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上海圓馨能源科技有限公司
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液壓電磁閥多物理場耦合分析
2021-12-16 閱讀(1121)
電磁閥具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小,、控制方式簡單,、響應(yīng)速度快、重復(fù)性好和工作可靠等優(yōu)點,，在現(xiàn)代汽車,、航空、核能和工程機(jī)械等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,，普遍用于汽車發(fā)動機(jī),、航空發(fā)動機(jī)燃油和冷卻潤滑系統(tǒng)、起落架液壓系統(tǒng),、舵面操縱系統(tǒng),、機(jī)械操作手臂等機(jī)電液控制系統(tǒng)的動力切換和執(zhí)行機(jī)構(gòu)中[1-2]，電磁閥的穩(wěn)定性和可靠性直接影響到整個機(jī)電液控
制系統(tǒng)乃至裝備運行的質(zhì)量和安全,。隨著傳統(tǒng)的流體動力傳動技術(shù)與自動化,、IT 技術(shù)的深入融合，機(jī)電液一體化控制系統(tǒng)對電磁閥的可靠性和壽命提出了更高的要求,。國外公開的電磁閥理論模型多數(shù)側(cè)重于研究它的動態(tài)響應(yīng)特性及其控制[3-28],，對其熱失效機(jī)理的研究僅有少數(shù)的報道。BAKER[29]指出電磁閥常見失效形式是燒毀,，主要原因是工作電壓過高或過低,、循環(huán)次數(shù)過多和占空比過高。MERCER[30]指出電磁閥燒毀與主電壓和頻率,、行程,、彈簧力、運行頻率,、流體溫度,、絕緣材料老化等有關(guān),。RUSTAGI等[31]指出線圈過熱會導(dǎo)致電磁閥失效，長期連續(xù)運轉(zhuǎn)下建議降低電壓以避免過熱ANGADI 等[32-33]指出線圈絕緣材料因過熱而熔化是電磁閥失效原因,，并通過試驗加以驗證,。可以看出,，電磁閥內(nèi)部構(gòu)件的溫升和變形是電磁閥熱失效的直接原因,。隨著目前對電磁閥響應(yīng)速度的要求越來越高，使得電磁閥工作在高頻高占空比下,，獲得快速響應(yīng)的同時,，必將產(chǎn)生更多的熱。由于電磁閥為涉及機(jī)械,、流體,、電磁、熱和控制等多個學(xué)科領(lǐng)域的復(fù)雜物理系統(tǒng),，其可靠性取決于多個物理場的耦合作用,，而且非線性較強(qiáng)，因此,，建立描述多物理場耦合作用的電磁閥熱力學(xué)模型,，確定影響其可靠性和壽命的關(guān)鍵因素及其影響規(guī)律，對電磁閥可靠性設(shè)計至關(guān)重要,，是目前小型高速高精電磁閥的研究熱點,。以某自動變速器液壓比例電磁閥為研究對象，基于其內(nèi)部實際結(jié)構(gòu),，采用有限元法,，建立電磁閥的多物理場耦合熱力學(xué)模型，仿真分析運行環(huán)境和工作電流對電磁閥熱變形的影響,，以探討電磁閥熱失效機(jī)理,。
1 電磁閥結(jié)構(gòu)和工作原理 為某液壓電磁閥的剖面圖,。線圈通電后產(chǎn)生磁場,，在極靴、軛鐵和銜鐵之間形成磁路,，使得銜鐵磁場力的作用下克服彈片阻力遠(yuǎn)離極靴,，從而與銜鐵連接的頂桿拉動閥芯，電磁閥打開,。反之,，線圈斷電，銜鐵在彈片回位彈力的作用下反方向推動閥芯,，電磁閥關(guān)閉,。某電磁閥的二維剖面示意圖1. 閥體 2. 閥座 3. O 形圈 4. 閥芯 5. 滑動軸承 6. 隔磁導(dǎo)套7. 軛鐵 8. 頂桿 9. 外罩 10. 定位彈片 11. 漆包圓銅線12. 后蓋 13. 插接片 14. 銜鐵(動鐵心) 15. 極靴(靜鐵心)
