压力平衡式电磁阀结构特性的分析

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:邵军

  介绍了压力平衡式电磁阀结构特点,工作原理和工况条件。分析了直动式单座和双座电磁阀及直动轴流式电磁阀不同结构消除介质对工况系统影响的因素,并给出了阀门选用的相关条件和注意事项。

1、概述

  压力平衡式电磁阀在常压、低压及超低压的自动控制领域中得到了广泛应用。压力平衡式电磁阀具有双向截止,密封性好,无外漏,响应时间短,阀门启闭无需考虑介质压力等特点,可以有效的满足系统的设计要求。

2、压力平衡式电磁阀的结构

  压力平衡式电磁阀主要是利用阀体及阀内部件的特殊结构形式平衡工作介质的压力,通过复位弹簧和线圈的电磁力,实现阀门的开启和关闭。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为压力平衡电磁阀分为直动式双座电磁阀、直动式单座电磁阀和直动轴流式电磁阀3 种。

  2.1、直动式双座电磁阀

  直动式双座电磁阀( 双座压力平衡式电磁阀)可实现零压差开关阀和介质的双向截止密封,可用于1. 33 × 10 -7 MPa 的真空系统、适用于粘度较高的介质和加工成大口径的电磁阀。该类电磁阀的公称通径最大可达300mm,工作压差可达4MPa,适用于气态及液体的管路系统中。

  以电磁阀阀体的左端为介质进口,右端为介质出口( 图1) 。当电磁阀线圈通电时,线圈产生电磁力,动铁芯受磁将压缩弹簧与静铁芯闭合,同时带动阀杆、阀瓣离开上、下阀座,这时的工作介质将从左端进入阀体并上下流动通过双阀座,汇合后从阀体的右端流出。当线圈断电时,线圈电磁力消失,动铁芯在自重和弹簧力的作用下向下运动,阀瓣与双阀座关闭,切断介质的流通。

  以电磁阀阀体的右端为介质进口,左端为介质出口( 图2) 。当电磁阀线圈通电时,线圈产生电磁力,动铁芯受磁将压缩弹簧与静铁芯闭合,同时带动阀杆和阀瓣离开双阀座,这时的工作介质将从阀体右端进入阀体腔内,分别从上、下介质流道通过上下阀座,汇合后从阀体的左端流出。当线圈断电时,线圈电磁力消失,动铁芯在自重和弹簧力的作用下向下运动,阀瓣与上、下阀座关闭,切断介质的流通。

介质从阀体左端进入直动式双座电磁阀

1. 静铁芯 2. 弹簧 3. 线圈 4. 动铁芯 5. 阀杆 6. 阀瓣 7. 阀座 8. 阀体

图1 介质从阀体左端进入直动式双座电磁阀

介质从阀体右端进入直动式双座电磁阀

图2 介质从阀体右端进入直动式双座电磁阀

  当介质从阀体左端( 或右端) 进入时,由于介质压力相同,介质作用在上下阀座的作用面积相同(上下阀座的加工尺寸趋于一致) ,故作用在上阀瓣的介质力F1与作用在下阀瓣的介质力F2相同。因此,介质压差产生的对阀瓣的不平衡力理论上为0。

  通过分析可以看出,双阀座压力平衡式电磁阀从理论上可有效消除系统介质对电磁阀启闭的影响,可实现电磁阀的双向密封和双向截止的功能,满足系统的常压、低压差或超低压差的技术需要。

  2.2、直动式单座双向电磁阀

  直动式单座双向电磁阀( 单座压力平衡式电磁阀) 既可实现零压差开关阀,又可实现介质的双向截止密封。直动式单座双向电磁阀适用于粘较高的介质,该类电磁阀公称通径一般为DN5 ~ 50,工作压差为0 ~ 4.0MPa,能适用于气态及液体的管路系统中,密封件如采用聚四氟乙烯等耐腐蚀材料,也可应用于具有腐蚀性介质的工作环境和工况条件中。

  以电磁阀阀体的左端为介质进口,右端为介质出口( 图3) 。当电磁阀线圈通电时,线圈产生电磁力,动铁芯受磁将压缩弹簧与静铁芯闭合,同时带动阀杆和阀瓣离开阀座,这时的工作介质将从阀体左端进入阀体腔并通过阀座,由阀体右端流出阀体。当线圈断电时,线圈电磁力消失,动铁芯在自重和弹簧力的作用下向下运动,阀瓣关闭阀座,切断介质的流通。

