提高雙組元電磁閥合格率技術(shù)措施研究

賈靜雅， 杜峻松， 劉暢， 邊浩， 丁琳， 段智勇

（首都航天機(jī)械有限公司，北京100076）

0 引 言

雙組元電磁閥是發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵件，其主要功能是對(duì)下游產(chǎn)品提供可靠快速開啟關(guān)閉，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)小巧，零件多，裝配復(fù)雜，試驗(yàn)工況多，對(duì)密封性及各工況的響應(yīng)時(shí)間要求嚴(yán)，不同工況下響應(yīng)時(shí)間偏差不大于1 ms。由于受到總裝結(jié)構(gòu)限制，該雙組元電磁閥設(shè)計(jì)要求較高，產(chǎn)品適應(yīng)裕度小[1]，因此給裝配試驗(yàn)帶來了很大難度，按常規(guī)裝配方法產(chǎn)品合格率低，同批產(chǎn)品合格率僅為20%，平均一臺(tái)雙組元電磁閥基本需返修3～5次，導(dǎo)致產(chǎn)品的生產(chǎn)周期過長(zhǎng)。

1 工作原理

該雙組元電磁閥采用了小型化設(shè)計(jì)，由主閥腔和副閥腔組成。副閥腔主要由殼體、電磁鐵和副閥組成，主閥腔由殼體與活塞桿、兩個(gè)主閥芯組成。其中副閥腔的氣密由閥座和閥芯表面質(zhì)量、配合間隙、蝶形彈簧壓縮量和圓柱彈簧壓縮量綜合決定，裝配試驗(yàn)難度大；主閥腔通過活塞桿運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)支板，使兩個(gè)對(duì)稱的閥芯同步工作，實(shí)現(xiàn)兩路氣體的供氣動(dòng)作。該雙組元電磁閥生產(chǎn)難點(diǎn)主要包括副閥密封部分裝配、線圈組件的裝配、活塞腔零件的裝配及兩個(gè)主閥腔的裝配，涉及約40多個(gè)零件，電磁閥實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 雙組元電磁閥實(shí)物圖

2 問題定位

在該閥門裝配中存在以下3個(gè)主要問題：

1）副閥氣密性不合格。副閥主要是指與電磁鐵直接連接的閥門，副閥氣密性包括進(jìn)氣和排氣密封性。其主要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示，其中球形閥門由進(jìn)氣閥座、球形閥門頭和排氣閥座組成。

圖2 副閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

副閥氣密性包括進(jìn)氣閥座和排氣閥座密封性。在副閥裝配中，通過調(diào)整最上端彈簧力保證進(jìn)氣閥座處密封性，線圈吸力保證排氣閥座處密封性，但是由于線圈吸力設(shè)計(jì)值偏小，往往加大彈簧力保證進(jìn)氣處密封合格后，會(huì)導(dǎo)致排氣處漏氣。兩個(gè)變量相互干涉，加大產(chǎn)品裝配難度。如進(jìn)、排氣閥座中一個(gè)漏氣，需要將整個(gè)閥門分解，進(jìn)一步返修相關(guān)零件，使產(chǎn)品裝配周期成倍增加。

2）電磁鐵響應(yīng)時(shí)間不滿足設(shè)計(jì)要求。該雙組元電磁閥需在液流試驗(yàn)中測(cè)試其響應(yīng)性能，滿足在壓力分別為X1、X2和X3的3個(gè)工況下，開啟關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間均不大于設(shè)計(jì)要求值，任何一個(gè)工況不滿足即判定產(chǎn)品不合格。

該雙組元電磁閥的響應(yīng)時(shí)間分別與圓柱彈簧力、線圈氣隙產(chǎn)生的吸力及蝶形彈簧安裝高度有關(guān)，為實(shí)現(xiàn)響應(yīng)時(shí)間合格，又不影響副閥進(jìn)、排氣處氣密性，需在調(diào)試過程中把握力值的分布，控制各個(gè)調(diào)節(jié)零件的位置。

3）主閥裝配中O形圈易被切傷。主閥腔大O形圈保證產(chǎn)品主閥氣密合格，不產(chǎn)生外泄漏，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示。產(chǎn)品裝配后，約30%的產(chǎn)品從主閥螺塞螺紋處出現(xiàn)外泄漏，O形圈外圓被切傷，不僅造成了O形圈的浪費(fèi)，而且會(huì)產(chǎn)生大量的重復(fù)性工作。

