海水液压电磁阀失效分析

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浮力调节系统是深潜器的重要组成部分，它能确保深潜器在某-深度具有相对稳定的作业姿态1 J。

而海水电磁阀组(如图 1所示)作为海水浮力调节系统的交通枢纽，控制着可调压载水舱中海水的注入与排出 J。因此，海水电磁阀的可靠性对于浮力调节系统，甚至是深潜器来说尤为重要。

图 1 海水电磁 阀组海水电磁阀在长时间开启(即电磁铁持续通电吸合)时，大部分电能通过电磁线圈转换成焦耳热，从而导致电磁铁温度持续上升直至通过热交换与环境达到热平衡。电磁铁温升会导致线圈电阻变大，在相同驱动电压下线圈电流下降，从而导致电磁铁推力下降。

伴随着电磁铁推力下降，海水电磁阀的开启时间过长、开启失败等故障的出现概率大为增加。本文将分析在热态下导致海水电磁阀开启故障若干因素，并针对这些因素提出减小其影响的若干优化措施。

1 导致海水电磁阀开启故障的因素海水电磁阀在工作过程中，电磁铁温度逐渐升高，电磁铁推力逐渐下降。如图2所示，电磁阀首先进入临界状态，在此状态下电磁铁推力与打开阀芯所需的力非常贴近，轻微的扰动都将导致开启失败，此状态下海水电磁阀开启时间过长，在实验中能明显发现开启过程出现分段。随着电磁温度继续升高，电磁铁推力将下降至打开阀芯所需力之下(如图2填色区域)，此时电磁阀不能正常打开。

电磁铁气隙/mm图2 海水电磁阀故障示意图收稿 日期：20132-25基金项 目：国家自然科学基金资助项目(No.50975101)作者简介 ：赵旭峰(1990-)，男，湖南邵阳人，博士研究生，主要从事流体传动与控制方面研究工作。

2013年第6期 液压与气动 1l11.I 电磁 铁 温升电磁铁温升是海水电磁阀进入热态、故障率增大的根本原因。海水电磁阀持续工作时，通过线圈的电流产生焦耳热使得线圈温度升高，线圈电阻逐渐增大，在驱动电压-定时电流逐渐变小，而螺管式电磁铁的推力与电流的平方成正比，因此随着电磁铁温度的升高电磁铁的推力逐渐下降。根据研究，电磁铁的表面温度可以用来表征电磁铁的线圈温度 J，在室温 20℃时将海水电磁阀用电磁铁持续通以24 V驱动电压，测得电磁铁表面温升曲线以及电磁铁推力下降曲线如图3所示。曲线显示 电磁铁推力在 45 min内下降了 40%80琵R 5O403O墨0值墨图 3 电铁推力温度特性曲线随着电磁铁温度升高，焦耳热的功率逐渐减小，而电磁铁与环境的温差加大导致热交换变大，最终电磁铁将达到热平衡。热平衡温度直接影响海水电磁阀热态工况下的故障率，其大小由驱动电压、环境温度、电磁铁工作制等因素决定，其中环境温度是不可控因素，它撒于深潜器系统应用环境，图4显示了海水电磁阀用电磁铁环境温度分别为20℃、50℃时的表面温升曲线，曲线显示其热平衡温度分别为58.8 o、113.1℃。

12010080604O2000 5 1015 2025 30354045 50556065t/mfm图4 不同环境温度下的电磁铁温升曲线1.2 海水电磁阀开启过程中的自感效应海水电磁阀开启过程中电磁铁衔铁位置会发现变化，而衔铁 的位置会影响线圈的 自感系数，如下式所示 ： 南 ㈩式中，Ⅳ为线圈匝数； 。为空气磁导率；A。为线圈内孔横切面积；K 为磁导修正系数； 为等效磁路的磁导长度；6 为初始气隙长度； 为衔铁位移。

同时根据电路理论，可列出海水电磁阀开启过程中的电路方程：堋 警 (2)式中， 为驱动电压；i为回路电流；R为回路总电阻；L为线圈自感系数。

在海水电磁阀工作过程中，驱动电压可视为恒定，根据式(1)与式(2)大致可绘出海水电磁阀正唱启过程中的电流特性曲线如图5所示。由于线圈存在 自感，回路电流上升不是瞬时的，当电流上升到-定大小时，电磁铁推力足以推动阀芯，衔铁开始动作，由式(1)知线圈自感与衔铁位移成正比关系，又式(2)知随着电磁阀开启线圈自感增大回路电流减小，直至开启完成后线圈自感恒定，回路电流继续上升。当海水电磁阀进入临界状态时，电流下降到-定大小时可能会出现电磁铁推力不足以克服阻力推动阀芯继续开启，线圈自感停止变化，回路电流上升；当电流上升到-定大小时，阀芯继续开启，于是出现第二个下降沿，此时整个开启过程不是-气呵成的，而是分段的，这与前文提到的实验现象是相吻合的。

螽蓦时间/s图5 不同环境温度下的电磁铁温升曲线1.3 电磁阀开启过程中的瞬态液动力本文所讨论的海水电磁阀的单个阀体结构图如图6所示 。该阀可双向开启，正向开启时液流方向为口2至口1，反向开启时液流方向为口l至口2。

螺堵 弹簧 阀芯 阀套 阀座 推杆 阀套座 挡圈R辗糖衄图6 单个阀体结构简图阀口开启过程中由于流量的变化，阀腔内的液体质量将对阀芯产生-个瞬态液动力，它的作用方向始1 12 液压与气动 2013年第6期终与阀腔内液体的加速度方向相反，其大小为[6]：FipL oL duq (3)式中，P为液体密度； 为阀腔内液流实际长度；A为阀腔有效断面积； 为阀腔内液流密度；q为通过阀口流量。根据流量连续定理：- qCdwdx/三△p (4) P将其代人式(3)中，整理后可得：Fica竹此 警ca竹d √ (5)式中，c 为流量系数；d为阀口直径；△p为阀口前后压差； 为阀口开度。