介质从阀体左端进入直动式单座双向电磁阀阀体

图3 介质从阀体左端进入直动式单座双向电磁阀阀体

  以电磁阀阀体的右端为介质进口,阀体的左端为介质出口。当电磁阀线圈通电时,线圈产生电磁力,动铁芯受磁将压缩弹簧与静铁芯闭合,同时带动阀杆和阀瓣离开阀座。这时工作介质将从阀体右端进入阀体腔,并通过阀座,由阀体左端流出阀体。当线圈断电时,线圈电磁力消失,动铁芯在自重和弹簧力的作用下向下运动,阀瓣关闭阀座,切断介质的流通。当阀体左端进入介质时,由于介质压力相同,介质作用在阀座和阀杆上的面积相同,因此,介质对阀杆的作用力F1与作用在阀瓣上的力F2相同,介质在阀杆和阀瓣上所产生的向下和向上的力,大小相等,方向相反,可以相互抵消,理论上压差对阀瓣产生的不平衡力应为0。当介质从阀体右端进入时,亦是同样道理。介质对阀瓣的受力同样取决于阀杆的截面积和阀座尺寸,即受力面积是否趋于一致。直动式单座电磁阀通过在阀杆上增加工艺流道孔和密封圈结构,理论上可有效消除系统介质对电磁阀启闭的影响,实现电磁阀的双向密封和双向截止的功能,满足系统的常压、低压差或超低压差的技术需要。

  2.3、直动轴流式电磁阀

  直动轴流式电磁阀( 图4) 也可实现零压差启闭和介质的双向密封。直动轴流式电磁阀可以任意方向安装,密封件如采用聚四氟乙烯可应用于具有腐蚀性介质的工况。其公称通径为DN10 ~ 80,工作压差最大可达10MPa,适用于液态和气态的管路系统中。

  当电磁阀线圈通电时,线圈产生电磁力,动铁芯受磁力作用将压缩弹簧与静铁芯闭合,同时带动阀芯离开阀座,这时的工作介质将从左端进入阀体并通过阀座由右端流出阀门。当线圈断电时,线圈电磁力消失,动铁芯在弹簧力的作用下向右运动,阀瓣关闭阀座,切断介质的流通。

直动轴流式电磁阀

图4 直动轴流式电磁阀

  当介质从阀体左端进入时,由于介质压力相同,介质在阀芯与阀座上的作用面积相同,因此,介质对阀芯的作用力F1与F2可相互抵消,介质压差对阀芯产生的不平衡力理论上为0。当介质从右端进入时亦是同理。

3、电磁阀的选用

  由于电磁阀的种类和结构形式较多,导致电磁阀使用中存在问题。一般来说当出现以下几种工况时必须选用压力平衡式电磁阀。

  (1) 系统需要电磁阀实现双向密封功能时。

  (2) 系统需要在0 压差时开启或关闭电磁阀。

  (3) 系统要求电磁阀在有真空度要求时启闭。

  (4) 系统中有一定的悬浮颗粒。

  压力平衡式电磁阀的加工精度要求较高,特别是影响介质平衡力形成的关键部件,如阀杆和阀座等。如果加工误差较大,会导致产品因加工误差而产生介质的不平衡力,一般会导致产品的内泄漏量超标,严重时将影响电磁阀的正常启闭,因此,压力平衡式电磁阀不论是选型,还是生产加工,这些问题必须注意。

4、结语

  压力平衡式电磁阀由于采用了特殊的平衡式结构,介质产生的不平衡力可以相互抵消,故可实现工作介质的双向截止和双向密封。电磁阀不受工作介质的影响,只依靠电磁铁吸力及电磁阀弹簧力的共同作用,可实现电磁阀的启闭,故工作可靠、安全。这种特殊结构的电磁阀没有其他类电磁阀的先导孔结构,也不用过多考虑运动部件之间的配合间隙,因此不同性质的介质对电磁阀的启闭影响甚微,故可实现气、液及各种油类介质在一台阀上通用,提高了产品的适应性。压力平衡式电磁阀结构简单、体积小,动作灵敏,响应迅速。

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