氣動(dòng)先導(dǎo)電磁閥在集便系統(tǒng)中應(yīng)用與故障研究

崔婧美，何光明，趙翀，姚金鈺

（中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130062）

電磁閥是氣壓控制中最主要的元件，先導(dǎo)式是指電磁閥的主閥由氣壓力進(jìn)行切換的一種動(dòng)作方式。氣動(dòng)先導(dǎo)式電磁閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、外形尺寸小，由于其具有功耗小發(fā)熱少、線圈不易燒毀、響應(yīng)時(shí)間短、可以長(zhǎng)時(shí)間通電及氣動(dòng)元件可靠性高等特點(diǎn)（表1），在動(dòng)車組集便系統(tǒng)的罐式水增壓裝置中被大量使用。

表1 電磁閥特點(diǎn)

電磁閥在動(dòng)車組集便系統(tǒng)中是一種應(yīng)用十分普遍的執(zhí)行元件，集便系統(tǒng)水增壓供水裝置中應(yīng)用在進(jìn)水處的氣動(dòng)先導(dǎo)電磁閥作為便器沖洗程序的執(zhí)行者，是便器沖洗回路中至關(guān)重要部件，進(jìn)水電磁閥故障后將導(dǎo)致凈水箱內(nèi)的水通過(guò)水增壓器源源不斷地輸入車內(nèi)，造車淹車故障，因此選擇可靠性高、安全性好的氣動(dòng)先導(dǎo)電磁閥至關(guān)重要。

1 結(jié)構(gòu)和工作原理

集便系統(tǒng)水增壓裝置的進(jìn)水處的氣動(dòng)先導(dǎo)電磁閥主要由閥體、閥蓋、閥芯、活塞、彈簧、線圈、插頭等組成，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，其原理是通過(guò)電氣控制方式實(shí)現(xiàn)閥的自動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉，常態(tài)時(shí)彈簧壓縮閥芯，使閥芯膜片與閥體貼合，阻斷水流；當(dāng)需要開(kāi)啟時(shí)，為線圈提供電源，線圈產(chǎn)生磁力打開(kāi)氣孔，壓縮氣體通過(guò)線圈底座進(jìn)入閥蓋，推動(dòng)活塞，活塞壓縮彈簧，將閥芯提升從而可以通過(guò)水流。

圖1 氣動(dòng)先導(dǎo)電磁閥結(jié)構(gòu)圖

電磁閥內(nèi)部的密封結(jié)構(gòu)可有效實(shí)現(xiàn)氣體和通過(guò)介質(zhì)的隔離，介質(zhì)不會(huì)進(jìn)入閥蓋內(nèi)，工作時(shí)通過(guò)密封件也不會(huì)對(duì)通過(guò)介質(zhì)造成影響。影響電磁閥開(kāi)啟和關(guān)閉密封的主要因素是進(jìn)入閥蓋的氣體壓力和彈簧力，氣體壓力和彈簧力大小相等方向相反，消除了工作介質(zhì)對(duì)電磁閥開(kāi)、關(guān)的影響，只要復(fù)位彈簧能給閥芯膜片提供必須的密封壓力，同時(shí)氣體壓力保證能克服彈簧力，電磁閥即能實(shí)現(xiàn)可靠的啟閉功能（圖2）。

圖2 氣動(dòng)先導(dǎo)電磁閥原理圖

2 選型

集便系統(tǒng)水增壓裝置進(jìn)水口和出水口處分別安裝進(jìn)、出水電磁閥，兩處閥體與活塞部分結(jié)構(gòu)一致，都是由壓縮氣體驅(qū)動(dòng)活塞進(jìn)行開(kāi)關(guān)的閥門，進(jìn)水電磁閥是在閥體上集成了先導(dǎo)電磁閥塊，通過(guò)先導(dǎo)電磁閥塊的通斷電來(lái)控制閥門的開(kāi)關(guān)，出水口處閥則是由集成在水增壓裝置板上的電磁閥塊控制閥門的開(kāi)關(guān)。