由式(5)知，瞬态液动力的大小与阀腔过流长度、阀口开启速度以及压差变化成正比。当阀口正向开启时，瞬态液动力方向与阀芯开启方向相反，阻碍阀芯开启，在海水电磁阀设计时，由于瞬态液动力所占比例相对较小被忽略，但当进入临界状态后，被忽略的瞬态液动力将可能导致阀口开启时间过长、开启失败等故障。

2 提高海水电磁阀热态下可靠性的方法依据上-节的分析，提高海水电磁阀热态下可靠性可以从使用上降低电磁铁的温升，设计上优化电磁铁的散热以及削弱瞬态液动力的反作用。

2.1 变电压驱动焦耳热的大型驱动电压的平方成正比，而焦耳热又是电磁铁温升的主要因素，降低驱动电压可以大幅降低电磁铁温升速度和最终的热平衡温度。图7显示了在室温20℃时，用不同的电压驱动海水电磁阀用电磁铁45 rain的温升曲线。

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45t/min图7 不同电压下电磁铁的温升曲线根据计算，推动阀芯所需的力随着气隙减d，l-升斜率是逐渐减小的，而电磁铁的推力随着气隙的减小上升斜率逐渐增大，这就使得当电磁阀完全开启时电磁铁所提供的推力远远大于维持开启状态所需的力。

通过实验测得不同电压下的电磁铁推力曲线和推动阀芯所需的力如图 8所示。当阀口完全打开时，12 V的驱动电压足以维持开启状态，从图7可以看出 12 V电压驱动下的温升在45 min内较24 V的要低260%，因此使用延时变压驱动 电路可以大幅降低 电磁铁的温升。

；i88；8；83O图8 不同电压下电磁铁的推力曲线2.2 选择合适的工作制和动作周期海水电磁阀的工作制 [通电时间/通电时间 断电时间]x 100%。工作制越小，电磁铁单位时间的焦耳热就越小，最终达到的热平衡温度也越小，这就意味着在热态下的可靠性更高(如图9所示)。在速度要求不太高的诚，可以通过降低工作制以维持较低的平恒温度来提高热态下海水电磁阀的可靠性。在长时间持续开关控制时，在确定的工作制下适当的延长动作周期以保证海水电磁阀的瞬态响应，亦可提高海水电磁阀的可靠性。

图 9 不同工作制下电磁铁的温升 曲线2.3 优化 电磁铁散热电磁铁在设计时选用较小的宽高比可以在相同体积内加大线圈的散热面积以优化电磁铁散热，选用导热性能更好的材料亦可提高电磁铁的散热能力。图10为实验所测两种电磁铁的温升曲线，-种为文中所讨论的海水电磁阀用电磁铁，另-种为优化散热后的电磁铁，所用材料相同，功率增加50%，散热面积加大57%。优化前后电磁铁的热平衡温度相差无几，但优化后的电磁铁的功率大为提升，且温升速度小于优化前。

2013年第6期 液压与气动 1 13DOI：10.1 1832/j.issn.1000-4858.2013.06.030- 种新型多级油缸耐久性试验台的设计及应用宋素丽，张 晟，陈震德，马江伟，韩慧鑫，杨 巍Design and Application of Endurance Test Bed for Telescopic Hydraulic CylinderSONG Su-li，ZHANG Sheng，CHEN Zhen-de，MA Jiang-wei，HAN Hui-xin，YANG Wei(长治清华机械厂，山西 长治 046012)摘 要：运用价值工程原理和液压传动原理，设计出-种新型的多级油缸耐久性试验台，并对其设计和应用进行 了阐述。

关键词：多级油缸；耐久性试验台；设计；应用中图分类号：TH137 文献标志码：B 文章编号：1000-4858(2013)06-0113-03引言耐久性试验是指为测定产品在规定使用和维修条件下的使用寿命而进行的试验《GJB451-90，是为预测或验证结构的薄弱环节和危险部位而进行的试验，收稿 日期：2012-11-28作者简介：宋素丽(1976-)，女，山西长治人，高级工程师，学士，主要从事液压系统与液压元件的设计与研制工作。

t/min图 lO 两种电磁铁的温升对比曲线2.4 优化海水电磁阀瞬态响应优化海水电磁阀的瞬态响应，可以改善临界状态下的故障率。从前文分析可知，导致热态下海水电磁阀响应时间变长的主要原因是电磁阀吸合过程中的自感效应和瞬态液动力。对于自感效应，可以通过电容类的驱动电路，瞬时增加通电时的电压大小，以加快电流上升速度和抬高下降沿的平均电流大校对于削弱海水电磁阀的瞬态液动力，根据式(5)可以优化阀口流道减小阀腔内液流实际长度以减小瞬态液动力，亦可参照方向阀结构改造阀芯结构构造-正-反的瞬态液动力以消除瞬态液动力。

3 结论海水电磁阀的持续工作使电磁铁的温度升高，从而使电磁阀进入热态工况。由分析可知，导致热态下海水电磁阀故障率增高的主要原因是电磁阀吸合过程中的自感效应和阀芯所受的瞬态液动力联合作用。依据理论分析，从减少电磁铁温升以及优化电磁阀瞬态响应两个方向提出了四个优化方法，通过实验数据分析证明这些方法是可行的●后我们将搭建相关的驱动电路与优化相关设计，并对改良的海水电磁阀进行实验以进-步证明这些优化方法的可行性以及量化其改善效果。