и гедлом до полного срабатывания клапана меньше требуемого на величину деформации аккумулирующей пружины На этом вторая фаза работы завершена
На -регьей фазе доведение напорного органа в требуемое наложение отнлеи-елчно седла происходит за счет перехода лотентгияльной ввергни деформации аккумулирующей пружины в кинетическую энергию запорного оргяна
Прн отключении тока от катушки якорь электромагнита возвращается под действием возвратной пружины, перекрывяя седлго запорным органом
/ Методика прг.ваЛения жспери \х>мтп
Исследование работы клапанов лутем их включения на рагличньп давлениях рабочей среди проводилось для разных кэнструкпий электромагнитных клапанов.
Для экспериментального игсгедовани! испсльзовались клапаны прямого действия нормально закрьт-ые с техническими \арактеркстиками приведенными ч таб.тт 1 Классические электромагнитные клапаны разной мощности (П ПГ) н электромагнитный клапан с аккумулирующей пру жиной (Т)
Определяющие параметрами являются давление рабочей среды и время сраба-ыванчя клапана Электромагниты клапанов Т и П рассчитаны для установки на клапан с диаметром сеяла 0 8 мм и давление 94-10: Па а злектромагнит клапана 1П рассчитан на клапан с диаме-ром седтга 1 мм н давление >4-10" Па Клапан Т и ТТ изменены в чагтн запорнсго ор~ана с расчетом на диаметр седга С мм т е конструкция клаланов во в~е\ испытанияк одинаков.'я с диаметром ге.длр 0 мм Такой диаметр седла для всех трех клапанов не явгяется номинальным для установленного на нем электромагнита
Клапан Т имеет идентичные характеристики с клапаном ТТ но в конструкции сое,динения якоря и запорного оргяна установлена аккумулирующая пружина Такое исло.гнение сделано по схеме на рис I План эксперимента включает расоты по перкой и второй серии опытов
К первой серии опытов срзнкивзю-ся Т и ТТ электромагнитные клапаны сравнение производится по величине тока в момен- открывания клагана при давлении рабочей среды от 9-10: Па до 106 Па Во второй серии опытов сравниваются I и Ш электромагнитные клапаны.
Определяющие/и параметрами являются давление рабочей среды и время срабатывания клапана
ТАБЛИЦА 1
ТЕХНИЧРПШР У АР АКТРРИГТЖН ЭКСТТРРИМРКТ АЛЪНЫХ ОКР АЗЦОВ
Базовые характеристики электромагнитных клапанов Электромагнитный клапан
с аккумулирующей - тт - _,т - - т классический II классическии Ш пружинен I
Масса электромагнита, кг Сопротивление катушки. Ом Диаметр якоря, мм 0.2 12 75 50 14 22
Диаметр проходного сечения клапана. мм ?
Ход якоря, мм 5
Напряжение питания. В Постоянное. 27
Экспериментальное оборудование представлял? собой стенд с компресеорсм. аккумулятором сжатого воздуха. пневмемагнетралью. манометром, фитингами, испытуемыми клапанами, электрическими проводами, источникам постоянного тока, амперметром и электрическими ключами для подачи тока от источника к катутпке испытуемых клапанов.
Рнс. 2.Экспериментальная установка
Время срабатывания клапана с момента подачи тока в обмотку до отрыва запорного органа определялось путем наблюдения на видеозаписи количества кадров, которое проходило с момента пожатая па кнопку подали тока в катушку до начала движения запорного органа. Количество пройденных кадров делилось на частот)' кадров в секунду видеозаписи.
LLL ТЕОРИЯ
/ Уравнения дннлиики якоря
Рассмотрим динамику ¿корд для схемы по рис. 1 D движении якоря участвуют силы производственных сопротивлений: инерционные силы, создаваемые перемещаемой массой якоря; силы реакции рабочей среды, пропорциональные площади седта S и разности давлений 1? со стороны напорной н сливной линии; упругие силы аккумулирующей н возвратной пружины, а тзкже силы непроизводственных сопротивлений: силы сухого трения; силы вязкого трения.
Динамику клапана прямого действия принято описывать уравнением вида
mx = F- PXSX - P2S2 -k„x-F>„-ax-psgn х. (1)
где т. - ход якоря: гг. - масса перемещаемых тгл; F - тяговая сила, создаваемая из вис, например, мускульной силой. пневмо-, гидронасосом, электромагнитом или др., Piq - давление жидкости со стороны входного н выходного канала; S^ рабочие площади со стороны входного и выходного капала; ах сила вязкого трепля; >?sgn.r - сила сухого трения: kn - коэффициент упругости возвратной пружины; Fa^ - сила начальной деформации воззратной пружины.
