一種大流量液路隔斷閥的研究

賈 玥，董 雪

（北京航天動(dòng)力研究，北京，100076）

0 引 言

隨著對(duì)空間飛行器可靠性的要求越來(lái)越高，做好系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)非常重要。本文提出的一種大流量液路隔斷閥就是動(dòng)力系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組件，安裝在動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)電磁閥與推進(jìn)劑貯箱之間，其主要功能有：a）發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，液路隔斷閥處于打開(kāi)狀態(tài)（通電打開(kāi)并靠磁性自鎖[1]），滿(mǎn)足系統(tǒng)大流量工作時(shí)的流阻要求；b）發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作時(shí)，液路隔斷閥處于關(guān)閉狀態(tài)（通電關(guān)閉并靠磁性自鎖），在工作壓力范圍內(nèi)可靠密封，保證了發(fā)動(dòng)機(jī)電磁閥的密封可靠性；c）下游發(fā)動(dòng)機(jī)電磁閥出現(xiàn)故障導(dǎo)致推進(jìn)劑泄漏時(shí)，關(guān)閉液路隔斷閥，防止推進(jìn)劑泄漏，并開(kāi)啟備份路推進(jìn)系統(tǒng)。因此，該液路隔斷閥的性能好壞直接影響整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的工作可靠性。本文簡(jiǎn)述了液路隔斷閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、主要設(shè)計(jì)參數(shù)、仿真計(jì)算分析、該類(lèi)帶永久磁鐵的自鎖類(lèi)閥門(mén)在設(shè)計(jì)時(shí)的要點(diǎn)、計(jì)算漏磁系數(shù)[2]及對(duì)各個(gè)工作電壓下銜鐵的吸力性能[3]進(jìn)行的仿真計(jì)算，以確保所設(shè)計(jì)的閥門(mén)可靠工作。

1 液路隔斷閥的工作原理和主要設(shè)計(jì)要求

1.1 工作原理

液路隔斷閥的工作原理是利用永久磁鐵的吸力，使銜鐵保持在開(kāi)啟（或關(guān)閉）位置，通過(guò)給線(xiàn)圈接通脈沖電流，改變閥門(mén)的狀態(tài)。線(xiàn)圈在瞬間通電后，再給線(xiàn)圈斷電，液路隔斷閥保持通電后的狀態(tài)，從而達(dá)到閥門(mén)開(kāi)關(guān)工況的要求。液路隔斷閥主要由位顯開(kāi)關(guān)、電磁鐵、插座、鎖緊螺母和閥體等組成。鎖緊螺母將電磁鐵和閥體連接成一體。

1.2 設(shè)計(jì)要求

液路隔斷閥主要性能參數(shù)要求：工作溫度-40～60 ℃，工作壓力0～2.8 MPa，額定流量下的流阻不大于0.15 MPa，額定水流量301 g/s，驅(qū)動(dòng)電壓21～29.5 V，閥門(mén)開(kāi)關(guān)響應(yīng)時(shí)間小于100 ms，閥門(mén)絕緣電阻不小于20 MΩ，內(nèi)漏率不大于 1×10-5（Pa·m3）/s（2.8 MPa，He 檢），外泄漏不大于 1×10-7（Pa·m3）/s（2.8 MPa，He檢），循環(huán)工作壽命不少于2000次。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和磁路分析計(jì)算

2.1 設(shè)計(jì)的液路隔斷閥結(jié)構(gòu)

所設(shè)計(jì)的液路隔斷閥是帶位顯的非直流式自鎖閥，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，三維外形如圖2所示。

圖1 液路隔斷閥結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of the Liquid

圖2 液路隔斷閥三維外形示意Fig.2 Three Dimension Shape of the Liquid Obstruct Valve

采用磁性自鎖（徑向永久磁鐵力[4]、彈簧力及液體壓力共同作用使液路隔斷閥斷電后保持在開(kāi)位或關(guān)位)，隔斷閥打開(kāi)和關(guān)閉共用一個(gè)線(xiàn)圈，正向通電閥門(mén)打開(kāi)，反向通電閥門(mén)關(guān)閉。由于流量大且閥門(mén)流阻要求小，因此必須控制流速，所設(shè)計(jì)閥門(mén)流通直徑大的在閥門(mén)進(jìn)口無(wú)須加裝過(guò)濾器。

