Анализ уравнений динамики электромагнитного клапана с упругим соединением якоря и запорного органа Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.3:62-382

Н.В. Захаре»кое, N.V. Zakharenkov, e-mail: [email protected] *В.В. Захаренков, V. V. Zakharenkov

Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия Omsk State Technical University, Omsk Russia

* Омский институт: филиал РЭУ им. Г В. Плеханова, г. Омск Россия

* Omsk Institute REU-bianch of G.V. Plekhanov. Omsk, Russia

АНАЛИЗ УРАВНЕНИЙ ДИНАМИКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО КЛАПАНА С УПРУГИМ С ОЕДИНЕНИЕМ ЯКОРЯ И ЗАПОРНОГО ОРГАНА

THE ANALYSIS OF DYNAMIC EQUATIONS OF ELECTROMAGNETIC VALVE WITH SPRING CONNECTION OF STOP ELEMENT AND SOLENOID PLUNGER

Рассматривается электромагнитный клапан, в котором запорный элемент соединен с яъорем электромагнита через упругую связь. Работа электромагнита представлена в нескольких фазах. Первая фаза ограничена ходом якоря до полного сжатия у прутов свяш. Вторая фаза рассматривает отрыв запорного органа и ход якоря до стопа. Третья фаза описывает окончание работы клапана. 'Записаны уравнения динамики для всех фаз работы.

Article describes the electromagnetic valve where plunger and stop element are coupled by spring connection. Work of electromagnetic valve is represented in several phases. The first phase is limited by plunger strobe with Ml spring compression. Disconnection of valve stop and plunger full stroke are covered ill the second phase. The third phase describes the end of the valve's work. Equations of dynamics for all phases are given.

Ключевые слова: математическое моделирование, э.чектромагншпный клапан, электромагнитный привод, линейный привод, якоръ электромагнит а

Keywords: Mathematical modeling, electramogneJic vatve, electromagnetic actuators, linear actuators, eiec-nvmagnetic plunger

Введение. Широкое применение электромагнитных клапанов (ЭМК) в машиностроении в целом, актуализирует постановку задач, ориентированных на повышение их технике-экономических показателей. Важными показателями для ЭМК является его масса, потребляемая мощность и быстродействие. Как известно, потребляемая мощность зависит от массы и, соответственно, геометрических параметров ЭМК [1]. Снизить потребляемую мощность без изменения геометрии клапана или уменьшить габариты при неизменной потребляемой мощности можно, за счет упругого соединения якоря и запорного органа ЭМК. [2, 3, 4].

Работа клапана. На рисунке 1 представлен вариант конструкции ЭМК. в котором якорь 3 соединен с запорным органом (ЗО) 7 через упругое соединение. На торце якоря установлен стакан 4 и размещена аккуму лирующая пружина (АЛ) б, а также вкладыш 5 из немагнитного материала, один торец которого взаимодействует с торцом якоря, а другой - жестко соединен с ЗО.

Начало работы ЭМК происходит следующим образом. До подачи тока в обмотку электромагнита 2 зазоры В и С между торцом якоря и магнигопроводом и между стаканом и вкладышем, соответственно, максимальные. Причем вкладыш упирается в горец якоря.

Первая фаза работы. После по дата тока в обмотку электромагнита, усилие якоря значительно меньше усилия на ЗО. и он не отходит от седла. Вместе с тем из-за превышения усилия начальной деформации АП усилием якоря, производится равное уменьшение зазоров В и С. Изменение зазора С ограничено конструкцией стакана.

Вторая фаза. При уменьшении зазора С до значения, близкого к минимальному, разность усилий якоря и АП превышает усилие, создаваемое реакцией рабочей среды на ЗО, что

9L

приводит к отрыву ЭО от седла. При этом зазор В мгновенно сокращается до нуля, а ЗО перемещается на величину, равную разности зазоров В и С.

Третья фаза. АП разгружается и перемещает вкладыш с запорного органа в исходное положение, в результате чего седло открывается полностью.

4 - стакан; 5 - вкладыш нз немагнитного материала: 6 - аккумулирующая пружина: 7 - запорный орган б эластичного материала: 8- - седло

Уравнения дина.ныкы якоря. При движении якоря участвуют силы производственных сопротивлений:

- инерционные силы, создаваемые перемещением массы якоря тя и массы запорного органа mío;

- силы реакции рабочей среды, пропорциональные площади седла S и разности давлений ДР со стороны напорной и сливной линии [5].