圖3 主閥腔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖（部分）

裝配時(shí)需將大O形圈先裝在主活塞上，然后再裝入殼體的主閥腔。在進(jìn)行氣密試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)氣密不合格，將產(chǎn)品分解后，對(duì)各零件及殼體相關(guān)配合尺寸進(jìn)行測(cè)量，均滿足要求，無超差項(xiàng)。檢查殼體時(shí)發(fā)現(xiàn)，在對(duì)應(yīng)殼體上為了避免尖角劃傷，有相應(yīng)光滑過渡倒角，但是為減小整個(gè)電磁閥的總長(zhǎng)，過渡角的導(dǎo)向長(zhǎng)度僅為0.5 mm，角度約為20°，所以將O形圈被切的原因定位為殼體上O形圈裝配導(dǎo)向角的過渡段長(zhǎng)度太小，沒有很好地起到光滑過渡的作用。

3 解決方案

針對(duì)該雙組元電磁閥在裝配試驗(yàn)中頻繁出現(xiàn)的副閥進(jìn)、排氣處密封不合格，響應(yīng)時(shí)間不易滿足設(shè)計(jì)要求等主要問題，通過分析，除了針對(duì)精密零件在裝配前檢查外觀、密封面質(zhì)量，避免無效裝配外，在常規(guī)裝配中運(yùn)用了以下技巧，有效解決了問題。具體解決方案如圖4所示。

圖4 解決方案

1）預(yù)判進(jìn)氣閥座密封性。為了提高電磁閥進(jìn)、排氣密封性，通過分析產(chǎn)品副閥原理可知，閥芯密封性受到零件加工質(zhì)量、線圈吸力和密封彈簧力的共同影響。該雙組元電磁閥進(jìn)氣處密封力由圓柱彈簧力控制，線圈吸力用于克服彈簧力（包括圓柱彈簧和蝶形彈簧），但由于線圈吸力裕度較小，為了保證進(jìn)氣密封性，需提高圓柱彈簧力，但線圈吸力偏小，會(huì)影響運(yùn)動(dòng)件（銜鐵）的運(yùn)動(dòng)行程，使銜鐵行程小于副閥芯行程，即副閥芯不能有效貼合排氣閥座，排氣閥座處有縫隙或者密封力不夠，導(dǎo)致排氣閥座不滿足密封要求。

為解決副閥氣密性不合格的問題，除需保證密封面質(zhì)量以外，需解決如何保證副閥運(yùn)動(dòng)件運(yùn)動(dòng)到位的問題。

首先將副閥進(jìn)、排氣閥座、球體閥門頭3個(gè)零件完成裝配后，先進(jìn)行進(jìn)氣閥座氣密檢查。進(jìn)口通入壓縮空氣，通過指壓自制頂桿對(duì)密封件進(jìn)行來回多次工作。這樣多次工作后，可在進(jìn)、排氣非金屬零件密封面上產(chǎn)生較明顯的壓痕，可提前預(yù)判進(jìn)、排氣密封性能，通過這種措施，可對(duì)零件質(zhì)量進(jìn)行篩選，避免后續(xù)裝配試驗(yàn)中由于氣密性不合格導(dǎo)致產(chǎn)品反復(fù)拆裝試驗(yàn)，進(jìn)氣閥座氣密性預(yù)判合格的產(chǎn)品在完成最終裝配后，合格率可達(dá)到90%左右。

2）有效控制副閥運(yùn)動(dòng)件（包括副閥芯和銜鐵）的運(yùn)動(dòng)行程，確保排氣閥座處氣密性合格。為解決副閥運(yùn)動(dòng)件運(yùn)動(dòng)到位后排氣閥座易漏氣的問題，裝配中副閥芯的行程應(yīng)按設(shè)計(jì)要求的下限進(jìn)行初裝配，然后使副閥芯多次工作，消除其由于彈性模量帶來的變形，確保副閥芯在后續(xù)多次工作后行程不會(huì)超過設(shè)計(jì)要求值。在后續(xù)裝配線圈組件過程中，滿足設(shè)計(jì)要求值的同時(shí)，根據(jù)副閥芯的行程調(diào)整銜鐵行程，確保其值不小于副閥芯行程。在完成副閥裝配及進(jìn)、排氣閥座密封試驗(yàn)后，再次從上端測(cè)試銜鐵行程，確保所測(cè)值不小于副閥芯的行程，即可確保副閥芯完全運(yùn)動(dòng)到位。

