一種新型Bang-Bang電磁閥的研制

王立君，柳 珊, 唐妹芳

(1.上海空間推進(jìn)研究所，上海201112； 2.上?？臻g發(fā)動(dòng)機(jī)工程技術(shù)研究中心，上海201112)

0 引言

隨著衛(wèi)星壽命以及推力精度等要求的提高，與傳統(tǒng)的冷氣推進(jìn)、化學(xué)推進(jìn)相比，電推進(jìn)的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯。由于電推進(jìn)比沖高，完成相同衛(wèi)星平臺(tái)推進(jìn)系統(tǒng)工作需要的推進(jìn)劑重量比化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)大大減少，有利于滿足新一代大型衛(wèi)星有效載荷尺寸大、質(zhì)量大、壽命長(zhǎng)、速度增量需求大的要求。

Bang-Bang調(diào)壓方式與傳統(tǒng)的減壓閥調(diào)壓方式相比具有調(diào)壓精度高、輸出壓力穩(wěn)定、輸出壓力可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電推進(jìn)系統(tǒng)的壓力調(diào)節(jié)單元。Bang-Bang壓力調(diào)節(jié)單元主要由Bang-Bang電磁閥、緩沖氣瓶及低壓傳感器等組成，主要工作方式為：工作時(shí)通過(guò)低壓傳感器監(jiān)測(cè)緩沖氣瓶的壓力；當(dāng)壓力低于給定的壓力下限時(shí)開(kāi)啟Bang-Bang電磁閥，當(dāng)壓力超過(guò)給定的壓力上限時(shí)關(guān)閉Bang-Bang電磁閥，從而保持緩沖氣瓶的壓力穩(wěn)定在要求的范圍內(nèi)[1-3]。

由于電推進(jìn)系統(tǒng)的使用壽命長(zhǎng)(要求閥門(mén)壽命100萬(wàn)次以上)，工作介質(zhì)主要為氙氣且流量小，因此系統(tǒng)對(duì)Bang-Bang電磁閥的要求比一般電磁閥高。傳統(tǒng)電磁閥由于通徑小，密封面尺寸小，導(dǎo)致零組件加工困難，密封面加工不均勻、密封副的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)極易造成壓痕錯(cuò)位，加上氣體介質(zhì)不容易帶走多余物，磨損產(chǎn)生的大量多余物堆積在密封面，造成產(chǎn)品漏率不穩(wěn)定，易超差，一般壽命次數(shù)小于10萬(wàn)次，很難滿足Bang-Bang電磁閥長(zhǎng)壽命和氣體工作介質(zhì)的要求。

本文主要介紹了一種新型Bang-Bang電磁閥的研制情況，該電磁閥采用“彈簧+單簧片”結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的閥門(mén)順利通過(guò)了100萬(wàn)次、介質(zhì)為氙氣的壽命試驗(yàn)，滿足Bang-Bang壓力調(diào)節(jié)單元對(duì)電磁閥的要求。

1 方案選擇

1.1 性能要求

Bang-Bang電磁閥為常閉電磁閥，通電打開(kāi)，斷電關(guān)閉，其主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 Bang-Bang電磁閥的主要性能參數(shù)表

1.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

為了滿足閥門(mén)輕質(zhì)、長(zhǎng)壽命的要求，設(shè)計(jì)了“彈簧+單簧片”結(jié)構(gòu)的Bang-Bang電磁閥，設(shè)計(jì)方案如圖1所示。主要特點(diǎn)：采用“彈簧+單簧片”結(jié)構(gòu)。彈簧加工性能穩(wěn)定，用來(lái)提供一定的密封比壓，同時(shí)增加結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；簧片用于固定閥芯組件，阻止閥芯組件在殼體內(nèi)腔的轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)減少磨損產(chǎn)生的多余物。

1-彈簧；2-線圈；3-簧片；4-閥芯組件；5-閥座圖1 電磁閥的工作原理圖Fig.1 Working principle of Bang-Bang solenoid valve

在電磁閥未通電時(shí)，靠工作介質(zhì)的壓力、彈簧力和簧片力將閥芯組件壓緊在閥座上，在電磁閥內(nèi)腔流道上形成密封副，工作介質(zhì)被截?cái)?。?dāng)給線圈通以開(kāi)啟電壓時(shí)，由軟磁合金材料構(gòu)成的磁回路被磁化，對(duì)閥芯組件產(chǎn)生軸向吸力，吸引閥芯部件向右運(yùn)動(dòng)，直至電磁吸力克服彈簧力、簧片力和工作介質(zhì)壓力，使電磁閥完全開(kāi)啟，實(shí)現(xiàn)工作介質(zhì)的供給[4-6]。

