電磁閥泄漏故障分析及改進(jìn)

高 曼，王志永，李小明

(西安航天動(dòng)力研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

某電磁閥用于控制發(fā)動(dòng)機(jī)介質(zhì)供應(yīng)，工作過程要求其可靠動(dòng)作及密封，為發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵組件之一。該閥閥座采用金屬-金屬密封結(jié)構(gòu)，在發(fā)動(dòng)機(jī)安裝及工作過程中受力復(fù)雜，易產(chǎn)生密封副變形、閥芯偏斜，進(jìn)而影響產(chǎn)品工作及密封可靠性。

在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中曾出現(xiàn)電磁閥閥座密封泄漏異常情況。針對(duì)此次故障，共梳理出電磁閥裝配應(yīng)力過大帶來的結(jié)構(gòu)變形、試車過程中閥芯組件密封塊偏斜兩種故障模式。本文對(duì)這兩種故障模式開展相應(yīng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及動(dòng)態(tài)過程仿真計(jì)算及分析，試圖找出電磁閥密封性異常的主要原因。

1 故障現(xiàn)象及分析

某次試車過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火正常，但試車監(jiān)控錄像發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)后電磁閥尾部出現(xiàn)明火；試車后檢查發(fā)現(xiàn)，與電磁閥尾部相連管路中存留的推進(jìn)劑較多，遠(yuǎn)多于以往試車，說明試車過程中電磁閥尾部泄漏量異常增大。

電磁閥主要由入口殼體、閥芯、閥座、彈簧、線圈等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，閥芯包含密封塊。斷電狀態(tài)下，閥芯與閥座密封；通電后，閥芯與入口殼體密封，切斷入口介質(zhì)通路。

1-入口殼體；2-骨架；3-彈簧；4-線圈；5-閥芯；6-閥座 圖1 電磁閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structure sketch of solenoid valve

對(duì)于電磁閥閥座密封性不穩(wěn)定的異?，F(xiàn)象，經(jīng)分解檢查已排除多余物因素，初步分析是試車過程閥芯密封塊發(fā)生偏斜所致。梳理電磁閥整個(gè)裝配使用過程，密封塊偏斜存在以下兩種模式：發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過程帶來電磁閥結(jié)構(gòu)變形；試車時(shí)電磁閥斷電打開運(yùn)動(dòng)過程浮動(dòng)式密封塊發(fā)生偏斜卡滯。針對(duì)這兩種模式開展相應(yīng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及動(dòng)態(tài)過程仿真計(jì)算及分析，試圖找出電磁閥閥座密封性不穩(wěn)定的主要原因。

2 仿真計(jì)算及分析

2.1 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算及分析

2.1.1 計(jì)算模型及分析

基于ANSYS軟件對(duì)電磁閥進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算?？紤]到閥座與閥芯對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大，對(duì)相關(guān)密封副接觸面進(jìn)行了局部細(xì)化，其他部位網(wǎng)格采用自適應(yīng)的四面體自動(dòng)劃分。根據(jù)實(shí)際情況，固定產(chǎn)品與卡箍貼合面，在各接口施加擰緊力矩，具體邊界約束見圖2所示。

圖2 電磁閥邊界約束Fig .2 Boundary constraints of solenoid valve

電磁閥在發(fā)動(dòng)機(jī)擰緊力矩作用下，閥座變形計(jì)算結(jié)果見圖3。通過計(jì)算可知，閥座密封面所受最大應(yīng)力137.5 MPa，最大變形量0.03 mm，且沿圓周方向變形不均勻。由于電磁閥裝配發(fā)動(dòng)機(jī)后，閥座存在不均勻變形，造成閥芯密封性變差；試車過程中由于振動(dòng)環(huán)境作用，電磁閥所受各項(xiàng)應(yīng)力重新分布。

圖3 電磁閥閥座應(yīng)變?cè)茍DFig.3 Strain nephogram of solenoid valve seat

2.1.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為確定發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過程對(duì)電磁閥密封性的具體影響，開展了相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證。

