高頻高速大流量數(shù)字電磁閥多孔油嘴的研發(fā)

文紅武

(海軍裝備部,陜西 西安 710077)

高速數(shù)字電磁閥作為航空發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)的電液轉(zhuǎn)換裝置，是電子控制器的關(guān)鍵執(zhí)行元件[1](見圖1)，在機(jī)電液一體化系統(tǒng)中是電子與機(jī)械液壓機(jī)構(gòu)間理想的接口元件。其基本工作狀態(tài)是: 閥全開或閥全關(guān)兩種狀態(tài)。通過改變“單位時間”內(nèi)的閥全開時間與閥全關(guān)時間的比例，即可實(shí)現(xiàn)對“單位時間”內(nèi)的介質(zhì)通過量進(jìn)行控制[2-3]。其結(jié)構(gòu)簡單，使用元件較少，對污染不敏感；工作平穩(wěn)，響應(yīng)迅速；驅(qū)動方式靈活，控制精度較高等優(yōu)點(diǎn)，正是航天發(fā)動機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)所需。采用脈寬調(diào)制的數(shù)字電磁閥動作頻率高，每秒鐘開關(guān)40次。其運(yùn)動行程短，它的油嘴與擋板間的開距一般只有0.2～0.25mm。在這種開距的情況下，油嘴的全開直徑只能有0.8～1.0mm，工作流量范圍受到極大限制。

圖1 數(shù)字電磁閥結(jié)構(gòu)簡圖

1 傳統(tǒng)數(shù)字電磁閥所面臨的問題

由于脈寬調(diào)制式數(shù)字電磁閥油嘴開度很小，在要求大流量的電磁閥中必然會遇到一系列技術(shù)難題。

1.1 數(shù)字電磁閥所需的電磁力

例如：在6MPa壓差情況下，用電磁閥控制10L/min的油路，按流量公式(1)計算可得：

式中：

Q——容積流量(米3/秒)；

A——閥門通道面積(米2)；

△p——進(jìn)出口油壓力差(MPa或公斤/米2)；

ρ——油液密度(公斤/米3)；

g——重力加速度(米/秒2)；

μ——流量系數(shù)，粗略計算時取μ=0.62。

則閥門的通道面積：

A=1.933mm2，

保證密封的擋板力：

F=Δp×S=11.6N，

但數(shù)字電磁閥開度只有0.2～0.25mm。為保證閥口通道面積，只能在0.2mm寬環(huán)縫處供油，其環(huán)縫周長L=A/0.2=9.665mm，所以油嘴直徑Φ=L/π=3.078mm，則受力面積變成S=7.44mm2，這時的封口力變成F=44.64N，密封力增大了3.85倍，由于電磁閥都對泄漏量有要求，一般為電磁閥最大壓力，所以彈簧的預(yù)緊力至少大于封口力，給電磁閥通電時，在沒有工作介質(zhì)的情況下，電磁力應(yīng)克服彈簧的預(yù)緊力。當(dāng)油嘴面發(fā)生增大時，彈簧的預(yù)緊力增大，電磁力則通過增加線圈匝數(shù)的方法增大，產(chǎn)品的外形結(jié)構(gòu)相應(yīng)增大，也就是電磁閥的電磁力和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)需擴(kuò)大4倍。

其實(shí)這種計算方法還不夠完全，因?yàn)榇罂趶叫￠_度情況下，閥門和擋板間各質(zhì)點(diǎn)的壓差不是宏觀壓差，而且是不均勻的，軸線上的壓差為零，向外逐漸增大，引出口邊沿才是宏觀壓差，所以油嘴直徑還需擴(kuò)大。

1.2 流量精確性和穩(wěn)定性

在電磁閥裝配調(diào)試中常常需用墊片調(diào)整閥門開度。目前，常用的最薄墊片為0.05mm，若大口徑小開度電磁閥的全開度只有0.2mm，那么更換一個墊片就會改變流量的12.5%。這是無法完成裝調(diào)流量指標(biāo)要求的。即使個別電磁閥湊巧能滿足流量的指標(biāo)要求，也不能同時保證穩(wěn)定性。因?yàn)檫@種電磁閥運(yùn)行一段時間后，油嘴與擋板高速撞擊，不可避免產(chǎn)生磨損，使油嘴開度發(fā)生變化，造成產(chǎn)品的流量指標(biāo)出現(xiàn)嚴(yán)重的偏差?；铋T開度每變化0.01mm，流量就會變化5%，無法保證產(chǎn)品穩(wěn)定的流量指標(biāo)。