1.3 關(guān)鍵技術(shù)

Bang-Bang電磁閥關(guān)鍵技術(shù)主要有兩個(gè)：

1)低剛度長(zhǎng)壽命簧片設(shè)計(jì)。與普通電磁閥相比，Bang-Bang電磁閥引入了簧片用來(lái)夾持銜鐵，要求簧片剛度小、壽命大于100萬(wàn)次。已成熟應(yīng)用的簧片由于剛度大，不適用于本電磁閥，因此需要重新設(shè)計(jì)簧片[7]。目前，簧片的設(shè)計(jì)沒(méi)有可依據(jù)的公式，需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)初步設(shè)計(jì)簧片的形狀和參數(shù)，并通過(guò)ANSYS軟件計(jì)算得到的應(yīng)力和剛度結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，確定簧片的形狀以及參數(shù)，并通過(guò)后續(xù)的試驗(yàn)進(jìn)行考核，以最終確定簧片的技術(shù)狀態(tài)。

2)低磨損結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，滿足100萬(wàn)次壽命要求。普通閥門(mén)由于密封副的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)和磨損嚴(yán)重不能滿足壽命要求，雙簧片電磁閥完全無(wú)摩擦，但尺寸及重量方面不能滿足系統(tǒng)要求，因此新型Bang-Bang電磁閥采用“彈簧+單簧片”的方案，但如何選取合適的配合間隙、行程等參數(shù)，以最大限度地減小摩擦仍是一個(gè)很大的難點(diǎn)。

2 關(guān)鍵參數(shù)的確定

2.1 簧片

需要根據(jù)閥門(mén)的包絡(luò)尺寸、閥門(mén)吸力及響應(yīng)時(shí)間等設(shè)計(jì)簧片形狀以及性能參數(shù)。簧片厚度0.2 mm，簧片外形以及通過(guò)ANSYS軟件計(jì)算得到的應(yīng)力分布情況如圖2所示[8]，應(yīng)力和剛度計(jì)算結(jié)果如表2所示。

圖2 簧片結(jié)構(gòu)以及應(yīng)力分布圖Fig.2 S-spring structure and its stress distribution

位移/mm 簧片力/N應(yīng)力/MPa平均剛度/(N·m-1)0.10.161001.620.30.493141.62

2.2 密封結(jié)構(gòu)

閥門(mén)密封副設(shè)計(jì)為軟密封，非金屬采用F46，為防止百萬(wàn)次工作后閥門(mén)行程過(guò)大，設(shè)計(jì)上選用了較低的密封比壓以及閥座圓弧刃口?？紤]到零件的加工性能，閥門(mén)通徑為0.5 mm，彈簧力為1.17 N，密封比壓為5.70～6.72 MPa，滿足F46的需用密封比壓，也可滿足閥門(mén)的密封要求。在刃口設(shè)計(jì)上，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，相比平面刃口，圓弧刃口具有更好的密封效果以及長(zhǎng)壽命的行程穩(wěn)定性，因此，電磁閥刃口采用圓弧刃口。

2.3 響應(yīng)時(shí)間

由于Bang-Bang電磁閥的主要作用是保持緩沖氣瓶的壓力穩(wěn)定，因此對(duì)啟動(dòng)時(shí)間和關(guān)閉時(shí)間的要求比較低。根據(jù)工作電壓的要求以及選取的彈簧力和簧片力，通過(guò)軟件仿真進(jìn)行修正[9-10]，確定閥門(mén)的電磁場(chǎng)。計(jì)算得到閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)間為5.8 ms，關(guān)閉時(shí)間為8.4 ms[11]，滿足使用要求，且有一定的工作裕度。閥門(mén)響應(yīng)特性仿真曲線如圖3所示。

圖3 閥門(mén)響應(yīng)特性仿真曲線Fig.3 Response characteristic curve of valve

2.4 配合間隙

閥門(mén)的配合間隙是影響磨損的關(guān)鍵性因素，Bang-Bang電磁閥只有一片簧片，主要起夾持作用，防止因閥芯組件的轉(zhuǎn)動(dòng)造成壓痕錯(cuò)位導(dǎo)致產(chǎn)品漏率超差，不能阻止閥芯組件與內(nèi)孔的摩擦，因此依然是有摩擦的閥門(mén)。閥門(mén)通電后，由于簧片剛度較小，不能克服圓周方向上分布不均勻的電磁吸力，因此，閥芯組件會(huì)向側(cè)向吸力較大的方向偏移。如果產(chǎn)品行程大，配合間隙小，閥芯組件先與內(nèi)孔側(cè)面吸合，再被軸向電磁吸力拖拽至閥芯組件與內(nèi)孔底部接觸。配合間隙大、行程小時(shí)，閥芯組件直接與內(nèi)孔底部吸合，吸合時(shí)速度更快、接觸面積更小，磨損更嚴(yán)重。因此，Bang-Bang電磁閥選用較小配合間隙，約0.12～0.14 mm。后期的試驗(yàn)也證明，此配合間隙產(chǎn)生的磨損多余物最少。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 簧片力

