丁 洋 谢 彪 韦春花 陈 宗 伍家威

（贵州航天朝阳科技有限责任公司，贵州 遵义 563000）

0 引言

精准控制飞行器姿态，关键在于发动机响应时间足够小，发动机响应时间足够小，核心在于电磁阀足够快。为了表征电磁阀动作的快慢，引入了电磁阀响应时间。其中，开机响应时间为额定工况下，电磁阀接收到开机信号至阀芯完全打开的时间；关机响应时间为额定工况下，电磁阀接收到关机信号至阀芯完全关闭的时间。

响应时间是电磁阀的重要特性[1]，在使用前调试好，是发动机研制过程的一项重要工作内容[2]。一般将电磁阀在非额定工况下的调试称为冷试测试，简称为冷试；在额定工作条件下的试验称为热试车试验，简称热试。当前研究者主要关心如何提高电磁阀的冷试响应时间[3]，对电磁阀在冷试与热试响应时间的差异鲜有关注。

然而，该文在发动机的研制过程中发现，电磁阀响应时间在调试与实际使用时存在较大差异。具体表现为电磁阀冷试时响应时间合格，在热试时不合格，甚至导致了发动机的响应时间不能满足技术要求。为此，该文对电磁阀在冷试与热试差异的原因进行了探究。

1 问题模型

电磁阀从原理上可分为三类。直通式电磁阀、分布直动式电磁阀和先导式电磁阀。该文主要以直通式电磁阀为研究对象，其一般由线圈组件、弹簧、衔铁组件组件及其他结构件、密封件、接头等组成。断电时，阀芯靠弹簧压力与阀前压力压紧密封，阀门处于关闭状态；通电时，线圈组件产生电流，进而产生磁通力，通过克服弹簧力与阀前压力，使衔铁组件移动，带动阀芯打开。当衔铁运动到位时，阀芯开度也完全打开，此时电磁阀处于打开状态。

按照电磁阀的工作特点，将电磁阀电流曲线上的4个拐点进行划分，得到电磁阀的响应时间，示意图见图1。

图1 电磁阀电流曲线示例图

当需要电磁阀开机时，系统给定开机信号，电磁阀接到信号后，线圈两端加载电压，线圈电流开始增大，电磁阀内的衔铁组件受到的吸力也增大，当吸力大于反力后，衔铁组件开始运动，此时的电流达到触动电流I1，从电磁阀接收到开机信号至电流达到I1的时间，称为吸合触动时间t1；从衔铁组件开始运动到运动结束经历的时间，称为吸合运动时间t2，此时电磁阀阀芯从完全关闭到完全打开。

当电磁阀关机时，电磁阀两端断电，电流从稳定电流I2开始下降，衔铁组件受到的电磁力也开始下降，当电流下降至释放电流I3时，衔铁组件无法保持原状态开始运动，将接收到关机信号至衔铁组件开始运动的时间称为释放触动时间t3；衔铁组件从吸合状态转变为释放状态，直至运动到位经历的时间称为释放运动时间t4。

电磁阀开机响应时间tk如公式（1）所示。

电磁阀关机响应时间tg如公式（2）所示。

对电磁阀冷试与热试的响应时间进行统计，分别见表1与表2。其中冷试与热试最小差异为-17.7%，最大差异为38.2%；而在关机响应时，其冷试与热试最小差异为41.7%，最大差异为82.6%。

表1 某型号电磁阀冷试与热试开机响应统计

表2 某型号电磁阀冷试与热试关机响应统计

2 结果与分析

该文分别对电磁阀开启与关闭时的受力模型进行分析。当电磁阀开启时，其受力如公式（3）所示。

式中：F开合为电磁阀开启合力；F电磁力为电磁阀线圈通电后产生的电磁力；FP1为阀芯上游压力作用于阀芯的力；FP2为阀芯下游压力作用于阀芯的力；F弹为弹簧力。

当电磁阀关闭时，其受力如公式（4）所示。

式中：F关合为电磁阀关机合力；F电磁力（余）为关机后残余电势产生的电磁力。

2.1 F电磁力的影响因素

由麦克斯韦公式可得公式（5）。

式中：μ0为真空磁导率，单位N/A2；B为磁极表面的磁感应强度，单位T；n0为线圈数；A为磁极的面积，单位m2。

简化可得公式（6）。

对确定的电磁阀，其线圈材料确定，线径确定，μ0与A均不变。

磁感应强度由毕奥-萨法尔-拉普拉斯定律可得公式（7）。

式中：r为到导线的距离；I为电流大小。

因此，I越大，B越大，F电磁力也越大，反之亦然。而当且仅当I>I1时，电磁阀才能开启，当I

2.1.1 加载电压U

经分析该文发现，在冷试测试中，因采集系统距离试验台较远，从电源输出至电磁阀之间的电缆较长。当输出电源为额定压力U时，加载于电磁阀上的电压受电缆线阻的影响，低于额定压力。而在热试测试时，为保证电磁阀的性能，连接的电缆较短，且采用线阻较小的航天电缆，损耗低，加载于电磁阀的电压处于额定工况。不同的加载电压导致线圈电流不同，电磁阀开启时，加载电压小，电磁力也小，电磁阀开机合力减小，开机响应变大；而当关机时，其关机合力变大，关机响应减小。

因此，为确保冷试与热试时加载电压处于额定电压下，该文通过提高电源输出电压，利用数字万用表等仪器测试实际加载电压，保证冷试与热试时加载电压均为额定电压，减小冷试与热试响应时间的差异。同时，通过改造冷试测试系统，缩短电缆长度，控制导线材料，也可有效减小二者的差异。

