先导式双向电磁阀的初始建压过程分析与计算(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)航天发射技术及特种车事业部 作者:罗强

1、先导式双向电磁阀的建压过程

         当双向电磁阀不工作时, 常闭主阀瓣与常开主阀瓣以及先导阀瓣均处于自由位置。电磁阀进口初始通气瞬间, 气体进入电磁阀后除作用于常开主阀瓣和先导阀瓣外, 还有一路作用于常闭主阀瓣上,使常闭主阀瓣开启。但是由于气控压力很快会到达常闭控制腔内将常闭主阀瓣压紧, 故正常情况下常闭主阀瓣开启时间很短, 开度很小, 常闭腔内气体压力很低, 可以忽略其影响。但是, 如果由于某些原因使气体没有及时到达常闭控制腔, 那么常闭主阀瓣的开启时间加长, 开度增大, 常闭腔内会建立一定压力, 有可能对下游设备产生影响, 因此需要对初始建压过程进行详细分析。双向电磁阀建压过程除需要进行作用力分析外, 还涉及到气动力学中的相关知识。

2、先导式双向电磁阀的建压压力和时间

(1) 正常情况

         正常情况下, 常闭主阀瓣在通气瞬间略微开启后, 会在一个极短的时间内在常闭控制腔气体的作用下被压紧密封。电磁阀密封副采用刀口线接触密封(图2),刀口顶部是半径r=0.3~0.4mm的半圆面, 与减压阀瓣的下平面线接触。当接触线的宽度很小, 且施加载荷后的接触应力较大时, 接触线附近将变形为接触面。与这种金属阀座相对应, 配置以硫化橡胶作为衬垫的主阀瓣。

先导式双向电磁阀的密封副结构 

图2  密封副结构

          由于电磁阀初始建压时, 接触变形是在弹性范围内, 故应力与应变关系符合线性虎克定律。假设接触表面很光滑, 无微观不平度, 接触体间的压力垂直于接触面, 那么阀瓣接触面上的压力以椭圆形分布, 刀锋直径d 处最大。于是, 接触面上的最小挤压密封力是

最小挤压密封力

式中 Fj ———阀瓣的最小挤压密封力, N

         d ——阀座的刀锋直径, mm

         b ——接触线宽度, mm

         r ——刀锋的曲率半径( r = 0.3 ~ 0.4) ,mm

         μ——衬垫材料的泊松系数

         Ec ——衬垫材料的弹性模数, MPa

         m ——衬垫材料的垫片系数

         P ——工作压力(绝压) , MPa

         考虑到接触面的贴平力和摩擦力等因素, 在最小挤压密封力Fj 的基础上根据试验结果得出关闭力Fgm的经验公式

           该关闭力等于常闭主阀瓣上下作用力之差。由于控制腔通道很短, 故可设常闭控制腔内压力与常闭腔出口压力相同, 均为P , 因此有

         将A k 和A q 代入式( 3 ) 后可得P =0.136MPa (绝压) , 即表压为0.036MPa , 从理论上计算该压力很小, 如果考虑到主阀瓣开启还要克服摩擦力和开启时间等因素, 正常情况下常闭腔内压力会更小, 且建压时间极短, 可以忽略。

(2) 异常情况

          当由于某些原因控制腔内没有及时建压, 则常闭控制腔压力(设为P1 ) 将小于常闭腔出口压力(设为P2) , 即P1Ak - P2Aq < Fgm 。由于常闭主阀瓣作用力小于密封力, 常闭主阀瓣不能立即关闭密封, 那么常闭腔出口压力便会大于01036MPa , 造成异常建压, 在极限情况下( P1 = 0MPa) , 常闭腔主阀瓣开启后, 出口通大气, 可近似视为等温流动状态, 设出口气体流动达到音速, 根据气体动力学, 则有

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