一種氣動電磁閥的設計

(西華大學汽車與交通學院， 四川成都610039)

0 引言

電磁閥是流體自動化控制系統(tǒng)中的基礎原件，屬于控制器件，在液壓、氣壓系統(tǒng)中起著十分重要的作用[1]。但傳統(tǒng)的電磁閥產(chǎn)品有體積較大、質量較重、能耗較高等問題。在電磁閥設計中,根據(jù)電磁力與磁動勢之間的關系[2]確定閥芯工作壓力與結構尺寸，再通過數(shù)學方法分析各參數(shù)對整體的影響程度，從而確定一個合理的設計尺寸范圍使設計產(chǎn)品具有一個更高效的輸出性能，以滿足產(chǎn)品的輕量化和節(jié)能環(huán)保的要求。

1 參數(shù)分析方法

根據(jù)設計經(jīng)驗可知，電磁閥閥芯驅動器部分的結構尺寸包括：動鐵芯直徑D0、繞組直徑D1、繞組線徑d、繞組寬度L，這些參數(shù)會直接顯著影響設計的體積、結構、功耗、精度、壽命等。首先尋找工作壓力、輸入功率與結構參數(shù)和電性能參數(shù)之間的關系[3]。

1.1 通電螺線管內磁極之間的電磁吸力

電磁閥閥芯驅動部分的結構類似于用漆包線纏繞的螺線管結構[4]，而驅動閥芯的磁場力由螺線管中鐵芯所產(chǎn)生。工程上常用的力學計算式[5]為：

(1)

式中，N為繞組匝數(shù)；I為電流強度,A;δ為氣隙長度，m;μ0為真空磁導率,4π·10-7·Wb·(A·m)-1；S為磁路截面積,m2;k為磁漏系數(shù)(根據(jù)經(jīng)驗一般取1.2～5.0)。

1.2 體積結構參數(shù)的關系

1.閥芯驅動器總成 2.閥體 3.緊固件D0.動鐵芯直徑 D1.繞組直徑 D2.閥口直徑P1.進氣通道P2.出氣通道R.閥腔 d.繞組線徑 L.繞組寬度 δ.氣隙長度圖1 電磁閥的結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of electromagnetic valve structure

圖1為某一氣動電磁閥總成的剖面視圖且設計方案已取得專利，電磁閥總成由閥芯驅動器[6]、閥體和緊固件組成。P1為流入R腔的進氣通道，當閥口打開時空氣通過D2上端的堵頭經(jīng)P2出氣通道流出電磁閥[7]。

此設計結構中堵頭采取端面密封，只有在閥芯驅動力克服閥腔內壓強差后閥口通路才可打開[8]。因此該款電磁閥的實際工作壓力由閥芯驅動力即電磁力決定。

電磁力和結構參數(shù)之間的關系[9-10]:

(2)

式中，F(xiàn)c為計算載荷；λ為載荷系數(shù)(取值根據(jù)工況環(huán)境的載荷大小選取，一般大于1.3)；U為輸入電壓，V;d為漆包線直徑，m；ρ為電阻率，Ω·m；η為繞組長度損耗系數(shù)(根據(jù)繞線工藝一般取0.6～1)。

電磁閥承受的工作壓強:

(3)

1.3 參數(shù)影響度計算

通過對數(shù)學模型中各參數(shù)的偏微分運算確定對輸出性能影響最大的因素，從而依次確定具體設計參數(shù)[11-12]。

(4)

(5)

(6)

(7)

工作壓強與輸入功率以及結構參數(shù)的關系：

(8)

1.4 輸入功率對設計體積的影響

(9)

通過式(9)，在滿足壓強的條件下要首先定線徑d，盡量選擇較小線徑來保證較小的功耗。在一定程度上η的提升也有助于功率的減小，所以繞線工藝對整機性能的影響也不可忽略[13]。

D0的確定要根據(jù)閥口處的尺寸結構來輔助選定[14]，一般情況下D0要大于閥口直徑如圖1所示才能保證工作的穩(wěn)定性和滿足該設計的裝配工藝。

L的選定，通過功率計算式(9)發(fā)現(xiàn)L的增大對輸入功率起降低的作用，但對工作壓強沒有影響，所以此參數(shù)的確定與設計極限有關，在未超過設計極限尺寸和總質量不過多增加的前提下，可適當增加L的長度以保證較低的能耗。

