一種無摩擦簧片式電磁閥的研制

黃愛清，曹 明，唐妹芳，尤 罡

（上海空間推進(jìn)研究所，上海201112）

0 引言

隨著我國航天器應(yīng)用需求的增長，對航天器使用壽命要求越來越高，如衛(wèi)星工程、載人工程及探月工程等均要求使用壽命在十年以上，其推進(jìn)分系統(tǒng)中對發(fā)動機控制閥的脈沖工作也從原先的十幾萬次提升至百萬次以上，而傳統(tǒng)滑動式電磁閥工作過程中銜鐵和線圈組件內(nèi)腔存在摩擦，頻繁工作后產(chǎn)生自身多余物，制約了傳統(tǒng)電磁閥長壽命工作。

本文介紹了某探測器無摩擦簧片式電磁閥(以下簡稱簧片電磁閥)的設(shè)計和研發(fā)。該簧片電磁閥采用簧片式銜鐵夾持裝置，既具有良好的對中性，又實現(xiàn)了銜鐵與閥門內(nèi)腔的無接觸運動，避免了閥門自身摩擦產(chǎn)生多余物，電磁閥性能穩(wěn)定，可廣泛地應(yīng)用于多領(lǐng)域航天器推進(jìn)系統(tǒng)長壽命、高可靠性發(fā)動機控制閥的穩(wěn)態(tài)和脈沖工作。

1 設(shè)計方案

1.1 性能要求

電磁閥主要性能參數(shù)見表1。

表1 簧片電磁閥主要性能參數(shù)Tab.1 Main performance parameters of S-spring valve

1.2 方案設(shè)計

為滿足輕質(zhì)、可靠、長壽命的性能指標(biāo)要求，設(shè)計了無摩擦簧片式電磁閥，其設(shè)計方案見圖1。主要特點：采用簧片式銜鐵夾持結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)無摩擦運動，運動件間的配合精度要求低、結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕。

圖1 簧片電磁閥設(shè)計方案Fig.1 Design scheme of S-spring valve

1.3 工作原理

簧片電磁閥由簧片組件、線圈組件、濾網(wǎng)組件、閥座等組成，產(chǎn)品實物及工作原理見圖2?；善姶砰y內(nèi)腔由簧片組件的閥芯與閥座形成密封副，閥芯部件采用雙簧片作為復(fù)位機構(gòu)，以實現(xiàn)閥芯部件的無摩擦運動。該簧片電磁閥在線圈未通電時，靠介質(zhì)壓力及簧片預(yù)壓力，將閥芯（與銜鐵連成一體）壓緊在閥座上，在簧片電磁閥內(nèi)腔流道上形成密封副。當(dāng)給線圈通以一定電壓時，通過磁回路，在磁路間隙處產(chǎn)生軸向吸力，吸引簧片組件運動，直至電磁吸力克服簧片力和介質(zhì)壓力，使閥門完全開啟。只要線圈持續(xù)通電，閥門就保持開啟狀態(tài)，直到電信號切斷，電磁吸力下降到不足以克服簧片力和介質(zhì)壓力的合力時，閥芯復(fù)位，閥門關(guān)閉。

圖2 產(chǎn)品實物及工作原理Fig.2 Picture and working principle of S-spring valve

1.4 設(shè)計難點

根據(jù)簧片電磁閥的研制經(jīng)驗，簧片電磁閥的研制難點在于簧片的結(jié)構(gòu)設(shè)計對簧片特性影響大，且簧片的制造質(zhì)量要求高。因此，其設(shè)計難點就是簧片的設(shè)計和制造工藝。

目前，簧片的設(shè)計尚無規(guī)范或成熟的設(shè)計計算方法可以借鑒，主要是根據(jù)經(jīng)驗初步設(shè)計外形結(jié)構(gòu)和尺寸，再通過ANSYS仿真分析結(jié)果進(jìn)行驗證和調(diào)整，確定簧片的設(shè)計參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式，并對產(chǎn)后的簧片進(jìn)行試驗考核，最終確定簧片設(shè)計技術(shù)狀態(tài)。

簧片的熱處理是簧片制造過程中的關(guān)鍵步驟，熱處理結(jié)果直接影響簧片的力學(xué)性能。簧片所選擇的材料為冷作硬化不銹鋼，這類鋼綜合了馬氏體不銹鋼和奧氏體不銹鋼的優(yōu)點?；善瑹崽幚砭褪峭ㄟ^熱處理的方式來控制奧氏體和馬氏體相變獲得優(yōu)良的加工性能和綜合力學(xué)性能。殘余奧氏體含量高，則簧片的塑性好剛度差，簧片受力后易發(fā)生塑性變形；殘余奧氏體含量低，馬氏體含量高，則簧片的強度高彈性差，簧片彈性變形差，影響簧片電磁閥的正常工作。因此，熱處理制度的制定對簧片的性能至關(guān)重要。

2 關(guān)鍵參數(shù)的確定

2.1 簧片參數(shù)確定

根據(jù)簧片在整閥設(shè)計中的包絡(luò)尺寸，并考慮到簧片電磁閥流量、響應(yīng)時間等特點，在簧片設(shè)計方面采用“S”形結(jié)構(gòu)的簧片，“S”形簧片具有行程大、工作次數(shù)多等優(yōu)點。通過ANSYS軟件對簧片結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計后，確保剛度為4 N/mm，最終結(jié)構(gòu)形式及實物見圖3。

