一種航空系統(tǒng)用兩位三通電磁閥的設(shè)計(jì)

凱邁（洛陽）氣源有限公司 王方方 王 抓 江 澎

?

一種航空系統(tǒng)用兩位三通電磁閥的設(shè)計(jì)

凱邁（洛陽）氣源有限公司 王方方 王 抓 江 澎

【摘要】介紹了一種兩位三通常開式電磁閥的組成及主要部件的設(shè)計(jì)參數(shù)確定方法，并通過驗(yàn)證及實(shí)際應(yīng)用，取得了良好的實(shí)用效果。該電磁閥具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、響應(yīng)快、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已應(yīng)用于某航空裝置氣動(dòng)系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】電磁閥；線圈；電磁吸力

0　引言

電磁閥是用電磁控制的工業(yè)設(shè)備，是用于控制流體的自動(dòng)化基礎(chǔ)元件。應(yīng)用于航空領(lǐng)域的電磁閥，性能要求高于普通行業(yè)電磁閥，常應(yīng)具有快速響應(yīng)、體積小、重量輕、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、可靠性高、使用壽命長等特點(diǎn)。本文著重介紹一種航空系統(tǒng)用兩位三通常開式電磁閥的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

1　技術(shù)指標(biāo)要求

1）工作介質(zhì)：氮?dú)猓?/p>

2）工作壓力：20MPa；

3）工作電壓：27V DC；

4）外形尺寸：≤Ф32mm×70mm；

5）重量：≤350g；

6）使用溫度：-55℃～+70℃；

7）15ms內(nèi)完成對(duì)氣缸（容積2mL）的充氣或者放氣。

2　設(shè)計(jì)方案

2.1組成及工作原理

電磁閥的組成結(jié)構(gòu)示意見圖1。主要由閥體、閥芯、復(fù)位彈簧、密封接頭、線包等部分組成。

圖1　電磁閥結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1所示，電磁閥的工作原理為：電磁閥為常開狀態(tài)，當(dāng)不通電時(shí)，氮?dú)鈴碾姶砰y入口經(jīng)出口給氣缸充氣，放空處密封，氣體無法通過；當(dāng)電磁閥通電時(shí)，閥芯在電磁力的作用下向左移動(dòng)，入口與出口氣路斷開，出口與放空處連通，氣體從放空處流出。

2.2設(shè)計(jì)參數(shù)確定

2.2.1閥體設(shè)計(jì)

閥體是電磁閥的主要載體，同時(shí)決定著電磁閥的承壓能力。材料宜選用矯頑力低、高導(dǎo)磁率的軟磁不銹鋼，其強(qiáng)度計(jì)算按第一強(qiáng)度理論分析，一般采用薄壁公式計(jì)算。

圖2　閥體結(jié)構(gòu)示意圖

分析閥體的受力情況，閥體受到氣體作用在閥體內(nèi)部的氣體壓力，其薄弱環(huán)節(jié)內(nèi)徑為D1，閥體最小外徑為D2。電磁閥的工作壓力為P，閥體最薄弱部位能夠承受的壓力Pb可按以下公式進(jìn)行計(jì)算：

其中，σb為閥體材料的抗拉強(qiáng)度，S為壁厚。

一般應(yīng)滿足Pb≥2.5P，以保證使用的安全性。

2.2.2閥芯設(shè)計(jì)

閥芯的材料可選用電工純鐵，其具有磁導(dǎo)率高、矯頑力小，磁飽和感應(yīng)強(qiáng)度高（Bm≥1.8T）的特點(diǎn)。高壓氣體電磁閥一般工作在磁飽和的工況下，選用電工純鐵能夠獲得較大的電磁吸力。

2.2.3線包設(shè)計(jì)

根據(jù)線圈的額定功率P和額定工作電壓U，能夠得到線圈的工作電流I和直流電阻R，在電流I一定的情況下，需保證足夠的線圈匝數(shù)N，以使電磁閥工作磁隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度大于閥芯的磁飽和感應(yīng)強(qiáng)度1.8T，線圈匝數(shù)N從下式得出：

式中：μ0── 空氣磁導(dǎo)率μ0=1.25×10-6（H/m）

線圈的厚度H和線圈漆包線直徑d0可用以下公式計(jì)算：

式中：ρ20──ρ20=1.754×10-5Ωmm2/mm（銅漆包線20℃時(shí)電阻率）

線圈漆包線長度L1可從軸向結(jié)構(gòu)尺寸、經(jīng)濟(jì)性、散熱面積等方面進(jìn)行綜合考慮，一般情況下取L1=（7～15）H。

2.2.4電磁吸力計(jì)算

在該磁系統(tǒng)的磁路中，由于工作氣隙較小，故雖然存在漏磁通，但相對(duì)于主磁通來說可以忽略，故電磁鐵對(duì)閥芯的吸力F為：

其中：μ0——線圈磁勢(shì)（Wb/A·m）；

δ——?dú)庀堕L度，m

N——線圈匝數(shù)