電磁閥安裝到發(fā)動(dòng)機(jī)的具體過程：先將殼體用卡箍固定在旁邊一個(gè)大組件上，入口與管路連接，出口導(dǎo)管通過較長(zhǎng)管路固定在推力室上。發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火導(dǎo)管安裝時(shí)入口與該大組件相連，擰緊力矩較大，產(chǎn)生的應(yīng)力變形會(huì)傳至電磁閥，所以電磁閥受力較復(fù)雜。對(duì)比點(diǎn)火導(dǎo)管安裝前后的泄漏量數(shù)據(jù)，見表1。結(jié)果表明，點(diǎn)火導(dǎo)管安裝后電磁閥閥座泄漏量明顯增大；以產(chǎn)品1為例，安裝點(diǎn)火導(dǎo)管后泄漏量相對(duì)裝配前泄漏量增大了7.5倍。安裝卡箍前后的試驗(yàn)結(jié)果見表2。產(chǎn)品3與產(chǎn)品4在安裝卡箍后的泄漏量分別增大33.3%與4.7%，說明安裝卡箍對(duì)電磁閥閥座泄漏量影響程度遠(yuǎn)小于安裝點(diǎn)火導(dǎo)管。

表1 點(diǎn)火導(dǎo)管安裝前后電磁閥泄漏量數(shù)據(jù)Tab.1 Leakage data of solenoid valve beforeand after installation of ignition conduit

表2 卡箍安裝前后電磁閥泄漏量數(shù)據(jù)Tab.2 Leakage data of solenoid valve beforeand after installation of clamp

2.1.3 小結(jié)

通過仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證可知，發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過程產(chǎn)生的應(yīng)力使電磁閥閥座密封面產(chǎn)生不均勻變形，導(dǎo)致密封性變差，其中安裝點(diǎn)火導(dǎo)管產(chǎn)生的裝配應(yīng)力是造成電磁閥閥座泄漏量增大的主要因素之一。

2.2 動(dòng)態(tài)過程仿真及分析

2.2.1動(dòng)態(tài)過程計(jì)算及分析

試車過程中電磁閥斷電打開，閥芯在介質(zhì)壓力及彈簧力作用下迅速將閥座關(guān)閉，關(guān)閉過程中閥芯的密封塊與閥座碰撞，并在彈簧力和介質(zhì)力作用下與閥座貼合保持密封。如果密封塊碰撞后未正常復(fù)位就會(huì)導(dǎo)致泄漏增大，為確定閥芯組件運(yùn)動(dòng)過程中密封塊的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，基于AMESim軟件建立了電磁閥的動(dòng)態(tài)仿真模型，如圖4所示。參數(shù)設(shè)置為0.02 s電磁閥斷電打開，入口介質(zhì)壓力19 MPa，仿真計(jì)算時(shí)間為0.1 s。

圖4 電磁閥動(dòng)態(tài)仿真模型Fig.4 Dynamic simulation model of solenoid valve

動(dòng)態(tài)計(jì)算結(jié)果見圖5?？梢钥闯?，0.02 s后閥芯運(yùn)動(dòng)速度逐漸增大，運(yùn)動(dòng)到限位時(shí)速度為4.97 m/s。

圖5 閥芯速度曲線Fig.5 Speed curve of valve core

按式(1)計(jì)算出密封塊碰撞閥座瞬間所受沖擊力為8.9 N，大于密封塊上彈簧安裝負(fù)荷，密封塊會(huì)發(fā)生反彈；反彈后密封塊借助彈簧力復(fù)位，過程中可能由于側(cè)向不平衡力作用出現(xiàn)偏斜卡滯，造成密封性變差。

F=mv/t

(1)

式中：F為密封塊碰撞閥座所受沖擊力，N；v為閥芯速度，m·s-2；m為密封塊質(zhì)量，0.001 8 kg；t為密封塊碰撞所用時(shí)間，0.001 s。