1.3 節(jié)流與沖蝕

大口徑小開度的油嘴存在嚴(yán)重的節(jié)流問題，在小開度下，閥內(nèi)流體與過流部件發(fā)生高速相對運(yùn)動，極易產(chǎn)生空化現(xiàn)象，破壞流體的連續(xù)性，使流場特征更加復(fù)雜[4]。此外，空化形成的氣泡在流經(jīng)壓力恢復(fù)區(qū)時，會發(fā)生潰滅，引發(fā)諸如材料損傷、振動、噪聲等問題[5]。它會造成強(qiáng)烈的沖擊力，阻礙擋板的正常運(yùn)動，無法保證產(chǎn)品的基本功能。在節(jié)流口，介質(zhì)高速流動，具有強(qiáng)大動能，它可以很快將閥芯、閥座沖出流線型的細(xì)槽。尤其在小開度時，節(jié)流間隙小，節(jié)流速度達(dá)到最大值，巨大的沖刷作用會破壞鈍化型金屬的表面鈍化膜，并妨礙其再鈍化，使金屬處于表面鈍化膜不完善或者不存在的狀態(tài)，腐蝕速度急劇增加，所以這種電磁閥使用壽命較短。

2 解決方案

上述諸多問題使大流量數(shù)字電磁閥的研發(fā)受阻。為解決這一問題，針對小開度大流量的油嘴提出“多孔”結(jié)構(gòu)，并預(yù)估目前和今后需要的壓差和流量要求范圍，給出多孔油嘴結(jié)構(gòu)尺寸的具體設(shè)計資料，以解決實(shí)際使用過程中的裝配尺寸要求。根據(jù)具體不同的壓差、流量要求只要改變基孔孔徑和基孔數(shù)量，不必修改其他結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)就可以與電磁殼體配套，滿足用戶需求。

圖2 多孔油嘴結(jié)構(gòu)示意圖

多孔結(jié)構(gòu)油嘴(如圖2)是否會出現(xiàn)如圖所示，兩出孔軸線及其附近壓差小、排油等問題。為此一方面設(shè)置了總流量三分之一的中心輸油孔，解決主要問題。至于兩孔之間輸油不均，其實(shí)在單孔油嘴的中心，也存在中心輸油小的問題，具體產(chǎn)品僅需用墊片進(jìn)行裝配調(diào)整修正即可。

具體多孔油嘴結(jié)構(gòu)尺寸如圖3所示。

圖3 多孔油嘴基本尺寸

油嘴的基本尺寸：

基孔Φ0.8mm；密封帶寬0.3mm；

Nmax=12；面積Smax=6.03mm2；

基孔排布周長：

L=13.2mm；

Φ基=4.2mm；

Φ內(nèi)=2.8mm；

Φ外=5.6mm；

外部尺寸不變，按所需壓差和流量改變均布的孔數(shù)和孔徑即可。

擋板的基本尺寸如圖4所示。

擋板的基本尺寸：

擋板的封口直徑：

Φd=Φ外+0.3=5.9mm；

圖4 擋板基本尺寸

這個主孔再分成4個側(cè)孔，孔徑為Φck=0.8mm。

3 計算結(jié)果

為方便使用，將油嘴不同基孔數(shù)以及對應(yīng)的通道面積在不同壓差下的最大流量分別按公式計算，結(jié)果見表1。

表1 計算結(jié)果

運(yùn)用AMESim仿真軟件，建立仿真模型，如圖5所示。

圖5 基孔數(shù)不同時的多孔油嘴模型

仿真結(jié)果見圖6所示。

圖6 基孔數(shù)不同時的多孔油嘴仿真結(jié)果

仿真結(jié)果列表如表2所示。

從表1和表2可以看出，在不改變數(shù)字電磁閥外部接口和主要零件的前提下，僅通過改變油嘴基孔數(shù)量，進(jìn)而改變通道面積，就可以對數(shù)字電磁閥流量最大供油量進(jìn)行靈活、大幅度的改變，達(dá)到產(chǎn)品使用需求。

表2 仿真結(jié)果

4 結(jié)論

數(shù)字電磁閥在電控液壓系統(tǒng)中應(yīng)用日益廣泛，由于其結(jié)構(gòu)簡單，使用元件較少，對污染不敏感；工作平穩(wěn)，響應(yīng)迅速；驅(qū)動方式靈活，控制精度較高，在航空航天發(fā)動機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中大量采用。通過使用“多孔油嘴”可以有效解決數(shù)字電磁閥流量不夠等技術(shù)難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)靈活調(diào)節(jié)，滿足產(chǎn)品使用需求。

[1] 王秋霞，樊丁，彭凱，等. 航空發(fā)動機(jī)高速電磁閥控制模式分析研究[J].計算機(jī)仿真，2013，30(1):145-150.

[2] 彭凱，樊丁，樸振鵬，等．航空發(fā)動機(jī)燃油分布器故障分析與參數(shù)優(yōu)化[J]．推進(jìn)技術(shù)，2011，32(2) :276-281．

[3] 蘇明，陳倫軍．基于AMESim 的電磁高速開關(guān)閥動靜態(tài)特性研究[J]．液壓與氣動，2010(2):68-72．

[4] 沙寶森.黎明的曙光——盤點(diǎn)2011[J].液壓氣動與密封,2012(1):1-3.

[5] 王長江.中國液壓氣動行業(yè)當(dāng)前態(tài)勢與對策——2011年液壓液力氣動密封行業(yè)工作會議匯報[J].液壓氣動與密封,2012(1)：4-8.