電磁閥的工作原理及其在化工裝置中的應(yīng)用

張 磊，付 英

（河南煤業(yè)化工集團(tuán)中原大化公司，河南濮陽(yáng) 457004）

1 電磁閥的工作原理

電磁閥由電磁部件、閥體組成。電磁部件由固定鐵芯、動(dòng)鐵芯、線圈等部件組成；閥體部分由滑閥芯、滑閥套、彈簧底座等組成。當(dāng)線圈通電或斷電時(shí)，磁芯的運(yùn)轉(zhuǎn)將導(dǎo)致流體通過(guò)閥體或被切斷，以達(dá)到開關(guān)或改變流體方向的目的。在安全聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)中應(yīng)用的電磁閥，主要有二位三通、二位四通和二位五通，二位的含義為：對(duì)于電磁閥來(lái)說(shuō)是帶電或失電，對(duì)于所控制的閥來(lái)說(shuō)就是打開或關(guān)閉。

1.1 二位三通電磁閥的組成與動(dòng)作過(guò)程

二位三通電磁閥由閥體、閥罩、電磁組件、彈簧及密封結(jié)構(gòu)等部件組成，動(dòng)鐵芯底部的密封塊借助彈簧的壓力將閥體進(jìn)氣口關(guān)閉。得電時(shí)，線圈勵(lì)磁、電磁閥吸合，動(dòng)鐵芯上部帶彈簧的密封塊把排氣口關(guān)閉，氣流從進(jìn)氣口進(jìn)入閥門，起到控制作用；失電時(shí)，電磁力消失，動(dòng)鐵芯在彈簧力作用下離開固定鐵芯向下移動(dòng)，將排氣口打開，堵住進(jìn)氣口，閥門因失氣而改變開關(guān)狀態(tài)。

1.2 二位四通和五通電磁閥的動(dòng)作過(guò)程

二位四通和五通電磁閥的原理相同，只是四通有一個(gè)排氣口，五通有兩個(gè)排氣口。它們的工作原理是：當(dāng)有電流通過(guò)線圈時(shí)，產(chǎn)生勵(lì)磁作用，固定鐵芯吸合動(dòng)鐵芯，動(dòng)鐵芯帶動(dòng)滑閥芯并壓縮彈簧，改變了滑閥芯的位置，從而改變了流體的方向；當(dāng)線圈失電時(shí)，依靠彈簧的彈力推動(dòng)滑閥芯，頂回動(dòng)鐵芯，使流體按原來(lái)的方向流動(dòng)。

2 電磁閥功耗及允許傳輸距離

在實(shí)際的設(shè)計(jì)應(yīng)用中，電磁閥有兩種供電形式：220VAC或24VDC。如果選用220VAC供電形式，因?yàn)楣╇婋妷焊?，傳輸電纜造成的壓降不會(huì)影響到電磁閥的正常工作，不必考慮電纜電阻損失的電壓，所以可以遠(yuǎn)距離傳輸。如果電磁閥的供電電壓為24VDC，就必須根據(jù)電磁閥的最低工作電壓來(lái)進(jìn)行電纜的最大允許長(zhǎng)度計(jì)算。

如果24VDC供電電磁閥的最小工作電壓為20V，那么線路上的最大允許壓降為4V。假設(shè)所選電磁閥的額定功率為12W，采用二芯φ2.5mm ×2的聚氯乙烯絕緣護(hù)套控制電纜，從電纜樣本參數(shù)可知，其最大直流電阻為7.14Ω／km，由此可以計(jì)算出電纜的最大允許長(zhǎng)度，具體如下。

（1）電磁閥的工作電流

式中，I——電磁閥工作電流，A；

P——電磁閥額定功率，W；

V——電磁閥工作電壓，V。

（2）允許電纜長(zhǎng)度的計(jì)算

式中，R——電纜電阻，Ω；

L1——電纜單芯距離，km；

L2——電纜雙芯距離，m。

綜上所述，對(duì)于大功率且供電電壓為24V DC的電磁閥，為了保證電磁閥在不低于正常工作電壓（假設(shè)為20VDC）的條件下出力，可以通過(guò)選用較粗線徑電纜（φ2.5mm）來(lái)降低線路上的壓降，這樣，訊號(hào)允許傳輸距離可以達(dá)到500m左右。

（2）船存海圖必須均有效，過(guò)期海圖還沒(méi)有領(lǐng)到新版時(shí)必須收妥，必須用馬克筆注明“海圖已作廢”，過(guò)期海圖必須與有效海圖分開存放， 在存放作廢海圖處必須注明“作廢海圖”，已經(jīng)作廢的海圖不能再登記在海圖清單上，海圖如有破損或折痕嚴(yán)重都要向公司申請(qǐng)換新。