選用電磁閥時(shí)，遵循安全、可靠、適用、經(jīng)濟(jì)的原則。集便系統(tǒng)沖洗使用的介質(zhì)為水，宜選用銅合金為閥體材料的電磁閥，電磁閥公稱壓力應(yīng)超過(guò)管內(nèi)最高工作壓力；對(duì)于電磁閥需長(zhǎng)時(shí)間關(guān)閉且持續(xù)時(shí)間多于開(kāi)啟時(shí)間，宜選用常閉電磁閥；根據(jù)管道參數(shù)選擇電磁閥的通徑規(guī)格(即DN)和接口方式，電壓規(guī)格應(yīng)盡量?jī)?yōu)先選用DC24V 較為方便。

電磁閥選擇后，根據(jù)通過(guò)電磁閥的流體性質(zhì)選用適宜的流量特性曲線可計(jì)算流量或壓差，進(jìn)水電磁閥處的先導(dǎo)壓力值則通常根據(jù)使用壓力進(jìn)行設(shè)置。

3 應(yīng)用

集便系統(tǒng)引入計(jì)算機(jī)并充分發(fā)揮了計(jì)算機(jī)的智能作用，系統(tǒng)通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)能浖壿嫵绦蜻M(jìn)行控制確保其各項(xiàng)功能正常執(zhí)行，當(dāng)某個(gè)部件出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，如果在程序中未能識(shí)別其破壞性，各程序段沒(méi)有自鎖和互鎖功能，系統(tǒng)動(dòng)作容易出現(xiàn)強(qiáng)制執(zhí)行的情況，以保持式集便系統(tǒng)為例，按壓便器沖洗按鈕，便器先進(jìn)行一次沖水，當(dāng)系統(tǒng)真空在設(shè)定范圍內(nèi)時(shí)，便器滑閥打開(kāi)進(jìn)行排污，便器進(jìn)行二次沖水，之后氣動(dòng)先導(dǎo)電磁閥開(kāi)啟對(duì)水增壓罐進(jìn)行補(bǔ)水等待便器下一次使用，動(dòng)作原理如圖3 所示。

圖3 動(dòng)作原理圖

工況一：當(dāng)便器水增壓罐內(nèi)液位傳感器檢測(cè)到水增壓罐內(nèi)水不滿時(shí)，氣動(dòng)先導(dǎo)電磁閥打開(kāi)，清水通過(guò)氣動(dòng)先導(dǎo)電磁閥通口進(jìn)入便器水增壓罐內(nèi)，此時(shí)，水增壓罐內(nèi)原有的氣體通過(guò)快速排氣閥排出。當(dāng)水增壓罐內(nèi)的液位傳感器檢測(cè)到水增壓罐滿后，氣動(dòng)先導(dǎo)電磁閥關(guān)閉，便器停止進(jìn)水。

工況二：當(dāng)便器進(jìn)行沖洗時(shí)，電磁閥組打開(kāi)，風(fēng)壓通過(guò)電磁閥組及快速排氣閥進(jìn)入水增壓罐內(nèi)，將水增壓罐內(nèi)的水通過(guò)噴嘴壓送到便盆內(nèi)，然后電磁閥組關(guān)閉，快速排氣閥內(nèi)的膜片返回到原位，水增壓罐內(nèi)的殘余壓縮空氣通過(guò)快速排氣閥排出。

工況三：當(dāng)氣動(dòng)先導(dǎo)電磁閥被雜質(zhì)卡住不能完全關(guān)閉時(shí)，即使氣動(dòng)先導(dǎo)電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)，清水仍可以通過(guò)卡住的電磁閥進(jìn)入水增壓罐內(nèi)，然后通過(guò)便盆噴嘴或者快速排氣閥排出，導(dǎo)致漏水。

4 故障研究分析

電磁閥最常見(jiàn)的故障為：接線頭松動(dòng)導(dǎo)致電磁閥不得電、電磁閥線圈燒毀、密封件有雜質(zhì)帶入或潤(rùn)滑油太少卡住導(dǎo)致電磁閥泄漏或動(dòng)作不良。

集便系統(tǒng)在應(yīng)用氣動(dòng)先導(dǎo)電磁閥的過(guò)程中，正常情況下，電磁閥得電打開(kāi)向水增壓罐供水，當(dāng)水罐注滿水后，電磁閥斷電，關(guān)閉進(jìn)水口；當(dāng)進(jìn)水電磁閥故障無(wú)法關(guān)閉時(shí)，水箱持續(xù)向水增壓罐供水，溢出的水通過(guò)溢流管流出。電磁閥泄漏引起的長(zhǎng)流水故障為氣動(dòng)先導(dǎo)電磁閥在集便系統(tǒng)使用過(guò)程中出現(xiàn)比例最高的故障，若發(fā)現(xiàn)處置不及時(shí)，則會(huì)引發(fā)影響行車的嚴(yán)重故障。