2 電磁閥多物理場耦合熱力學(xué)方程和有限元模型電磁閥機(jī)械結(jié)構(gòu)的分析主要考慮材料的應(yīng)力應(yīng)變,，以及是否因為變形或者應(yīng)力過大而導(dǎo)致失效。電磁閥幾何尺寸和載荷是軸對稱的,，因此采用軸對稱有限元法進(jìn)行建模,。采用圓柱坐標(biāo)系(r, θ, z)，z方向為軸向,，r 方向徑向,。由于任一對稱面為 rz面，沒有 θ 方向的位移,，則有 uθ=γrθ=γθz=τrθ=τθz=0,，其中 γrθ 和 γθz 表示切應(yīng)變，τrθ 和 τθz 表示切應(yīng)力,。根據(jù)彈性力學(xué)理論,，
(4)式中，ur 為沿 r 方向的位移,；uz 為沿 z 方向的位移,；?為正應(yīng)變；γ 為切應(yīng)變,。根據(jù)空間胡克定律,，材料的彈性方程為
(8)式中，E 為彈性模量,；? 為泊松比,；σ 為正應(yīng)力；?為切應(yīng)力,；α 為熱膨脹系數(shù),；ΔT 為材料的溫度變化。由式(5)～(7)可以看出,，正應(yīng)變與溫度有關(guān),。由于在電磁閥中溫度是變化的，所以在分析應(yīng)力應(yīng)變的同時也對溫度進(jìn)行分析,。在電磁閥內(nèi)部,，主要熱源包含兩部分：線圈通電產(chǎn)生的熱和摩擦產(chǎn)生的熱。由于電磁閥閥芯表面的接觸力較小,，導(dǎo)致摩擦力較小,，因此其產(chǎn)生的熱也很小，可以忽略不計,。因此,，可以認(rèn)為電磁閥內(nèi)最大熱源來自于線圈通電時產(chǎn)生的熱?；趫A柱坐標(biāo)系,，可以建立電磁閥的二維穩(wěn)態(tài)傳熱方程
(9)式中,，λ 為熱導(dǎo)率；Q(r, θ)為體積熱,；T 為溫度,，在圓周上為周期分布的或是常數(shù)。假設(shè)電流通過線圈截面是均勻分布的,。則給定輸入電流值,，線圈產(chǎn)生的熱
(10)式中，Q 為體積熱,；QV 為單位體積的熱量,；V 為線圈體積；a 為線圈橫截面積,；L 為線圈長度,；I 為電流；?為電阻率,。熱量的傳遞一般分為傳導(dǎo),、對流和輻射三種，電磁閥的散熱主要依靠外界的空氣或者傳動油,，因此與外界環(huán)境之間熱傳遞方式主要是自由對流,，根月 2014 年 1 月劉艷芳等：液壓電磁閥多物理場耦合熱力學(xué)分析141據(jù)牛頓冷卻定律，對流量qhA T
(11)式中,，A 為電磁閥外表面面積,；ΔT 為電磁閥和外界環(huán)境之間的溫度差；h 為對流系數(shù),。對流系數(shù)可由經(jīng)驗公式式(12)確定[34]
(12)式中, Gr 為格拉曉夫數(shù),，量綱一常數(shù)；Pr 為普朗特數(shù),，量綱一常數(shù),；?為體積膨脹系數(shù)；ρ 為密度,；?為運動黏度,；Δt 為溫差；D 為特征尺寸(對圓柱而言是直徑),；cp 為質(zhì)量定壓熱容,。C 和 n 的值可以由 GrPr 的值查表得出，當(dāng)電磁閥置于傳動液中,，GrPr 的值為 1.753×107，對應(yīng)的 C 和 n 分別為 0.135 和 1/3,，得出 h=152.76W/(m2·K),；當(dāng)電磁閥置于空氣中時,，對流系數(shù) h≈9 W/(m2·K)。通過上述方程,，實現(xiàn)了機(jī)械,、熱學(xué)、電學(xué)等領(lǐng)域之間的耦合,，各個物理領(lǐng)域互相作用,，相互影響。為了節(jié)省計算時間,，選取電磁閥部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模,，如圖 1 中虛線框。采用熱力耦合單元PLANE13,，圖 2 為采用有限元軟件 ANSYS 建立的有限元網(wǎng)格模型,，表 1 為電磁閥各部件的材料屬性。