3 電磁閥的聯(lián)鎖控制

為了避免因電源故障而導(dǎo)致電磁閥在聯(lián)鎖動(dòng)作時(shí)失效，通常采用的電磁閥都為常閉型（NC），即正常時(shí)帶電，聯(lián)鎖動(dòng)作時(shí)失電；另外，還有一種為通用型（可以連成常閉或常開的任意一種）。

在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)工藝過(guò)程的安全保護(hù)需要，確定哪種形式能夠滿足最安全的條件［選用NC（常閉型）或通用型］。下面以工程設(shè)計(jì)中電磁閥的應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行說(shuō)明。

3.1 應(yīng)用在單作用氣開式切斷閥聯(lián)鎖時(shí)關(guān)閉及單作用氣關(guān)切斷閥聯(lián)鎖時(shí)打開的場(chǎng)合（如圖1）

聯(lián)鎖過(guò)程：正常狀態(tài)下，電磁閥得電，進(jìn)氣口1打開，排氣口2關(guān)閉，氣路1－3接通，切斷閥正常供氣，氣開式切斷閥為打開，氣關(guān)式切斷閥則為關(guān)閉；聯(lián)鎖狀態(tài)下，進(jìn)氣口1關(guān)閉，排氣口2打開，氣路2－3接通，切斷閥供氣中斷，執(zhí)行機(jī)械的彈簧復(fù)位，氣開式切斷閥此時(shí)為關(guān)閉，氣關(guān)式切斷閥則為打開。

圖1 二位三通常閉型電磁閥的應(yīng)用

3.2 應(yīng)用在單作用氣開式切斷閥聯(lián)鎖時(shí)打開及單作用氣關(guān)式切斷閥聯(lián)鎖時(shí)關(guān)閉的場(chǎng)合（如圖2）

聯(lián)鎖過(guò)程：正常狀態(tài)下，電磁閥得電，進(jìn)氣口1關(guān)閉，排氣口2打開，氣路2－3接通，切斷閥不供氣，氣開式切斷閥為關(guān)閉，氣關(guān)式切斷閥則為打開；聯(lián)鎖狀態(tài)下，電磁閥失電，電磁閥進(jìn)氣口1打開，排氣口2關(guān)閉，氣路1－3接通，切斷閥供氣，氣開式切斷閥為打開，氣關(guān)式切斷閥則為關(guān)閉。

圖2 二位三通通用型電磁閥的應(yīng)用

3.3 二位五通單線圈電磁閥應(yīng)用在切斷閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)為雙作用氣缸式的場(chǎng)合（如圖3）

圖3 二位五通單線圈電磁閥的應(yīng)用

如果聯(lián)鎖時(shí)需要關(guān)閉切斷閥，則在正常操作時(shí)儀表空氣走向?yàn)?－4，切斷閥B氣缸進(jìn)氣，A氣缸排氣，然后再經(jīng)電磁閥2－3端口放空；當(dāng)發(fā)生聯(lián)鎖時(shí)，儀表空氣走向?yàn)?－2，切斷閥A氣缸進(jìn)氣，B氣缸排氣，然后再經(jīng)電磁閥4－5端口放空。

如果聯(lián)鎖時(shí)需要打開切斷閥，則在正常操作時(shí)儀表空氣走向?yàn)?－2，切斷閥A氣缸進(jìn)氣，B氣缸排氣，然后再經(jīng)電磁閥4－5端口放空；發(fā)生聯(lián)鎖時(shí)，儀表空氣走向?yàn)?－4，切斷閥B氣缸進(jìn)氣，A氣缸排氣，然后再經(jīng)電磁閥2－3端口放氣。

3.4 二位五通雙線圈電磁閥應(yīng)用在切斷閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)為雙作用氣缸式的場(chǎng)合（如圖4）

通常，可以根據(jù)聯(lián)鎖要求通過(guò)切斷閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)A、B氣缸的進(jìn)氣、排氣達(dá)到閥門的通斷，但是在一些工藝要求電源故障時(shí)保持閥位EFL（Electrical Failure）的場(chǎng)合，可選用雙線圈電磁閥來(lái)實(shí)現(xiàn)在電源故障情況下閥位的保持。此類電磁閥磁芯的運(yùn)轉(zhuǎn)所導(dǎo)致閥門的通斷分別由兩個(gè)線圈來(lái)完成，故稱為雙線圈。

聯(lián)鎖過(guò)程：當(dāng)電磁閥線圈S1接收聯(lián)鎖信號(hào)1時(shí)，儀表空氣走向?yàn)?－4，切斷閥B氣缸進(jìn)氣，A氣缸排氣，然后再經(jīng)電磁閥2－3端口放空，切斷閥達(dá)到打開的目的。如果此時(shí)發(fā)生電源故障，只要電磁閥線圈S1未收到聯(lián)鎖信號(hào)2時(shí)，切斷閥依然保持打開位置，直到S2接收到聯(lián)鎖信號(hào)2時(shí)，儀表空氣走向?yàn)?－2，切斷閥A氣缸進(jìn)氣，B氣缸排氣，然后再經(jīng)電磁閥4－5端口放空，切斷閥達(dá)到關(guān)閉的目的。