由于殼體、擋鐵、銜鐵等導(dǎo)磁零件均采用高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度軟磁合金并經(jīng)表面處理，永磁零件（磁鋼）采用燒結(jié)釹鐵硼[5]輻向極化，線(xiàn)圈分兩個(gè)窗口同一方向串聯(lián)繞制，因此通過(guò)改變電流方向?qū)崿F(xiàn)閥門(mén)打開(kāi)和關(guān)閉的動(dòng)作。

由于工作壽命在5000次以下的無(wú)需上下游支撐的撓性片，因此采用一般電磁閥的導(dǎo)向套，銜鐵兩端部位的導(dǎo)向套采用隔磁環(huán)與導(dǎo)磁體電子束焊接，以提高吸力。

閥芯采用如圖1所示的結(jié)構(gòu)，即通過(guò)磁鋼吸力和液壓力形成閥口密封，閥芯行程通過(guò)銜鐵可以隨意調(diào)節(jié)。

為了提高液路隔斷閥的可靠性，在頂部設(shè)有位置顯示，用來(lái)監(jiān)視液路隔斷閥處于打開(kāi)或關(guān)閉位置。

2.2 液路隔斷閥磁路分析

液路隔斷閥的磁路由兩部分組成，一部分是永久磁鐵產(chǎn)生的并聯(lián)氣隙極化磁路，另一部分是控制線(xiàn)圈產(chǎn)生的串聯(lián)氣隙的控制磁路。這類(lèi)磁路計(jì)算沒(méi)有現(xiàn)成公式可循，只能依據(jù)電磁基本原理，對(duì)其計(jì)算公式進(jìn)行推導(dǎo)而得出計(jì)算公式，并初步確定磁路的參數(shù)和部分結(jié)構(gòu)尺寸，在此基礎(chǔ)上，用電磁仿真軟件AnsoftMaxwell[6，7]進(jìn)行電磁場(chǎng)靜特性分析和吸力特性分析，通過(guò)分析結(jié)果判斷所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和性能是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，并且不斷完善修改，直到得到最優(yōu)結(jié)果。

對(duì)液路隔斷閥的電磁鐵進(jìn)行如下靜特性磁場(chǎng)仿真計(jì)算分析（由于磁路軸對(duì)稱(chēng)只分析磁路的1/4）：a）液路隔斷閥電磁鐵部分工作電壓VDC為27 V；b）將高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度軟磁合金的磁化曲線(xiàn)輸入AnsoftMaxwell仿真分析軟件；c）將銜鐵行程、線(xiàn)圈匝數(shù)、電磁鐵在關(guān)閉狀態(tài)（下氣隙和上氣隙）和打開(kāi)狀態(tài)（下氣隙和上氣隙）等參數(shù)輸入 AnsoftMaxwell仿真分析軟件，計(jì)算得到磁力線(xiàn)和磁通密度分布，如圖3、圖4所示。

續(xù)圖3

從圖3和圖4中可以看出，線(xiàn)圈磁壓降主要集中在工作氣隙處，整個(gè)電磁鐵的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布值在軟磁合金的最佳使用范圍內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。從液路隔斷閥的磁力線(xiàn)分布圖可以看出，整個(gè)電磁鐵部分在通電過(guò)程中有輕微漏磁現(xiàn)象，但是漏磁很小。從電磁學(xué)原理可知，任何系統(tǒng)設(shè)計(jì)都存在漏磁，不存在絕對(duì)的不漏磁體，漏磁主要是看漏磁的比例，并結(jié)合吸力仿真計(jì)算結(jié)果看該閥磁路設(shè)計(jì)是否合理。

