微型高可靠性超高压电磁阀技术解析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)海军驻沈阳地区舰船配套军事代表室 作者:路海晋

  电磁阀是一种广泛应用于自动控制系统中的执行器,具有体积小、质量轻、动作灵活可靠、响应速度快和自动化程度高等特点,广泛适用于系统中流体的自动通断控制和切换控制。目前国内对上述电磁阀产品的需求量很大,大都集中在冶金、化工、航空、航天、电站及某些特殊的高端控制系统中。随着现代科学技术的发展和自动化控制水平的提高,不仅对电磁阀体积、密封可靠性及响应时间等方面提出了更高的要求,而且对电磁阀的工作压力方面要求越来越高。缩小体积一般是为了实现控制系统的模块化,提高密封可靠性是为了保证系统运行过程中更安全,缩小响应时间可以实现整个系统的快速反应和精确控制,从而体现整个控制系统的高端科技水平。

技术分析

<  对于普通的高压电磁阀而言,工作压力的提高即是要求电磁阀铁吸力要提高,电磁铁的体积就要随之加大。但这种微型高可靠性超高压电磁阀( 图1) 却要求缩小体积,因此研制出一种高吸力、低功率的微型电磁铁是完成整个产品研制的一个关键技术。

微型高可靠性超高压电磁阀

图1 微型高可靠性超高压电磁阀

  (1) 电磁阀应采用先导式结构,可以大大缩小电磁铁的体积,通过流体力学分析与计算,确定先导阀口的直径,再结合最大工作压力及必须比压,计算出所需的最大电磁吸力。

  (2) 电磁铁的导磁材料应选用高导磁率的软磁合金不锈钢,通过相关的磁路分析与计算,得出外壳、上盖及导磁板等零件导磁所需的最小厚度或最小直径。

  ( 3) 尽量加大衔铁的横截面积以实现大吸力的目的。

  (4) 应反复调整线圈直径与高度的比例,使线圈能产生合理的磁路,减少漏磁,以实现小功率目的。

  (5) 通过反复验证性试验,验证其拉力的符合性。

先导阀密封

  普通的高压电磁阀先导阀密封副,由于受结构和选材等方面的限制,无法实现在超高压条件下可靠动作和密封,必须研制出一种新型的先导阀密封副结构,以适应超高压条件的需求。双作用式先导阀密封副改变了传统的先导阀密封副结构,由活门座、减荷活门、密封垫及弹簧等零件组成。减荷活门分为上、下密封面,为满足超高压的要求,上密封面可采用锥形的刚性密封面,下密封可采用高强度尼龙合金滚压而成,并通过活门座与减荷活门之间合理的间隙进行导向,完全可以实现在超高压条件下可靠动作并保证密封。经验证,该结构形式可保证在动作5 000 次后密封面不受损。

主阀密封

  阀门的最大工作压力可达40MPa,而实际工作中要求阀门在高压或低压状态下都应保证密封,因此设计出一种超高压至低压全压差段无泄漏的主阀密封副是解决这一问题的关键。阀门的工作介质为压缩空气,对密封性的要求很高,采用纯刚性的密封形式是无法实现的。经过广泛的调研以及大量的验证试验,该阀的密封材料可选用一种高密度的尼龙合金。此材料既坚硬又具有一定的弹性,还具有良好的耐磨性、耐蚀性和耐冲击性,可以满足阀门的密封和使用要求。另外,还要解决活塞与阀体之间的间隙和密封问题,使活塞在运动过程中灵活,阻力小,保证活塞与阀体之间密封,避免产生活塞上腔与下腔串气的现象。实践证明,可以采用双密封结构,即在活塞上正反各安装1 个Y 形圈,实现双向密封,而活塞与阀体的间隙需在正确的理论计算和反复的试验基础上方可确定。目前,适用于超高压至低压全压差段的无泄漏的主阀密封结构已经研制成功。

快速响应技术

  目前,国内对此类电磁阀的响应时间要求一般为≤0. 1s。经对产品结构、导阀行程、气路设计和电磁拉力等因素的研制和分析,产品使用数据证明其响应时间最小可达0. 05s,完全可以满足≤0. 1s 的规定。

  (1) 产品结构由于先导式结构的导阀行程远小于主阀行程,而主阀是靠介质压力开启或关闭,因此在电磁阀的直动式、反冲式和先导式结构形式中先导式电磁阀的响应时间最短,即电磁阀的结构形式应设计为先导式。

  (2) 导阀行程在考虑先导阀阀口直径满足功能需求的情况下尽量减小,以缩小先导阀行程。先导阀行程缩小,响应时间自然缩短。

  (3) 气路设计对先导阀与主阀气路连接的设计中,应保证气孔直径裕量,尽量避免直角过渡。动铁芯与管组件之间、活塞与阀体之间的间隙设定合理,必要时应考虑设置导气槽,以保证气路畅通,缩小响应时间。

  ( 4) 电磁拉力在满足电磁阀动作需要的前提下,电磁铁的拉力应适当加大,留有至少10% 的裕量,也是缩小响应时间的一个途径。

结语

  随着国内冶金、化工、航空、航天、电站及某些特殊的高端产业的发展,微型高可靠性超高压电磁阀的各项关键技术已经解决,产品已经在相关领域得到了广泛的应用。

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