圖3 簧片結(jié)構(gòu)及實物圖Fig.3 Structure and picture of S-spring

2.2 電磁場參數(shù)確定

根據(jù)電磁力設(shè)計計算公式和仿真軟件分析，確定隔磁墊片厚度和吸合磁勢，預(yù)計閥門電磁吸力28 N，實測電磁閥吸力為32 N。

圖4 響應(yīng)特性曲線仿真分析Fig.4 Curve for respond characteristic of S-spring valve

根據(jù)線圈參數(shù)，通過公式計算和軟件仿真分析，得出閥門負(fù)載2.0 MPa下的開關(guān)響應(yīng)特性。通電29 VDC、負(fù)載2.0 MPa時，電磁閥開啟時間6.0 ms，關(guān)閉時間10 ms，滿足任務(wù)書要求。響應(yīng)特性仿真分析見圖4。

2.3 流道參數(shù)確定

根據(jù)系統(tǒng)流阻要求，通過流阻公式計算，確定閥門口徑為2 mm，行程0.3 mm。經(jīng)公式計算和流場仿真分析，在水流量為27 g/s時，閥門流阻為0.18 MPa，滿足系統(tǒng)使用要求。

2.4 密封參數(shù)確定

閥口密封副選用金屬-非金屬密封，非金屬材料采用氟塑料Fs-46。為防止非金屬密封面因上百萬次工作后壓縮變形大和電磁閥行程變大，設(shè)計上采取了相應(yīng)措施。非金屬密封面厚度取薄些，變相地增加非金屬密封面的硬度，可適當(dāng)降低密封比壓，根據(jù)經(jīng)驗，一般取3 MPa至5 MPa之間。此外，在保證密封副密封比壓情況下，閥芯部件采取運動限位結(jié)構(gòu)。上述措施均有利于閥芯部件上百萬次動作后密封面壓縮變形和電磁閥行程變化。密封參數(shù)的確定為簧片剛度設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

3 試驗情況和分析

3.1 簧片力檢測

試驗過程中對簧片和簧片組件進(jìn)行了簧片力測試。簧片組件性能數(shù)據(jù)見表2。測試結(jié)果表明，簧片結(jié)構(gòu)滿足簧片設(shè)計要求。

表2 簧片組件性能數(shù)據(jù)Tab.2 Performance data of S-spring module

3.2 常規(guī)性能試驗

在研制過程中對簧片電磁閥的常規(guī)性能進(jìn)行了測試，主要包括響應(yīng)特性、動作試驗、漏率等。試驗數(shù)據(jù)見表3，試驗數(shù)據(jù)表明產(chǎn)品性能滿足系統(tǒng)使用要求。

表3 常規(guī)性能試驗數(shù)據(jù)Tab.3 Data of convention performance test

3.3 環(huán)境試驗

簧片電磁閥經(jīng)過了振動、加速度、熱循環(huán)和熱真空等環(huán)境試驗的考核。其中簧片電磁閥通過了溫度為-1 5℃～+9 5℃、循環(huán)次數(shù)為2 5.5次的熱循環(huán)環(huán)境試驗考核。在熱循環(huán)環(huán)境試驗中對閥門主要性能進(jìn)行檢測，閥門漏率試驗數(shù)據(jù)見表4。試驗結(jié)果表明，簧片電磁閥的環(huán)境適應(yīng)能力滿足要求。

表4 熱循環(huán)試驗數(shù)據(jù)Tab.4 Data of heat cycle test

3.4 壽命試驗

簧片電磁閥通過了1 0 0萬次壽命試驗考核。表5給出了該閥門在工作百萬次壽命試驗的測試數(shù)據(jù)，驗證了該閥門上百萬次工作的可靠性。

4 結(jié)論

1）簧片電磁閥采用簧片式銜鐵組件避免了閥門自身摩擦產(chǎn)生多余物，相對于傳統(tǒng)摩擦滑動式電磁閥，是新型閥門設(shè)計的一大進(jìn)步，具有長壽命、高可靠等特點。

2）攻克了簧片電磁閥中簧片的設(shè)計和制造工藝，為簧片電磁閥的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

3）試驗驗證了簧片電磁閥性能穩(wěn)定可靠，滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求，可廣泛地應(yīng)用于多領(lǐng)域航天器推進(jìn)系統(tǒng)長壽命、高可靠性發(fā)動機控制閥的穩(wěn)態(tài)和脈沖工作。

表5 壽命試驗性能數(shù)據(jù)Tab.5 Performance data of life cycle test

[1]SCHULTE G.High performance 400N MMH/NTO bipropellant engine for apogee boost maneuvers,AIAA 99-2466[R].USA：AIAA,1999.

[2]HUFTALEN R L.Next generation propellant isolation valve eesign and eevelopment,AIAA 2006-4879[R].USA：AIAA,2006.

[3]TAIICHI N.The development of a Japanese 20 N thruster valve for a spacecraft propulsion system,AIAA 2006-4876[R].USA：AIAA,2006.

[4]趙元修,吳守生.液體推進(jìn)劑火箭發(fā)動機設(shè)計[M].北京：宇航出版社,1973.

[5]寥湘恩.航空電器[M].北京:國防工業(yè)出版社,1 9 8 1.

[6]范欽珊.壓力容器的應(yīng)力分析與強度設(shè)計[M].北京：原子能出版社,1999.

[7]趙博.Ansoft12在工程電磁場中的應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社,2010.

[8]劉國強.Ansoft工程電磁場有限元分析[M].北京：電子工業(yè)出版社,2005.