虹吸排水系统或真空系统电磁阀的选用与分析

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:彭建人

  介绍了电磁阀在虹吸排水管路中建立系统真空或破坏真空的功能作用。分析了电磁阀的动作原理、结构性能及其应用特点。给出了虹吸排水系统或真空系统电磁阀的选用原则及控制方法。

1、概述

  虹吸排水系统或真空系统具有工况系统压差小的特点。在这种低压差工作环境下并不是所有种类的电磁阀都能够可靠密封或可靠动作。如果电磁阀选型错误,将直接导致系统不能完成或不能很好完成其预定的功能。由于电磁阀种类和结构的不同,所能适应的工况条件也不同。因此,应根据工况条件合理选择电磁阀的种类和结构,以保证阀门具有可靠的密封性和完成规定的动作。

2、工况分析

  在虹吸排水管路系统中( 图1) ,电磁阀具有建立系统真空或破坏真空的作用。当虹吸排水系统运行时,将容器上电磁阀关闭,启动真空泵和电磁阀,储液容器内液体在真空作用下沿管路系统流出。当液体从主排水管路流出时,此时关闭电磁阀和真空泵,虹吸现象出现,上游容器中的液体照样流淌不会终止。当虹吸排水系统需要停止运行时,开启容器上方电磁阀使管路系统与大气相通,虹吸现象消失,系统自动停止运行。电磁阀是一种依靠电磁力为动力源的自动阀门,它利用电磁线圈通电后产生的电磁力,驱动电磁阀屏蔽套内的导磁零部件作直线运动,带动阀门运动部件实现其开启、关闭或切换的功能。电磁阀具有体积小,质量轻,响应迅速,动作可靠,失效状态确定,功耗低,控制简便及易维护等特点。

  用于建立虹吸排水管路系统真空时的最大压力不会超过0.1MPa,即启动真空泵时其吸程的最大压力会小于0.1MPa。因此,电磁阀在小压差下应可靠关闭和密封,否则真空不能建立,虹吸现象不会出现。当需要终止虹吸排水系统运行时,则需要破坏管路真空,此时电磁阀必须在小于0.1MPa 的工况条件下能够开启,将大气排入管路中,管路系统的真空被破坏,虹吸排水系统停止运行。由此可以看到,电磁阀必须是在小压差状态下具有可靠密封和可靠动作的功能。

虹吸排水系统

图1 虹吸排水系统

  由于电磁阀种类和结构的不同,所能适应的工况条件是千差万别的,如果电磁阀选型错误,将直接导致系统不能完成或不能很好完成其预定的功能。在虹吸排水系统中,如果电磁阀类型选择失误,将直接导致虹吸排水系统无法实现虹吸现象。

3、阀门选用

  电磁阀按动作原理可分为直动式电磁阀先导式电磁阀反冲式电磁阀三大类,其中直动式电磁阀有单座直动式电磁阀和双座直动式电磁阀(以下称双向电磁阀) 两种。先导式电磁阀和反冲式电磁阀都有膜片式和活塞式结构。分析三种电磁阀的基本结构形式及其工作原理和应用特点,可以确定适合于虹吸排水系统或真空系统的电磁阀。

3.1、直动式电磁阀

  直动式电磁阀是指用线圈电磁力直接作用于导磁的动铁芯或阀芯组件上,带有密封橡胶的动铁芯或阀芯组件受磁场作用压缩复位弹簧与屏蔽套上的静铁芯闭合,由于密封块脱离阀座,实现了电磁阀开启,管路系统介质流动。当电磁阀断电,线圈电磁场消失,在复位弹簧的作用下,动铁芯与静铁芯分离,密封胶块封闭阀座,切断管路介质的流动。

  (1) 直动式单座电磁阀

  从直动式单座电磁阀的结构分析,管路内的介质对其关闭或开启影响是较大的。从图2 中可以看出,作用在阀座上的力有介质密封力、复位弹簧作用力以及动铁芯自重等,当然还有对开阀有稍微影响的摩擦力。由于摩擦力和自重力在小口径电磁阀上作用较小,一般都可以忽略不计。影响单座直动式电磁阀开启和关闭密封的主要因素是介质的压力和弹簧力。作用在阀座上的介质压力是阀座面积和介质压差的乘积(3) ,即压力差与阀座面积的积( ΔP ×S) 。当管路中工作介质压力很大时,作用在阀座上的介质密封力也是很大的。如DN20 的电磁阀,阀座直径一般为22mm,工作压力是1.6MPa,则作用在阀座上的介质压力为F = 2.22 × 16 × π/4 =6.079MPa。从计算的结果分析,很难有如此大的电磁铁能拉起动铁芯打开电磁阀。所以这种单座直动式电磁阀过去一般只用在低压差或真空的场所,口径一般在DN25 以内,电磁阀的电磁头部分才能有合适的比例和比较好的经济性。