I——電流，A

S——磁路截面積，m2

Kf——漏磁系數(shù)，1.2～5

2.2.5充氣時(shí)間計(jì)算

根據(jù)已知?dú)饴吠◤絛，向氣缸充氣時(shí)，氣缸內(nèi)的壓力由P0升至Ps，充氣時(shí)間t1可由下式計(jì)算。

式中，τ為充氣、放氣時(shí)間常數(shù)（s），P0為容器中初始絕對(duì)壓力（MPa）；Ps為氣源絕對(duì)壓力（MPa）；τ值可用以下公式計(jì)算。

式中，V為氣缸的容積（L）；A為有效截面積（mm2）；κ為等熵指數(shù)（氮?dú)馊?.4），T1=293K（20℃）。

2.2.6復(fù)位彈簧設(shè)計(jì)

當(dāng)電磁閥未通電時(shí)，復(fù)位彈簧給閥芯一個(gè)合適的預(yù)壓緊力，使閥芯的密封面與密封接頭緊密接觸，起到良好的密封作用。當(dāng)電磁閥通電后再斷電時(shí)，復(fù)位彈簧給閥芯一個(gè)復(fù)位力，使閥芯快速復(fù)位密封。

彈簧的外形尺寸、剛度、預(yù)壓縮量與電樞結(jié)構(gòu)尺寸、工作壓力、流量、最小開啟電壓、釋放電壓等因素都有關(guān)聯(lián)，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需綜合考慮。

由圖1分析，彈簧作用力和氣壓作用力方向一致，使閥芯密封面與密封接頭緊密接觸，線包通電時(shí)，電磁吸力大于彈簧作用力和氣壓作用力之和，閥芯與閥體吸合，出氣口與放空口氣路接通。

由工作狀況，電磁吸力FD、氣壓作用力FQ、彈簧作用力FK、密封力取FM，為保證電磁閥在通電時(shí)能阻斷進(jìn)氣，必須滿足

為保證電磁閥在低壓時(shí)的氣密性，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)：密封力FM應(yīng)保證閥芯密封面和接頭接觸應(yīng)力大于10MPa。故密封力FM=10SM，SM為閥芯與接頭密封處環(huán)形區(qū)域面積。

氣壓作用力要考慮最不利的工作狀況，應(yīng)按最高工作壓力Pb（1.5倍工作壓力）來計(jì)算，氣壓作用面積為密封面與密封接頭平面接觸處直徑d的面積。

氣壓作用力：

根據(jù)閥體結(jié)構(gòu)、電樞結(jié)構(gòu)尺寸、彈簧作用力大小等因素，參考GB/T2089-1994圓柱螺旋壓縮彈簧進(jìn)行彈簧的設(shè)計(jì)。選定彈簧的材料，可得材料的彈性模量G，選擇彈簧線徑d1，確定彈簧中徑D，以及彈簧的有效圈數(shù)n，則彈簧的剛度K可由下式得出。

根據(jù)閥體結(jié)構(gòu)尺寸及電樞結(jié)構(gòu)尺寸，得出彈簧工作時(shí)的最大壓縮量x，則：

代入式（1）校核，應(yīng)滿足要求。

3　設(shè)計(jì)結(jié)果驗(yàn)證

按照上述工作原理及參數(shù)，設(shè)計(jì)加工了電磁閥樣機(jī)，經(jīng)過驗(yàn)證電磁閥的性能指標(biāo)達(dá)到情況見表1。

表1　技術(shù)指標(biāo)達(dá)到情況

4　結(jié)束語

本文介紹了一種兩位三通常開式電磁閥的組成及主要部件的設(shè)計(jì)參數(shù)確定方法，并通過驗(yàn)證及實(shí)際應(yīng)用，取得了良好的實(shí)用效果。該電磁閥具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、響應(yīng)快、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已應(yīng)用于某航空裝置氣動(dòng)系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

[1]婁路亮,王海洲.電磁閥設(shè)計(jì)中電磁力的工程計(jì)算方法[J].導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù),2007(1).

[2]李?yuàn)^勇.高壓氣體電磁閥設(shè)計(jì)[J].液壓與氣動(dòng),2011(1).

[3]張正原,胡娓.電磁閥設(shè)計(jì)中電磁力自動(dòng)計(jì)算方法[J].現(xiàn)代機(jī)械,2001(3).

[4]金代中.電工速查速算手冊(cè)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

王方方（1986—），女，大學(xué)本科，助理工程師，主要從事高壓氣動(dòng)控制器件制造技術(shù)方面的工作。

作者簡(jiǎn)介：