2.2.2 流場(chǎng)計(jì)算及分析

由于密封塊反彈復(fù)位動(dòng)態(tài)過程受力計(jì)算較復(fù)雜，本文僅通過穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)計(jì)算密封塊偏斜后受力情況來分析故障模式的主要因素。三維模型及網(wǎng)格見圖6，網(wǎng)格劃分采用自適應(yīng)的四面體網(wǎng)格，密封塊進(jìn)行局部加密。邊界條件：入口流量邊界，出口壓力邊界。

圖6 偏斜狀態(tài)下的閥芯三維模型及網(wǎng)格劃分Fig.6 Three-dimensional model and mesh generation of deflective valve core

根據(jù)不同入口流量下內(nèi)腔壓力分布，選取密封塊各方向在垂直方向上有投影面積的表面，進(jìn)行壓力積分計(jì)算密封塊受力情況，具體見表3。分析可知，密封塊偏斜時(shí)主要受向下軸向力Fx，側(cè)向合力Fyz較小，方向水平面向右(如圖6)，不利于密封塊偏斜后復(fù)位，且隨著出口泄漏流量增大而增大。

表3 密封塊受力計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation results of force on sealing block

2.2.3 小結(jié)

發(fā)動(dòng)機(jī)試車時(shí)電磁閥斷電打開，閥芯的密封塊碰撞閥座反彈復(fù)位過程中可能出現(xiàn)偏斜，而側(cè)向流體力不利于密封塊復(fù)位，導(dǎo)致閥座密封性變差。

3 改進(jìn)措施

通過電磁閥結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、動(dòng)態(tài)特性、流場(chǎng)仿真計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)證可知：裝配應(yīng)力、電磁閥斷電打開時(shí)撞擊及側(cè)向不平衡力可能導(dǎo)致的密封塊偏斜均有可能造成閥座泄漏。為了保證產(chǎn)品工作及密封可靠，提出以下改進(jìn)措施：

1)調(diào)整安裝順序。發(fā)動(dòng)機(jī)裝配時(shí)，應(yīng)先安裝點(diǎn)火導(dǎo)管等大管路再裝電磁閥；更換點(diǎn)火導(dǎo)管時(shí)先將電磁閥連接管路松開，盡量減少電磁閥的安裝應(yīng)力，降低對(duì)電磁閥密封性的影響；安裝點(diǎn)火導(dǎo)管后，增加電磁閥閥座密封性檢查，確保在發(fā)動(dòng)機(jī)最終狀態(tài)下電磁閥閥座密封性能合格。

2)增大彈簧安裝負(fù)荷。計(jì)算密封塊碰撞閥座產(chǎn)生的沖擊力大于彈簧安裝負(fù)荷，密封塊反彈在復(fù)位過程中若出現(xiàn)偏斜卡滯且介質(zhì)流動(dòng)無法使其自動(dòng)復(fù)位，將會(huì)影響密封性。為此增大彈簧安裝負(fù)荷，避免密封塊反彈出現(xiàn)偏斜，提高密封穩(wěn)定性。

采取以上措施后，后續(xù)多次熱試車過程中發(fā)動(dòng)機(jī)均工作正常。

4 結(jié)論

針對(duì)電磁閥閥座密封性不穩(wěn)定現(xiàn)象梳理出兩種故障模式。通過電磁閥結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及動(dòng)態(tài)過程仿真計(jì)算、分析，并結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，找出了閥座泄漏量增大的主要原因，提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，得到以下結(jié)論：

1)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配應(yīng)力可使電磁閥閥座密封面發(fā)生不均勻變形，并造成電磁閥閥座泄漏量增大。建議優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)裝配流程，先安裝點(diǎn)火導(dǎo)管再裝電磁閥，減小裝配過程對(duì)電磁閥密封性的影響。

2)增大彈簧安裝負(fù)荷，使密封塊碰撞閥座后避免反彈出現(xiàn)偏斜，提高密封穩(wěn)定性。