1.5 結構參數(shù)分析

通過式(3)可知，對工作壓強有影響的結構因素有繞組線徑d、動鐵芯直徑DO、繞組直徑D1。由式(9)知，對輸入功率有影響的結構因素有繞組線徑d、動鐵芯直徑DO、繞組直徑D1和繞組寬度L。為確定各參數(shù)對輸出性能的影響程度，據(jù)設計經(jīng)驗知結構參數(shù)之間無顯著交互作用。因此，建立無交互作用的四因數(shù)三水平二指標的正交試驗。表1中,A代表因素d、B代表因素D1、C代表因素D0、D代表因素L。

表1 試驗組合 Tab.1 Test combination

表2中，試驗指標為工作壓強和輸入功率。表3中，kij為表2因素中第j列上水平號為i的各次試驗結果之和，Rj為第j列所對應因數(shù)的極差。

表2 正交表L9(34)Tab.2 Orthogonal test table L9(34)

表3 極差表Tab.3 Range table

圖2 閥芯驅動器設計空間示意圖Fig.2 Schematic diagram ofvalve core driver design space

通過試驗可知，對工作壓強造成影響的因素按主次順序為ACBD, 對輸入功率造成影響的因素按主次順序為ABCD。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)可知，繞組d在結構參數(shù)中對設計性能影響最大。D1在工作壓強計算環(huán)節(jié)對結果的影響程度雖然不及D0,但D0在設計過程中可由其他環(huán)節(jié)間接確定，D1在輸入功率計算環(huán)節(jié)為第二主要因素。綜上，參數(shù)d和D1為設計重點需討論其變化規(guī)律，而D0和L的取值只要能滿足工藝要求即可。通過正交試驗分析，繞組的線徑d對工作壓強和輸入功率的影響最大，其次是繞組直徑D1。設計原則要求在其他參數(shù)不變的條件下，盡可能降低輸入功率和盡可能提高工作壓強。

此款電磁閥技術要求是標稱工作壓強0.3 MPa，功耗在3 W以內，標稱電壓為12 V,閥芯驅動器設計空間不超過Φ30 mm×40 mm的圓柱體空間，如圖2虛線所示。

正交試驗表L9(34)中，A1B3C3D3為最接近設計技術要求的試驗組合，又因為d對結果影響最大所以首先固定A1，則d的取值為0.22 mm。

通過編程對數(shù)組進行比對，表4所示D1的取值范圍在19.5～22.5 mm均能滿足工作壓強和輸入功率。但為了產(chǎn)品的工作可靠性選取了21 mm作為繞組直徑的設計尺寸，此時的工作壓強較大、結構尺寸較小、功率略有提升但均在設計要求范圍內。

表4 壓強、功率隨直徑D1的變化Tab.4 Changes of pressure and power with diameter D1

由圖3可知壓強、功率隨直徑D1的變化趨勢，通過曲線直觀的判斷滿足設計技術要求的參數(shù)取值范圍。

圖3 壓強、功率隨直徑D1的變化曲線Fig.3 Variation curves of pressure and power with diameter D1

圖4直觀反映了線徑d變化對工作壓強和輸入功率的影響趨勢及參數(shù)的取值范圍，表5的數(shù)據(jù)組對比表明,線徑小于0.215 mm時無法滿足壓強要求，大于0.23 mm時無法滿足功率要求。繞組線徑為0.22 mm時,工作壓強為0.334 MPa,功率為2.48 W均滿足此設計結構下的技術要求。而線徑為0.225 mm和0.23 mm時都滿足工作壓強和輸入功率的要求，但超出設計要求較多且能耗較高，不符合節(jié)能環(huán)保的原則，所以不作為優(yōu)先選擇。線徑為0.215 mm雖然也滿足設計要求但工作壓強接近設計的臨界條件可靠性較低，所以也不作優(yōu)先選擇。

表5 壓強、功率隨線徑d的變化Tab.5 Changes of pressure and power with Enameled wire diameter d

圖4 壓強、功率隨線徑d的變化曲線
Fig.4 Variation curves of pressure and power with Enameled wire diameterd

具體參數(shù)分析方法階段主要找到了重要參數(shù)的類別和如何先后確定各個參數(shù)之間的關系。在結構設計過程中還要考慮零件的加工工藝，設計零件的之間的裝配工藝，還有整機的安裝和檢修的難易程度。此設計階段中有一定的經(jīng)驗設計參與。