- упругие силы АП и возвратной пружины. Силы непроизводственных сопротивлений:

- силы сухого трения якоря Кд н запорного органа Rjo;

- силы вязкого трения якоря 11л и запорного органа Ьзо-

Известно, что уравнение движения запорного органа клапана прямого действия, выглядит следующим образом [5]:

т^х = Pj-S'j - P2S2 - hx - Rw sgii.г - сш (х+1%¡), 0 < .г < 1Ш,

где Р\ г, S\ i - давление жидкости и рабочие площади запорного органа клапана, со стороны напорной 1 и сливной 2 магистрали; h, Rmp - вязкое и сухое трение; 1т — ход запорного органа; свп — жесткость возвратной пружины; tRjj - величина предварительного сжатия возвратной пружины.

Тогда для рассматриваемого клапана для первой фазы работы:

щх = ГЭ1 - сш(х + 1%)- qex - qc sgm\ О <х<1ш,

где 7г.—тя— масса якоря и элементов на нем (стакан, вкладыш); q„, qc - коэффициенты вязко-

,0 _ dW.

го и сухого трения; '¿j¡ — ход и величина предварительного сжатия АП; г-^у —- -

dx

тяговая сила электромагнита; i¥„,i - энергия, накопленная в электромагните, преобразуемая в механическую энергию движения якоря, на первой фазе.

Для второй фазы работы:

т2х = F32 - PySy - P2S2 - двх- qc sgax-сш(х+0 < x < 1Ш,

где т^тя^Щзо- масса ЗО. якоря и элементов на нем.

Для третьей фазы работы:

т^х — —qex — qc sgin — ('апх- О < х < I ш,

где тз=тзо — масса ЗО.

Д.тя удобства решения численными методами с использованием релейных элементов, введем единичные ступенчатые функции О,, значение которых равно единице в пределах времени /-ой фазы (г=1, 2, 3J и равно нулю в других фазах

С учетом введенных обозначений уравнение движения ЭМК зал шлется в виде:

((©1 +(02 + -©2)^ +(02 -е3)л,0)д +

+ ((0L + &2)Яя - (&2+&3)Я30)т,(х) + &2{сАД(х + 10шУ) +

+ ©2+!%))- ©з(CjB(/шж -/%- л)) + + с©2 - е})(сш (х + /°я)) + &3SAPf(x) = F3 (i. х)

Решение уравнения требует определения временных интервалов, в пределах которых протекает соответствующая фаза.

Выводы. Записанные уравнения динамики якоря ЭМК с упругим соединением якоря и запорного органа позволяют определить время протекания всех фаз работы предлагаемого ЭМК, что даст оценку быстродействия клапана. Основной интерес для дальнейшего исследования представляет запись выражения энергии, накопленной в электромагните, для каждой из фаз работы и поиск связи электрических и геометрических величин.

Библиографический список

1. Oriol Gomis-Bellmunt et al., Linear electromagnetic actuator modeling for optimization of mecliatiomc and adaptromc systems, Mechatronics (2006), dui: 10.1016/j .mechatremes.

2006.07.002.

2. Пат. 95379 Российская Федерация, МПК F 16 К 31/02. Электромагнитный запорный клапан (варианты) / В.И. Котельников, В.В Захаренков. - № 2010106035/22; заявл. 19.02.2010; опубл. 27.06.2010.

3. Захаренков, Н.В. Модернизация нормально закрытого электромагнитного клапана прямого действия / Н.В. Захаренков, В В. Захаренков И Наука и технологии. Краткие сообщения ХХХШ Всероссийской конференции по проблемам науки и технологии. - Миасс: МСНТ, 2013.-Т. 2 -С. 114-117.

4. Захаренков, Н.В. Повышение эффективности электромагнитного привода прямого действия ■ В.В. Захаренков, Н.В Захаренков/ Технологическое обеспечение машиностроительных производств: сб. науч. тр. I международной заочной научно-технической конференции / под ред В.И. Гузеева и А А. Дьяконова. - Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2014. -С. 288-292.

5. Автоматизированное проектирование мапшностроительного гидропривода / И.И. Бажин. ЮГ. Беренгард, ММ Гайпгорн и др.; Под общ. ред С А. Ермакова. - М.: Машиностроение, 1988. - 312 с.