圖4 二位五通雙線圈電磁閥的應(yīng)用

總而言之，雙線圈電磁閥可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)電源故障時(shí)切斷閥不會(huì)因?yàn)槭щ姸鴦?dòng)作，仍然保持在電源故障前的位置。在實(shí)際的設(shè)計(jì)應(yīng)用中，單線圈或雙線圈電磁閥的選用必須根據(jù)工藝流程的需要，及滿足聯(lián)鎖的需要。

4 在控制閥參與聯(lián)鎖時(shí)的應(yīng)用

圖5中兩臺(tái)電磁閥分別接收同一個(gè)工藝參數(shù)（壓力）的不同值（高和低）引起的聯(lián)鎖信號(hào)。控制閥在正常狀態(tài)下為打開狀態(tài)，電磁閥S1、S2都處于得電狀態(tài)，電磁閥S1進(jìn)氣口1關(guān)閉，排氣口2打開，氣路2－3接通；電磁閥S2進(jìn)氣口1打開，排氣口2關(guān)閉，氣路1－3接通，控制閥不供氣，氣關(guān)式控制閥打開。當(dāng)電磁閥S1接收到聯(lián)鎖信號(hào)1（壓力低聯(lián)鎖）時(shí)，電磁閥S1失電，此時(shí)由于聯(lián)鎖信號(hào)2（壓力高聯(lián)鎖）不發(fā)生，電磁閥S2仍處于得電狀態(tài)，電磁閥S1的進(jìn)氣口1打開，排氣口2關(guān)閉，氣路1－3接通；電磁閥S2仍然為進(jìn)氣口1打開，旁通口2關(guān)閉，氣路1－3接通，即電磁閥S1、S2的1－3均為通路，控制閥由電氣閥門定位器調(diào)節(jié)。當(dāng)電磁閥接收到聯(lián)鎖信號(hào)2（壓力高聯(lián)鎖）時(shí)，電磁閥S2失電，此時(shí)由于聯(lián)鎖信號(hào)1（壓力低聯(lián)鎖）不發(fā)生，電磁閥S1處于得電狀態(tài)，電磁閥S1的進(jìn)氣口1關(guān)閉，排氣口2打開，氣路2－3接通，電磁閥S2的進(jìn)氣口1關(guān)閉，排氣口2打開，氣路2－3接通，氣關(guān)式控制閥關(guān)閉。

圖5 雙電磁閥的應(yīng)用

5 電磁閥應(yīng)用時(shí)的注意事項(xiàng)

故障將直接影響到切斷閥或控制閥的動(dòng)作。常見的故障為電磁閥發(fā)生拒動(dòng)現(xiàn)象，遇到此類問(wèn)題，應(yīng)從以下幾方面排查。

（1）電磁閥接線頭松動(dòng)或線頭脫落，電磁閥不得電。應(yīng)緊固線頭。

（2）電磁閥線圈燒壞?？刹鹣码姶砰y的接線，用萬(wàn)用表電阻檔測(cè)量，如果開路，則電磁閥燒壞，可能因線圈受潮引起絕緣不好而漏磁，造成線圈內(nèi)電流過(guò)大而燒毀。因此，要防止雨水進(jìn)入電磁閥。此外，彈簧過(guò)硬，反作用力過(guò)大；線圈匝數(shù)太少，吸力不夠也會(huì)導(dǎo)致線圈燒毀。

（3）電磁閥卡住。電磁閥的滑閥套與閥芯的配合間隙很?。ㄐ∮?μm），一般都是單件裝配，當(dāng)有機(jī)械雜質(zhì)帶入或潤(rùn)滑油太少時(shí)，很容易卡住。可用鋼絲從頭部小孔插入，使其彈回。根本的解決方法是，將電磁閥拆下，取出閥芯及閥芯套進(jìn)行清洗，使閥芯在閥套內(nèi)動(dòng)作靈活。

此外，選用電磁閥時(shí)還應(yīng)考慮溫度、壓力、防爆區(qū)域劃分等。

總之，在設(shè)計(jì)選用電磁閥時(shí)，一方面應(yīng)根據(jù)工作的實(shí)際聯(lián)鎖保護(hù)需要，另一方面還應(yīng)從電磁閥的可靠性及經(jīng)濟(jì)性考慮。而經(jīng)濟(jì)性必須建立在安全、適用、可靠的基礎(chǔ)上，經(jīng)濟(jì)性不單是產(chǎn)品的售價(jià)，更要優(yōu)先考慮其功能和質(zhì)量以及安裝維修等費(fèi)用，簡(jiǎn)言之是產(chǎn)品的性能價(jià)格比。