Уравнение (1) для электромагнитного клапана с аккумулирующей пружиной, с учетом спада сил давления по мере открыв гния клапана и тяговой енлы. создаваемой электромагнитом, запишем в виде
mx = F3 + (~PlSl + Р2 S2 )р(х) -h^x-F^- ka х - F0az - ox-р sgn .i:,
где Ft - электромагнитная тяговая сипа; к„, - коэффициент упр>тостн аккумулирующей пружины; Рот - сила начальной деформации акгумулнруюсцей пружшш; р(х) функция, учитывающая спад сил давления по мере открывания клапана. При максимальном значении функции равным единице спада сил не происходит н система находится в равнозесин.
Для описания тяговой силы электромагнита воспользуемся формулой [3]
F SN2u';w(t)2 3 2(^+0',-ад2
где 5- площадь поперечного сечения якоря; N - число ентков катушки; /4., /4 - магнитная относительная проницаемость и магнитная постоянная; i(f) - тек в катушке: t— текущее время /3 - длина катушки; - длина условного магннтопрозода. выраженная через магнитное сопротивление и длину якоря.
Для анализа зргмекн работы электромагнита в разных фазах согласно теореме с количество движения
mdv=[F, +(-P]S] + P2S2)p(x)-krx-FЗя-k^x-F^-ax-/?sgnx|rfr, (2)
где v - линейная rroporrn.
Рассмотрим динамику электромагнита в лервой фазе работы после подачи тока в катушку для классического электромагнитного клапана и электромагнитного клапана с аккумулирующей пружиной.
До момента срабатывания электромагнита якорь находится в неподвижном состоянии нз-за превышения сил сопротивления, создаваемых давлением среды рабочего тела и возвратной пружиной клапана. При этом составляющие скорости и ускорения, ста сухого и вязкого трения также равна нулю, а р(у) = 1. Поэтом/ из уравнения (2) для классического электромагнитного клапан? получаем уравнение статического равновесия вида
+ (-^5- + Р^) -- О, (3)
где р _ ; _ максимальный ход якоря.
Для электромагнитного клапана с аккумулирующей пружиной, учитывая соотношение сил
датее запишем
где г =_^У2//;/^/-__
Формула (3) означает то. что якорь начинает движение с преодоления сил. создаваемых давлением рабочего тела и возвратной пружиной, а формула (4) показывает, что движение якоря начинается с преодолении силы, создаваемой только аккумулирующей пружиной.
2. Жесткость акхущтрующей пружины
Жесткость аккумулирующей пружины для заданной силы сопротивления, создаваемой давлением среды рабочего тела и заданной максимальной деформации аккумулирующей пружины £ можно определить с помощью ссотнсптений (3) и (4) Отсюда имеем
(-/>*. 4- РгЯ2)--*вг-я*0ш = 0.
Для .к - т.е. при условии срасатьнапня клапана жеспсосто аккумулпруIэщей пружппы равняется
г. _ ( ' ^2) Ъг: Ъа: 6,
Г\г. Результаты экспериментов
Из первой серии опытов определено, что ток в катушке для классического электромагнитного клапана II меняйся их 0.65 А до 1.6 А. однако ло происходи! не на всем рабочем диапазоне дан.кгннй. Прд давлении 1 ■ 10й Пз клапан П не сработал. Клапан с аккумулирующей пружиной I срабатывает на всем диапазоне давлений рабочей среды и ток срабатывания при любом давлении равен 0.4 А.
Время срабатывания клапана II для давления 2-10" Па равно 0.36 с? хля всех других давлений время превышает 8 с. Для клапана с аккумулирующей пружиной 1 время срабатывания изменяется от С. 16 с до С.8 с по мере увеличения давления рабочей среды.
Из второй серии опытов определено значение тока в катушке лля классического электромагнитного клапана Ш.Ток в кагушке меняется от 0.3 А до 0.65 А. Время срабатывания от 0.55 с до 1.44 с. Время срабатывания определено не Д.1Я каждою давления раЗочел среды.
Изменение тока происходит линейно на всем диапазоне давлений рабочей среды для классичесшх электромагнитных клапанов, а для электромагнитного клапана с аккумулирующей пружиной ток из всех давлениях остается неизменным н равен 0.4 А. Время срабатывания увеличивается по мере увеличения давления.
V. Обсуждение результатов
В теоретической части исследования представлена модель движения якоря для электромагнитных клапанов с аккумулирующей пружиной. Отличие уравнений в сравнении с известной классической моделью клапанов в юм. чю здесь иаяшшшея фазы р^бшы. ко.орыс разделяются существенной нелинейностью к работе клапана.
Нелинейность вызвана изменением перемещаемой массы. На первой фазе работы это масса якоря, а на второй фазе - масса якоря и штока с запорным органом.
Уточненная модель учитывает спад сил дазления по мере открывания клапана. Уго необходимо, поскольку при переходе на вторую фазу работы следует учитывать состояние системы в этот момент. Определение жесткости аккумулирующей пружины нз условия срабатывшия клапана позволит определить ряд применимых пружин в зависимости от хода якоря и параметров катушки или величины давления рабочей среды.