2 結構效驗

圖5(a)和圖5(b)所表示的分別是閥芯驅動器和電磁閥的總成示意圖，閥芯驅動器與閥體之間通過緊固件連接，配合面有相應的密封措施。

(a) 閥芯驅動器總成

(b) 電磁閥總成

表6 有限元仿真的機械性能參數(shù)Tab.6 Mechanical performance parameters of finite element simulation

設計在滿足電性能條件和力學條件后進行零件的強度效驗[15]，以檢驗設計結構的有效性和尋找危險截面以便在設計過程中對設計尺寸進行修正。將關鍵零件動鐵芯和安裝座的三維模型導入workbench中建立模型的靜力學仿真[16]，材料機械性能參數(shù)如表6所示。

根據(jù)其工作原理，在workbench環(huán)境下施加約束和載荷。圖6中零件的承載面為動鐵芯的小端面，且該零件在0.3 MPa環(huán)境下進行靜力學仿真如圖6所示。

(a) 動鐵芯應變云圖

圖6 動鐵芯模型的有限元計算結果
Fig.6 Finite element calculation results of moving iron core model

圖6(a)所示為零件的應變云圖，最大應變區(qū)域為零件端部。最大應變量為0.000 100 19 mm，材料應變極小對其正常工作不產(chǎn)生影響。圖6(b)所示為根據(jù)摩爾強度理論[17]得出的Mises應力云圖，圖中形狀尺寸發(fā)生變化的危險區(qū)域最大應力為1.401 3 MPa。材料屈服極限為98 MPa，強度裕量充足。通過上圖分析，該零件的強度剛度均滿足極限條件且有較大裕量，設計零件滿足技術要求[18]。

安裝座是與閥體配裝的關鍵零件，承載情況較為復雜。兩端對稱孔為安裝孔，分別沿Z軸方向施加60 N的均布載荷于孔的端面圓周部位。裝配完成后零件中部的結構表面將暴露在氣壓為0.3 MPa的閥腔內如圖1所示，零件正常工作時將同時承受這兩種載荷的作用[19-20]。

圖7(b)和圖7(d)是安裝座的應變云圖，圖7(a)和圖7(c)是應力云圖。

(a) 安裝座正面的應力云圖

(b) 安裝座正面的應變云圖

(c) 安裝座背面的應力云圖

(d) 安裝座背的應變云圖

圖7 安裝座模型的有限元計算結果
Fig.7 Finite element calculation results of mounting block model

安裝座應變云圖的最大應變?yōu)?.000 351 89 mm，加載后的應變極小不會對裝置正常工作造成影響。Mises應力云圖可知零件最大應力處在零件中部突起的結構處且最大應力為32.076 MPa已經(jīng)達到了屈服強度的1/3，但零件的強度要求均在安全范圍之內，滿足設計要求。

圖8(a)為根據(jù)設計方案試制的測試電磁閥。由于設計方案的閥體不便于對閥芯驅動器總成進行測試，另設計檢測工裝與閥芯驅動器相裝配，且保證與原設計方案的內腔結構一致。實物圖如圖8(a)、圖8(b)所示為閥芯驅動器總成。

(a) 試制測試電磁閥總成

(b) 試制閥芯驅動器總成

試制樣機的測試數(shù)據(jù)見表7。

表7 測試電磁閥的實測性能Tab.7 Measurement of electromagnetic valve performance

如表7所示，測試電磁的極限工作壓強0.340 MPa理論計算壓強為0.334 MPa。試制樣機性能與理論設計基本吻合，而輸入功率為2.48 W小于電性能要求3 W的標準,所以試制的電磁閥的關鍵性能均滿足設計要求。

3 結論

在設計產(chǎn)品過程中通過結構分析來獲得最優(yōu)參數(shù)，從而確定了產(chǎn)品的最優(yōu)尺寸和最佳性能，相比先前相似類型的電磁閥在體積、零件總數(shù)、裝配工藝、輸出性能等方面都得到了顯著的提升。優(yōu)化設計后的產(chǎn)品克服了普通電磁空氣流量控制器能耗較大，效率較低，壽命較短，控制精度低，體積質量較大，噪聲震動較大等不利因數(shù)對整體性能的影響。