對(duì)故障進(jìn)水電磁閥拆解后發(fā)現(xiàn)，造成該部件故障的原因是受地域水質(zhì)影響，在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，隔板組件過(guò)水側(cè)水垢嚴(yán)重，由于異物附著，閥芯往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)流體慢慢進(jìn)入閥蓋一側(cè)，活塞運(yùn)動(dòng)潤(rùn)滑油脂被沖洗，加速了軸密封O 型圈磨耗，導(dǎo)致閥蓋氣腔內(nèi)部、活塞組件整體水垢、銹蝕，最終導(dǎo)致電磁閥閥芯卡滯，無(wú)法正常關(guān)閉，致使系統(tǒng)水管路無(wú)法正常切斷，出現(xiàn)滴水、漏水等情況。

5 故障應(yīng)對(duì)措施

針對(duì)進(jìn)水電磁閥卡滯導(dǎo)致的長(zhǎng)流水故障，可通過(guò)水增壓器的快速排氣閥進(jìn)行引流，將進(jìn)水電磁閥的水導(dǎo)到至車外，也可通過(guò)集便系統(tǒng)軟件優(yōu)化，在沖洗循環(huán)中的二次沖洗后進(jìn)水電磁閥再進(jìn)行補(bǔ)水，有效提升進(jìn)水電磁閥的使用壽命；未進(jìn)行沖洗動(dòng)作時(shí)，水增壓罐液位不激活信號(hào)觸發(fā)，進(jìn)水電磁閥不打開(kāi)補(bǔ)水，水避免長(zhǎng)流水導(dǎo)致淹車問(wèn)題，優(yōu)化后水增壓器控制邏輯如圖4 所示。

圖4 控制流程圖

結(jié)合集便系統(tǒng)的實(shí)際使用情況，氣動(dòng)先導(dǎo)電磁閥在使用過(guò)程中出現(xiàn)故障的主要原因?yàn)樗泻须s質(zhì)引起，因此通過(guò)采取在電磁閥安裝前保持管道清潔干凈、定期清洗或更換管道過(guò)濾網(wǎng)等措施，能有效降低電磁閥的使用故障發(fā)生率。

優(yōu)化閥芯膜片以及O 型密封圈材質(zhì)，選用耐腐蝕性更好的聚四氟乙烯（PTFE）或合成橡膠中性能更優(yōu)的氟橡膠（FPM），也能有效提高電磁閥的密封性能。

高級(jí)修時(shí)，對(duì)進(jìn)水電磁閥和氣控閥可進(jìn)行氣密性檢驗(yàn)測(cè)試，當(dāng)氣源供應(yīng)后，在電磁閥密閉空間和壓力檢測(cè)設(shè)備內(nèi)形成一個(gè)穩(wěn)定氣壓空間，然后根據(jù)壓力檢測(cè)設(shè)備中流量計(jì)和壓力表的數(shù)值顯示，可以確定氣動(dòng)先導(dǎo)電磁閥是否出現(xiàn)故障，氣體檢測(cè)回路如圖5 所示。對(duì)故障電磁閥，根本的解決方法是將電磁閥拆下，取出活塞及膜片進(jìn)行清洗，使得活塞在殼體內(nèi)動(dòng)作靈活。

圖5 檢測(cè)回路圖

6 結(jié)語(yǔ)

氣動(dòng)先導(dǎo)電磁閥作為集便系統(tǒng)中重要的控制元件，其可靠性直接影響整個(gè)集便系統(tǒng)的可靠性。氣動(dòng)先導(dǎo)電磁閥在集便系統(tǒng)使用過(guò)程中出現(xiàn)故障的主要原因?yàn)樗泻须s質(zhì)引起，因此通過(guò)采取向外引流、軟件優(yōu)化、密封材料選擇等措施，能有效降低氣動(dòng)先導(dǎo)電磁閥的使用故障發(fā)生率。