Записанные уравнения динамики якоря электромагнитного клапана с упругим соединением якоря н запорного органа позволяют определить время протекания всех фаз работы электромагнитного клапана с аккумулирующей пружиной Основной интерес для дальнейшего исследования представляет запись выражения энергии электромагнита для каждой нз фаз работы и поиск связи г-лектрических и геометрических зелнчнн.
Записанные уравнения интересно рассматривать в численном решении при помоши пакетов прикладных программ.
Полученные экспериментальные данные представлены в табл. 2. Полученные результаты эксперимента позволяют оценить достижение поставленной задачи по сравнению электромагнитного клапана с аккумулирующей прулашон с классическими электромагнитными клаланамн с аналогичными характеристиками.
ТАБЛИЦА 2 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
Давление рабочей среды. Па Ток в кату шке. А / время срабатывания, с
с аккумулирующей прузенной I классический П классический Ш
2105 0.4/0.16 0.65/0.36 0.3/0.56
3-Ю5 0.4/0.32 0.85/8.00 0.37/-
4- 10s 0.4/- 0.95/- 0.45/-
5-Ю5 0.4/0.72 1.0/15.6 0.47/-
6-10> 0.4/0.76 1.14/- 0.5/1.12
7-Ю5 0.4/0.76 1.58/14.88 0.55/-
S-105 0.4/- 1.60- 0.60/-
1-10° 0.40.8 Не сработал 0.65/1.44
VI. Выводы И '¿АКЛЮЧЕШШ
Проведенное авторами изучение известных разработок в области электромагнитных ктапанов прямогс действия в сочетании с упругим элементом показало, что до настоящего времени не разработана теория оптимального проектирования таких электромагнитных клапанов и нет инженерных методик расчета.
Судя по результатам эксперимента по величине тока для клапана I с аккумулирующей пружиной становится понятным, что это ток. необходимый катушке для преодоления силы сжатия аккумулирующей пружины. Отсюда следует, что можно снизить потреоляемую мощность путем установки аккумулирующей пружины.
Для пробного эксперимента выбранной общности достаточно, а для дальнейшего исследования следует производить оценку на физической модели в соответствии с множеством конструктивных схем н сравнивать эти данные с численным моделированием.
Следующим этапом экспериментального исследования будет качественное изучение явления для определения существенных определяющих факторов, получения исходной информации для конструирования испытательных устройств. А также изменение характера эксперимента - предполагается произвести численный жепе-римент.
Сказанное актуализирует постановку новой задачи - исследований по разработке методик расчета и теории оптимального проектирования электромагнитных запорных клапанов с использованием упругих элементов.
СПИСОК ЛИТЕГАТУГЫ
1. Пат. 95379 Российская Федерация МГОС F 16 К 31/02. Электромагнитный запорный клапан (варианты) / Когельников В. И.. Захаренков В. В. № 2010106035/22: заявл. 19.02.1010; опубл. 27.05.2010.
2. Baek-Ju S.. Eun-Woong L. Optimal Design and Speed Increasing Method of Solenoid Actiuror Using a Non-Magnetic Ring // International Conference on Poxer Electronics and Drives Systems. 2005. V. 2. P. 1140-1145. DOI: 10 1109 PFDS 7005 1619Я59
3. Gomis-Bellniunt О.. Campanile L. F. Design Rules for Actuators in Active Mechanical Systems. SpringerVerlag. London Limited, 2010. P. 205.
4. Mahajan D. P.. Narayanaswamy R. Ba\isetti S.Performance analysis and experimental verification of solenoid actuator // IEEE 23rd International Symposium oil Industrial Electronics (ISIE). Istanbul, 2014. P. 1245-1249. DOI: 10.110WTSIE 2014.Й864 792.
5. Melbert J., Uhlenbrock R. A high power high temperature inechatronic actuator for the electromagnetic valve drive U Vehicular Technology Conference. VTC 2003-Fall. IEEE 58ft 2003. V. 5. P. 3202-3206. DOI: 10.11.09/VETECF.2003.12S6231.
6. Ohdachi Y., Kawase Y., Murakami Y., Inaguma Y. Optimum design of dynamic response in automotive solenoid valve //ШЕЕ Transactions on Magnetics. 1991. V. 27,1. 6. P. 5226-5228. DOI: 10.1109/20.278795.
7. Paden B. A.. Snyder S. T., Paden В. E.. Ricci M. К Modeling and Control of an Electromagnetic Variable Valve Actuation System // EEEE'ASME Transactions on Mechatronics. 2015. V. 20= I. 6. P. 2654-2(5(55. DOI: 10.11.09ЯМЕСН.2015.2389112.
8. Lee S. H.. Yi H. C.. Han EL. Kim J. H. Genetic Algorithm-Based Design Optimization of Electromagnetic Valve Actuators in Combustion Engines//Energies. 2015. V. S.P. 13222-13230. doi:10.3390/enS 1112352.
9. Schinnerl В.. Gerling D. An optimization of an electromagnetic liquid valve. Electrical Machines // ICEM 200S: 18th International Conference. Vilamoura. 2008. P. 1-5. DOI: 10.1109.1ŒLMACH.2008.4800041.