2.3 液路隔斷閥電磁鐵部分漏磁系數(shù)計(jì)算

用電磁原理計(jì)算的液路隔斷閥電磁鐵結(jié)構(gòu)的漏磁系數(shù)[8]為

式中 Rδ為氣隙磁阻；δh為氣隙長(zhǎng)度；μ0為空氣的磁導(dǎo)率，μ0=0.4 π × 1 0-6H/m ；S為相對(duì)磁極面的面積，S =π?(R1')2=380.13mm2；H為磁導(dǎo)單位，亨利。

此計(jì)算中，最大的漏磁系數(shù)記為σ，由經(jīng)驗(yàn)公式得到，即：

所以得出最大漏磁系數(shù)：σ = 1 .44，然后計(jì)算液路隔斷閥的磁感應(yīng)強(qiáng)度 Bs= 1 8248.4，該值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于隔斷閥所選用的高飽和軟磁合金材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，故滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

2.4 液路隔斷閥打開(kāi)和關(guān)閉時(shí)銜鐵的吸力特性

液路隔斷閥處于關(guān)閉狀態(tài)，將銜鐵行程、安匝數(shù)、銜鐵與線(xiàn)圈組件下氣隙等輸入仿真分析軟件，對(duì)液路隔斷閥電磁鐵銜鐵運(yùn)動(dòng)過(guò)程的二維靜特性磁場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算。

為了得到液路隔斷閥銜鐵的吸力（電磁綜合吸力）隨工作電壓的變化曲線(xiàn)，需要對(duì)隔斷閥的銜鐵從關(guān)閉狀態(tài)到通電打開(kāi)運(yùn)動(dòng)到打開(kāi)狀態(tài)瞬間，然后反向通電使銜鐵從打開(kāi)位置運(yùn)動(dòng)到關(guān)閉狀態(tài)瞬間/的過(guò)程進(jìn)行吸力特性仿真計(jì)算，其中隔斷閥從關(guān)閉狀態(tài)打開(kāi)瞬間銜鐵吸力的特性如圖5所示（取方向向上為力的正向）。

圖5 液路隔斷閥在打開(kāi)瞬間的電磁吸力與安匝數(shù)的關(guān)系曲線(xiàn)Fig.5 Curve of Magnetic Suction and Ampere-turn when the Liquid Valve are Opened Instantly

從圖5可以看出：

a）隔斷閥的銜鐵受力（Y軸）不隨供給電壓的增大而增大（X軸為電磁鐵的安匝數(shù)，線(xiàn)圈匝數(shù)為420匝，因此只是電流變化），與螺管式電磁閥的吸力特性不同。螺管式電磁閥的銜鐵吸力在磁路不飽和時(shí)隨著電壓的增大而增大，因此設(shè)計(jì)點(diǎn)只考慮在最低工作電壓的銜鐵吸力能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求即可。而這種帶磁鋼電磁鐵的銜鐵吸力隨著電壓的增大會(huì)先增大到最大值然后變小，因此在設(shè)計(jì)時(shí)一定要選擇好設(shè)計(jì)點(diǎn)，保證閥門(mén)在最高溫度環(huán)境下的最低電壓和最高電壓內(nèi)電磁鐵銜鐵的綜合吸力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

b）銜鐵最初只受磁鋼吸力作用，方向向下（圖5所示為負(fù)值），約為115 N，滿(mǎn)足液路隔斷閥的磁鋼吸力設(shè)計(jì)為不小于100 N。

c）給隔斷閥電磁鐵供電后，銜鐵在電磁吸力的作用下克服磁鋼吸力向上運(yùn)動(dòng)，在安匝數(shù)為800 A時(shí)吸力達(dá)到最大150 N，此時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓值為21.9 V。

d）從設(shè)計(jì)要求給的工作電壓VDC為24～30 V、考慮工作環(huán)境最高溫度為65 ℃時(shí)，該結(jié)構(gòu)液路隔斷閥工作的安匝數(shù)區(qū)域在840～1080之間，從圖5可以看出磁鋼吸力為115 N（大于100 N），電磁鐵的綜合吸力為 130～150 N，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的電磁綜合吸力大于120 N。