直动式单座电磁阀

1. 静铁芯2. 外壳3. 复位弹簧4. 动铁芯组件5. 线圈组6. 非磁管7. 阀盖8. 阀体

图2 直动式单座电磁阀

直动式单座电磁阀工作原理

图3 直动式单座电磁阀工作原理

  直动式单座电磁阀在虹吸排水系统中过去是有应用的。由于电磁阀口径比较小,一般只能用于小型的虹吸排水系统中,否则,即使电磁阀开启,这样小口径的电磁阀也不足以破坏真空,使虹吸排水系统停止运行。或是由于电磁阀口径小,电磁阀开启很长时间,系统才能停止运行,影响虹吸排水系统的按时检修。

  直动式单座电磁阀在虹吸排水系统中的电磁力有限,电磁阀中的复位弹簧的刚度一般较小,标准大气压作用在阀座上的力也小,因此当受到外力撞击或有振动的条件出现时,阀门会出现开阀或阀座处出现泄漏的状态,使管路系统的真空度降低,严重时有可能出现管路系统真空被完全破坏的危险。

  另外,电磁阀在系统安装时,必须是进口端连接在真空泵的吸程上,如果反向安装,管路系统的真空是无法建立的,因为电磁阀动铁芯可在大气压下被自动吸起,阀座出现泄漏现象。

  (2) 直动式双向电磁阀

  ①工作压力高,一般工作压力为1. 6MPa 以上。原单座电磁阀为了保持其经济性,一般通径在DN25 以下,只能用于真空管路或压力在0.1MPa 的低压管路中,通径增加或压力增大这种电磁阀均不能可靠工作。而直动式双向电磁阀的阀体内部有特殊的介质流道,通过采用双阀座和双密封阀瓣结构,消除了介质压差对电磁阀启闭的影响,因此这种电磁阀最高工作压力可达4.0MPa 左右。

  ②可以实现双通双向截止功能。直动式双向电磁阀内部采用双座双密封的特殊结构,不用考虑工作介质对电磁阀开关的影响,同时电磁阀本身利用一个大刚度的弹簧为电磁阀提高必须的密封比压,只要电磁阀的电磁力可以克服弹簧力和阀内部件自重,则电磁阀能可靠工作并能实现双通双向密封截止功能。

  ③阀门端和出口端适合于无压差和高真空的工况条件。这种电磁阀特殊的结构设计,阀门端口都能将工作介质压力相互抵消,同时大刚度的复位弹簧,又能为双密封阀瓣提高等同的密封力。这种电磁阀是打制双向箭头,阀门端口都可以作为进口。双向电磁阀能满足高真空的工况条件要求。

  ④电磁阀口径较大,是单座电磁阀无法实现的。现这种电磁阀已经可以达到DN300 以上。

  ⑤同样功率的电磁线圈,双向电磁阀较单座电磁阀效率更高。双向电磁阀因采用双阀座结构,因此电磁阀的工作行程可缩短为单座电磁阀行程的一半,由于电磁铁的拉力与工作行程关系极大( 直流型电磁铁尤为明显) ,因此双向电磁阀的工作效率较单座电磁阀的工作效率高几倍。

  ⑥双向电磁阀的工作原理简单。当电磁阀线圈通电时,产生电磁力,吸起动铁芯克服弹簧力带动阀杆组件向上运动开启阀门,工作介质由一端流向另一端。当电磁线圈断电时,电磁力消失,动铁芯在弹簧力及自重的作用下推动阀杆组件向下运动关闭阀门。直动式双向电磁阀( 图4) 阀体内部通过阀瓣和阀座将阀体分离成左右两部分,上下阀瓣和上下阀座共同起到密封作用。由于用于隔离和密封的上下阀座尺寸趋于一致,这种特殊的结构形式,保证了介质从阀门任一端进入,都能在上下阀瓣密封处形成大小相等方向相反的两个力( 图5) 。由于这两个力是由介质压力产生,并且大小相等方向相反,基本消除了工作介质对电磁阀开、关的影响,只要复位弹簧能给上下阀瓣提供必须的密封比压,同时线圈保证能克服弹簧力,电磁阀即能实现可靠的启闭功能。