對 345 匝線圈完整建模,，線圈直徑為 0.25 mm,。由于電磁閥遠(yuǎn)離線圈的部分受到的影響較小，可將模型頂面變形設(shè)置為恒定的,，同時根據(jù)對稱建模原理,，約束頂端節(jié)點在 z 軸方向的位移和模型左側(cè)節(jié)點在x 軸方向的位移，模型表面假設(shè)為自由對流,。同時,，假設(shè)電磁閥閥體外的漏磁量為零。電磁閥的有限元網(wǎng)格模型(柱坐標(biāo) Orz 平面)表 1 電磁閥各部件的材料屬性3 電磁閥熱力學(xué)特性分析在軟件 ANYSY 上建立上述模型,，仿真計算電磁閥在不同外界環(huán)境下,，電磁閥內(nèi)部的熱力學(xué)特性與電流的關(guān)系。
3.1 電磁閥浸泡在傳動液中變速器傳動液的溫度范圍為?40～170 ℃,，正常的工作溫度為 80～110 ℃,，這里，仿真模型中設(shè)置傳動液溫度為 110 ℃,。圖 3 為計算得到的在連續(xù)穩(wěn)定運行24 h后電磁閥內(nèi)最高溫度隨電流變化的曲線,。顯然，電流越大,，電磁閥內(nèi)部溫度越高,，這是由于電流越大所產(chǎn)生的熱越多導(dǎo)致的。當(dāng)為額定電流 1 A 時,，仿真得到的電磁閥軛鐵的表層溫度約為125～127 ℃,，電磁閥內(nèi)部溫度最高為 129～131 ℃，內(nèi)外溫差最高為 5～6 ℃。而實測的軛鐵表層溫度如所示,，誤差在 5%以內(nèi),，說明所建有限元模型及其約束邊界條件是有效的。圖 4 和圖 5 是計算得到的電流為 1 A 且連續(xù)穩(wěn)態(tài)運行 24 h 后的溫度分布和應(yīng)力云圖,，圖 6 為線圈的應(yīng)力云圖,。最高溫度為131.2 ℃，在電磁閥線圈及其附近區(qū)域,；最大應(yīng)力為236 MPa,，在極靴即靜鐵心上接近和軸承相接的部位，因為軸承材料的熱膨脹系數(shù)比較高,，變形較大,，使得與之相接的靜鐵心上應(yīng)力較大；線圈的最大應(yīng)力為 103 MPa,。
軛鐵實測溫度和有限元模型計算溫度的比較(24 h)
電磁閥內(nèi)部的溫度分布(傳動液,，1 A，24 h)
電磁閥內(nèi)部的應(yīng)力分布(傳動液,，1 A,，24 h)線圈的應(yīng)力分布(傳動液，1 A,，24 h)為計算得到的線圈與靜鐵心的最大應(yīng)力隨電流變化的曲線,。顯然，靜鐵心的最大應(yīng)力值要高于線圈的最大應(yīng)力值,，而且應(yīng)力值的大小隨著電流增大而增大,，但都低于各自材料的屈服強(qiáng)度(線圈的屈服強(qiáng)度為 236 MPa，靜鐵心的屈服強(qiáng)度為 480MPa),。因此可以預(yù)測,，在該使用環(huán)境下，該電磁閥是可靠的,。不同電流下電磁閥鐵心和線圈的最大應(yīng)力
3.2 電磁閥置于空氣中當(dāng)電磁閥置于空氣中時,，設(shè)置空氣的溫度為 80℃。 為計算得到的電流 1 A 穩(wěn)態(tài)運行 24 h 后電磁閥內(nèi)部的溫度分布云圖,。實際上由于散熱環(huán)境不佳,，模型在 24 h 之前就早早地達(dá)到了最高溫度，但是這部分的試驗設(shè)計很難實現(xiàn),，基本過不了多久就會導(dǎo)致電磁閥燒毀,。模型的最高溫度達(dá)到 400 ℃以上，發(fā)生在線圈內(nèi)部,，大大超出絕緣材料的臨界工作溫度(約 200)℃ ,。 分別為計算得到的電流 1 A 穩(wěn)態(tài)運行 24 h 后電磁閥內(nèi)部和線圈的應(yīng)力分布,。最大應(yīng)力發(fā)生在靜鐵心處，超過 900 MPa,，線圈的最大應(yīng)力為 380 MPa,，超過材料的屈服應(yīng)力,，可以預(yù)測電磁閥將失效,。