液路隔斷閥在同樣的行程和氣隙下進(jìn)行了打開(kāi)狀態(tài)時(shí)的吸力特性仿真計(jì)算。計(jì)算所得的隔斷閥從打開(kāi)狀態(tài)到關(guān)閉瞬間銜鐵吸力的特性如圖6所示。

圖6 液路隔斷閥在關(guān)閉瞬間的電磁吸力與安匝數(shù)的關(guān)系曲線(xiàn)Fig.6 Curve of Magnetic Suction and Ampere-turn when the Liquid Valve are Closed Instantly

從圖6中可知，磁鋼吸力為115 N（大于100 N），電磁吸力工作的安匝數(shù)區(qū)域在 840～1080時(shí)的吸力值為130～150 N，因此，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的電磁綜合吸力不小于120 N。

2.5 液路隔斷閥測(cè)試結(jié)果

液路隔斷閥的性能測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 液路隔斷閥主要性能實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Tab.1 Main Performance Test Data of the Liquid Obstruct Valve

通過(guò)液路隔斷閥實(shí)測(cè)吸力數(shù)據(jù)與仿真計(jì)算結(jié)果比較，實(shí)測(cè)磁鋼吸力值和電磁吸力值均偏大，主要原因是在仿真計(jì)算時(shí)磁鋼的取值為矯頑力Hc=-836 000 A/m和剩磁Br=0.85 T，而實(shí)際磁鋼的矯頑力Hc=-880 000 A/m和剩磁Br=1.18 T，即實(shí)際磁鋼的充磁比初始仿真計(jì)算的磁鋼充磁高。后續(xù)將實(shí)際的磁鋼參數(shù)輸入仿真分析軟件進(jìn)行重新計(jì)算，得出的磁鋼吸力值和電磁吸力值基本與實(shí)測(cè)值一致（或通過(guò)磁鋼適當(dāng)祛磁而和仿真一致）。

此外，通過(guò)仿真分析計(jì)算與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相比較，驗(yàn)證了帶磁鋼的電磁鐵線(xiàn)圈仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性。因此，在進(jìn)行磁鋼設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)所需要的磁鋼參數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算合格后，直接對(duì)磁鋼生產(chǎn)單位提出要求，避免傳統(tǒng)的磁鋼反復(fù)調(diào)整充磁量的工作，也可避免設(shè)計(jì)余量過(guò)大導(dǎo)致整個(gè)閥的質(zhì)量過(guò)大。

3 結(jié) 論

通過(guò)液路隔斷閥的整個(gè)研制過(guò)程，得出如下結(jié)論：

a）帶磁鋼結(jié)構(gòu)的磁性自鎖類(lèi)閥門(mén)設(shè)計(jì)時(shí)要合理選取安匝數(shù)，使銜鐵在工作溫度范圍內(nèi)的吸力在工作電壓范圍內(nèi)的吸力達(dá)到最大，并保證閥門(mén)在整個(gè)電壓范圍內(nèi)銜鐵的吸力都能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；

b）合理設(shè)計(jì)銜鐵的氣隙和行程，使磁鋼吸力和電磁吸力都能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；

c）帶磁鋼結(jié)構(gòu)的磁性自鎖類(lèi)閥門(mén)可以按照電磁閥的漏磁系數(shù)計(jì)算公式初步進(jìn)行計(jì)算，然后再用磁場(chǎng)仿真分析軟件進(jìn)行仿真分析，確保漏磁系數(shù)盡量小或所有的磁力線(xiàn)都穿過(guò)工作氣隙；

d）通過(guò)AnsoftMaxwell軟件對(duì)帶磁性自鎖類(lèi)閥門(mén)的電磁鐵進(jìn)行磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁力線(xiàn)分布圖及電磁綜合吸力特性曲線(xiàn)分析，可以?xún)?yōu)化磁鋼設(shè)計(jì)，保證了設(shè)計(jì)的閥門(mén)可靠、質(zhì)量輕、性能好。