2.1.2 线圈电阻R

对一般的电磁阀冷试测试，由于测试介质可以冷却线圈电阻，且测试时间较短，线圈电阻的温升并不高，远低于热平衡温度；但当电磁阀处于热试时，受发动机燃烧影响，温度逐渐升高，电磁阀将达到热平衡状态，此时电磁阀线圈温度将几倍于冷试时的线圈温度。

以该文某型号电磁阀为例，线圈电阻R可通过拟合公式计算得出公式（8）。

式中：RT为温度T下线圈电阻；T为线圈实际温度；R20为20℃下线圈电阻。

根据数据统计，常温下的冷试测试线圈温度约为20℃，热试时最高可达80℃。在此条件下，线圈电阻将升高23.5%。在加载电压不变的情况下，线圈电流将减少23.5%，对应F电磁力也将减小，进而影响电磁阀的响应时间。

因此，在冷试环境下，可通过增加介质温度，或给增加电磁阀热源，或使电磁阀空载通电一定时间，待线圈温度上升后，再进行响应时间测试。如此可降低冷试与热试时因温度不同导致线圈电阻R不同带来的差异，同时也可在电磁阀正式使用前对热可靠性进行检测，提前发现问题，缩短研制周期，降低研制成本。

2.2 FP1的影响因素

FP1越大，电磁阀开机响应越大，关机响应越小[4]。但对已经确定了技术状态的电磁阀，只要保证冷试与热试时的阀前压力均为额定压力，则可认为冷试与热试FP1相同。

2.3 FP2的影响因素

当电磁阀进行热试时并第一次开机时，阀芯下游压力与发动机室压无关，热试时阀芯下游压力作用于阀芯的力FP2与冷试时阀芯下游压力作用于阀芯的力FP2'相同；第一次关机时，由于发动机残存压力，阀芯下游压力将增大，进而使阀芯下游压力作用于阀芯的力增大，此时FP2>FP2'，使F关合减小，电磁阀关机响应比冷试时有所增大。当电磁阀第二次开机时，若关机间隔时间较短，发动机室压存在压力，则此时F开合将增大，进而导致电磁阀开机响应减小。

当电磁阀频繁开机与关机时，以一定压强流动的液体受阻流速突然降低，压强在较短时间内升高，并向上游迅速传播，在一定条件下发射回来，产生往复波动，形成较大的水击压力[5]。此时阀芯下游发动机压力将产生波动，在耦合的情况下，将出现阀芯上游压力低于下游压力的情况，严重时将导致阀芯被迫打开（此为不合格电磁阀，合格产品不会出现该问题），使推进剂流通，造成关机响应时间延长。

而在冷试测试中，由于电磁阀外部连通大气，不受发动机热试时室压的影响，也不存在阀芯下游压力大于上游压力的情况，所在开关机过程中的F开合与F关合与热试不同，开关机响应时间与热试也不同。因此，为保证电磁阀冷试响应与热试响应无较大差异，在冷试测试时，在阀芯后下游增加一定的压降，压降大小可参照发动机额定室压给定，同时，冷试测试时电磁阀开关机间隔时间应尽可能模拟其在热试中的工况，保证测试条件开关机工况一致。

2.4 F弹的影响因素

F弹受衔铁组件位移影响，与弹簧的位移量有关。对同一电磁阀，由于t2与t4较短，一般在1ms～1.5ms左右，且阀芯行程固定，因此，可认为冷试与热试中F弹相同。

2.5 F电磁力（余）的影响因素

泄放回路电阻，用于系统断路后，将电路中残余的电荷泄放，避免对电路造成恶劣影响。电路中残余电荷将影响电磁阀残余电势[6]，若在冷试试验时不考虑与热试的泄放电阻差异，将导致电磁阀关机响应时间的出现差异。

由图2可知，在测试中，泄放电阻R1为无穷大时，当给定关机信号后，电磁阀残余电势将很快消失，t3非常小。当泄放电阻R1为零，电磁阀残余电势消失时间延长，t3增大。在该文对电磁阀进行冷试测试时，当泄放电阻R1无穷大，关机响应时间仅5ms，但当泄放回路为有限值时，电磁阀关机响应时间达到了12ms。因此，为准确测量冷试与热试的差异，冷试测试时泄放回路应与真实的系统一致，方可在系统上进行测试时进行比对。

图2 泄放回路

通过分析，该文得出了影响冷试与热试响应时间差异的因素。优化测试流程，改善测试条件后，重新对电磁阀进行冷试测试，结果见图3。显然，经过优化测试流程和改善测试条件后的响应时间与热试更加接近，说明该文的分析合理，优化与改善有效。

图3 优化测试流程后电磁阀冷试与热试响应时间对比

3 结论

该文从电磁阀开关机时的受力进行分析，得出造成电磁阀冷试与热试响应时间差异的4个影响因素。1） 实际加载电压。冷试与热试时实际加载电磁阀的电压应保持一致，必要时可使用测量仪器进行确定。2） 线圈温度。应在冷试时使电磁阀线圈升温，缩小与热试时的差异。3） 阀芯下游压力。因热试时电磁阀受阀芯下游的室压影响，在冷试试验时应在电磁阀后增加一定压力的压降。4） 泄放回路电阻。冷试测试的泄放回路电阻应与热试一致。

通过优化影响冷试时电磁阀响应时间的测试条件，电磁阀的冷试响应时间与热试响应时间一致性更好。该优化方法可以应用于其他型号电磁阀的冷试测试，为发动机调试提供更准确的参考。