在控制好球體閥門頭（即副閥芯）及銜鐵的行程后，排氣閥座的密封性由入口控制氣的壓力決定，不受上端彈簧力的影響。通氣閥座處篩查出氣密性不合格零件，且不受后續(xù)調(diào)整圓柱彈簧力的影響。通過上述裝配過程中的初試，雙組元電磁閥的進(jìn)氣閥座處密封合格率得到了顯著提升。

3）將中間工況定為響應(yīng)時(shí)間調(diào)試工況。雙組元電磁閥完成裝配后，進(jìn)行性能調(diào)試，該雙組元電磁閥具備調(diào)節(jié)功能，進(jìn)氣處密封力由圓柱彈簧力控制，為了提高電磁閥關(guān)閉能力，在銜鐵工作運(yùn)動(dòng)一段行程后，蝶形彈簧力開始加力，銜鐵運(yùn)動(dòng)過程中受力平衡情況直接影響開啟關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間。通過多次調(diào)試總結(jié)出，要滿足壓力分別為X1、X2和X3的3種工況均小于設(shè)計(jì)要求值，最佳調(diào)節(jié)方式是將中間工況X2作為調(diào)試點(diǎn)，且在該工況下響應(yīng)時(shí)間控制在某個(gè)范圍，才能在高、低工況下均滿足。調(diào)試中，蝶形彈簧的安裝高度是一個(gè)重要控制點(diǎn)，確保蝶形彈簧在銜鐵運(yùn)動(dòng)到位后，蝶形彈簧的變形量在總變形量的75%左右，蝶形彈簧高度由端蓋和副彈簧座確定，初調(diào)試時(shí)，使簧處于自由狀態(tài)，手動(dòng)將端蓋螺紋往下擰，直至感受到接觸到自由蝶形彈簧的頂部，根據(jù)端蓋螺紋的螺距和銜鐵預(yù)留空行程，算出反向擰動(dòng)角度，再將端蓋螺紋反向擰至預(yù)設(shè)角度，采用該項(xiàng)措施，確保了銜鐵受力的精準(zhǔn)一致性，保證響應(yīng)時(shí)間符合3種工況要求。

通過將中間工況定為調(diào)試工況，并結(jié)合零件相關(guān)尺寸，控制蝶形彈簧腔高度的措施，產(chǎn)品性能合格率達(dá)到了95%以上。

4）設(shè)計(jì)導(dǎo)向工裝解決O形圈被切問題。通過研究產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)殼體與大O形圈配合的上端有外螺紋，與配合腔的尺寸有約0.5 mm的間隙，可將該螺紋作為定位，在裝配中增加一個(gè)導(dǎo)向工裝，增加O形圈的導(dǎo)向長(zhǎng)度，安裝方法如圖5所示。

圖5 導(dǎo)向工裝安裝方法

增加工裝后，O形圈裝配導(dǎo)向長(zhǎng)度由原來的0.5 mm 增加至8 mm，采用定位導(dǎo)向工裝后，主閥O形圈裝配合格率達(dá)到了100%，從根本上解決了O形圈外圓被切的問題。4 結(jié)果及效益分析

發(fā)動(dòng)機(jī)所用雙組元電磁閥，是動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵零件，其性能的好壞直接關(guān)系到動(dòng)力系統(tǒng)的工作成敗。該雙組元電磁閥經(jīng)過了4個(gè)階段的研制，在生產(chǎn)實(shí)踐中，根據(jù)該雙組元電磁閥特有結(jié)構(gòu)總結(jié)的裝配方法，有效提高了產(chǎn)品的合格率，縮短了裝配試驗(yàn)周期。希望該雙組元電磁閥的裝配方法，能為其它類似產(chǎn)品的裝配試驗(yàn)提供參考。