直动式双向电磁阀

1. 屏蔽套2. 复位弹簧3. 线圈组4. 动铁芯5. 上阀瓣6. 上阀座7. 阀杆8. 下阀瓣9. 下阀座10. 阀体

图4 直动式双向电磁阀

  由于双向电磁阀的关闭状态是依靠复位弹簧提供的密封力,不用考虑工作介质对其开关动作的影响,因此,这种电磁阀越是在低压差和真空状态下越能表现出独特的优越性,非常适合于工作压力很低的核动力辐射防护系统和虹吸排水系统等特殊的真空场所的设计选用。双向电磁阀采用线性密封结构,依靠强力的弹簧进行密封,可有效消除环境振动、冲击和颗粒状介质等不同工况和不同介质对电磁阀可靠运行的影响。因此阀门不会在工作压力降低或减小时出现密封副落座对中不好导致阀座泄漏的现象,可以适用于低压差和有一定振动的工况系统。

双向电磁阀工作原理

图5 双向电磁阀工作原理

3.2、反冲式电磁阀

  反冲式电磁阀( 图6,国外称强制先导式或强制直动式) 是直动式电磁阀和先导式电磁阀的结合体,从原理上具有直动式电磁阀和先导式电磁阀的优点,既可完成0 压差启闭,又可耐受高压差的冲击。反冲式电磁阀应用范围广泛。

  反冲式电磁阀是由主阀和辅阀组成,电磁阀线圈电磁力先把辅阀拉起,将主阀腔内工作介质从主阀的先导口中排出,由于主阀的直径大于阀座的直径,在压差的作用下,主阀被工作介质所浮起。电磁阀关闭时是辅阀先落座关闭主阀上先导口,在压差作用下,主阀落座关闭电磁阀。

  ①电磁阀开启和关闭应有最小压差,否则电磁阀不能保证可靠的动作。从原理上分析,这种电磁阀是可以在0 压差下工作,但由于受到主阀与缸套之间的摩擦力、主阀和辅阀的密封情况、弹簧力和电磁力的大小等因素的影响,真正在零压差时电磁阀的可靠性会有一定的影响,一般来说,选用这种阀门是根据其耐高压的性能,而不是针对其弱项耐低压的性能。因此,在真空系统选用这类电磁阀时必须引起高度注意。

反冲式电磁阀

图6 反冲式电磁阀

  ②电磁阀即使在0 压差下能工作,其流量也不能达到规定要求。反冲式电磁阀在设计时,将辅阀与阀杆、动铁芯与阀杆连接处增加了一定的空行程,目的是电磁阀开启瞬间可以提供一定量的冲能,有利于电磁阀的开启。同时这种阀的主阀原则上是依靠介质的压差浮起,只有当介质压力很小时线圈的电磁力才能拉动主阀,但由于辅阀上有一定的空行程,因此,动铁芯和静铁芯闭合后,主阀可以开启正常开启高度的1/3 左右,介质通过电磁阀的能力将大大受到影响。

  ③反冲式电磁阀主要应用其综合的性能。在弹簧力的选择上一般偏弱,电磁阀的密封力主要是依靠介质压力作用在主阀上,压力越大密封力就越强,因此,反冲阀在低压差时,弹簧力提供的必须比压有限,很容易在介质低压力时出现阀座泄漏现象。

3.3、先导式电磁阀

  先导式电磁阀( 图7) 的电磁力只作用于电磁阀上的先导阀,只能拉动先导阀并将其打开,而电磁阀的主阀则完全依靠介质压差实现其浮起和落座关闭。

先导式电磁阀结构

图7 先导式电磁阀结构

  先导式电磁阀由两大部件组成,上部件为先导阀,下部件为主阀。先导阀和主阀之间通过在阀盖上的管道相联系,并通过这种联系用先导阀的动作控制主阀的开关。

  先导式电磁阀应用广泛的原因是同样通径、同样工作压力的工况条件,先导式电磁阀要较其他类电磁阀结构简单紧凑、外形小、线圈功率小及耗能低等。另外,由于电磁力只开启先导阀,而不用电磁力拉动主阀,因此先导式电磁阀可适用于大通径阀门,现在先导式电磁阀的公称通径已经达到500mm 以上,因此先导式电磁阀在自动控制系统中的应用很广泛。但先导式电磁阀的主阀完全是依靠介质的压差开启或关闭,因此,如果管路系统中没有最小的介质压力,这种电磁阀不能实现其功能。一般情况下,最小压差不能小于0. 03MPa。

4、结语

  电磁阀的种类较多,其应用范围较广,各类电磁阀又具有鲜明的特点。因此,在选用电磁阀时一定要了解各类电磁阀的特性,掌握其基本的结构特点。由于电磁阀的种类不同,如果电磁阀选型错误,将直接导致系统不能完成或不能很好完成其预定的功能。反冲式电磁阀适用于高压差、耐高温的工况条件,不适合用于低压差特别是真空的场所,否则,将会给设计的真空系统带来极不稳定的因素,影响系统的可靠运行。先导式电磁阀不能设计和用于真空系统。

参考文献

  〔1〕陆培文. 实用阀门设计手册〔M〕. 北京: 机械工业出版社,2007.

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