對(duì)簧片進(jìn)行了簧片力測(cè)試，分別測(cè)試位移為0.2 mm，0.4 mm和0.6 mm下的簧片力，得到簧片剛度數(shù)據(jù)，如表3所示?；善瑒偠葘?shí)測(cè)值1.45～1.62 N/mm，與仿真計(jì)算結(jié)果相符合。

3.2 常規(guī)性能試驗(yàn)

對(duì)Bang-Bang電磁閥的常規(guī)性能數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，主要包括響應(yīng)時(shí)間、動(dòng)作裕度、漏率及單件質(zhì)量等，實(shí)測(cè)性能數(shù)據(jù)如表4所示，滿足使用要求。

表3 簧片性能參數(shù)

表4 Bang-Bang電磁閥的實(shí)測(cè)性能

3.3 環(huán)境試驗(yàn)

Bang-Bang電磁閥順利通過(guò)了振動(dòng)、沖擊、加速度、熱真空和熱循環(huán)等環(huán)境試驗(yàn)考核。其中，正弦振動(dòng)試驗(yàn)量級(jí)：9.375 mm(7～20 Hz)，15 g(20～100 Hz)，隨機(jī)振動(dòng)量級(jí)：0.2(20～1 000 Hz)，-6 dB/oct(1 000～2 000 Hz)，最大沖擊量級(jí)1 600 g，加速度20 g，熱循環(huán)-10～+75 ℃(10.5次)，熱真空10～75 ℃(6.5次)，試驗(yàn)前后閥門(mén)性能參數(shù)穩(wěn)定，漏率合格，如表5所示。

表5 環(huán)境試驗(yàn)后性能參數(shù)

3.4 壽命試驗(yàn)

閥門(mén)負(fù)載0.5 MPa氮?dú)狻?5 V DC，以每秒工作次數(shù)不超過(guò)4次連續(xù)工作100萬(wàn)次，試驗(yàn)過(guò)程中復(fù)測(cè)產(chǎn)品在0.2 MPa和0.5 MPa下的內(nèi)漏率。試驗(yàn)后復(fù)測(cè)產(chǎn)品響應(yīng)時(shí)間。3臺(tái)Bang-Bang電磁閥均通過(guò)了100萬(wàn)次壽命試驗(yàn)考核。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表6和表7所示。試驗(yàn)前后3臺(tái)產(chǎn)品的漏率穩(wěn)定，均在1E-7量級(jí)，證明了配合間隙及簧片參數(shù)選取合理，壽命試驗(yàn)前后的響應(yīng)時(shí)間基本無(wú)變化，證明了密封結(jié)構(gòu)以及響應(yīng)時(shí)間選取合理。

表6 壽命試驗(yàn)漏率數(shù)據(jù)

表7 壽命試驗(yàn)前后響應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)

對(duì)試驗(yàn)后的產(chǎn)品進(jìn)行分解，檢查零組件的磨損及多余物等情況，分解結(jié)果如圖4所示。圖9中分別為F46密封面、閥芯組件外圓以及線圈內(nèi)腔的照片。從分解結(jié)果來(lái)看，100萬(wàn)次壽命試驗(yàn)后，閥門(mén)磨損產(chǎn)生的多余物較少，僅閥芯壓痕中有一點(diǎn)狀多余物，證明單簧片結(jié)構(gòu)、0.12～0.14 mm的配合間隙的Bang-Bang電磁閥產(chǎn)品可滿足100萬(wàn)次氣體介質(zhì)的工作要求。

圖4 試驗(yàn)后閥門(mén)分解情況Fig.4 Disassembled valve after life test

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)“彈簧+單簧片”的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和合理的參數(shù)選取，新型Bang-Bang電磁閥順利通過(guò)了力學(xué)及熱學(xué)環(huán)境試驗(yàn)的考核以及100萬(wàn)次的壽命試驗(yàn)驗(yàn)證，閥門(mén)各項(xiàng)性能參數(shù)均滿足Bang-Bang壓力調(diào)節(jié)單元對(duì)電磁閥的要求。