一種無摩擦簧片式電磁閥的研制

黃愛清，曹 明，唐妹芳，尤 罡

（上海空間推進研究所，上海201112）

0 引言

隨著我國航天器應用需求的增長，對航天器使用壽命要求越來越高，如衛星工程、載人工程及探月工程等均要求使用壽命在十年以上，其推進分系統中對發動機控制閥的脈沖工作也從原先的十幾萬次提升至百萬次以上，而傳統滑動式電磁閥工作過程中銜鐵和線圈組件內腔存在摩擦，頻繁工作后產生自身多余物，制約了傳統電磁閥長壽命工作。

本文介紹了某探測器無摩擦簧片式電磁閥(以下簡稱簧片電磁閥)的設計和研發。該簧片電磁閥采用簧片式銜鐵夾持裝置，既具有良好的對中性，又實現了銜鐵與閥門內腔的無接觸運動，避免了閥門自身摩擦產生多余物，電磁閥性能穩定，可廣泛地應用于多領域航天器推進系統長壽命、高可靠性發動機控制閥的穩態和脈沖工作。

1 設計方案

1.1 性能要求

電磁閥主要性能參數見表1。

表1 簧片電磁閥主要性能參數Tab.1 Main performance parameters of S-spring valve

1.2 方案設計

為滿足輕質、可靠、長壽命的性能指標要求，設計了無摩擦簧片式電磁閥，其設計方案見圖1。主要特點：采用簧片式銜鐵夾持結構，實現無摩擦運動，運動件間的配合精度要求低、結構緊湊、質量輕。

圖1 簧片電磁閥設計方案Fig.1 Design scheme of S-spring valve

1.3 工作原理

簧片電磁閥由簧片組件、線圈組件、濾網組件、閥座等組成，產品實物及工作原理見圖2。簧片電磁閥內腔由簧片組件的閥芯與閥座形成密封副，閥芯部件采用雙簧片作為復位機構，以實現閥芯部件的無摩擦運動。該簧片電磁閥在線圈未通電時，靠介質壓力及簧片預壓力，將閥芯（與銜鐵連成一體）壓緊在閥座上，在簧片電磁閥內腔流道上形成密封副。當給線圈通以一定電壓時，通過磁回路，在磁路間隙處產生軸向吸力，吸引簧片組件運動，直至電磁吸力克服簧片力和介質壓力，使閥門完全開啟。只要線圈持續通電，閥門就保持開啟狀態，直到電信號切斷，電磁吸力下降到不足以克服簧片力和介質壓力的合力時，閥芯復位，閥門關閉。

圖2 產品實物及工作原理Fig.2 Picture and working principle of S-spring valve

1.4 設計難點

根據簧片電磁閥的研制經驗，簧片電磁閥的研制難點在于簧片的結構設計對簧片特性影響大，且簧片的制造質量要求高。因此，其設計難點就是簧片的設計和制造工藝。

目前，簧片的設計尚無規范或成熟的設計計算方法可以借鑒，主要是根據經驗初步設計外形結構和尺寸，再通過ANSYS仿真分析結果進行驗證和調整，確定簧片的設計參數和結構形式，并對產后的簧片進行試驗考核，最終確定簧片設計技術狀態。

簧片的熱處理是簧片制造過程中的關鍵步驟，熱處理結果直接影響簧片的力學性能。簧片所選擇的材料為冷作硬化不銹鋼，這類鋼綜合了馬氏體不銹鋼和奧氏體不銹鋼的優點。簧片熱處理就是通過熱處理的方式來控制奧氏體和馬氏體相變獲得優良的加工性能和綜合力學性能。殘余奧氏體含量高，則簧片的塑性好剛度差，簧片受力后易發生塑性變形；殘余奧氏體含量低，馬氏體含量高，則簧片的強度高彈性差，簧片彈性變形差，影響簧片電磁閥的正常工作。因此，熱處理制度的制定對簧片的性能至關重要。

2 關鍵參數的確定

2.1 簧片參數確定

根據簧片在整閥設計中的包絡尺寸，并考慮到簧片電磁閥流量、響應時間等特點，在簧片設計方面采用“S”形結構的簧片，“S”形簧片具有行程大、工作次數多等優點。通過ANSYS軟件對簧片結構設計參數進行優化設計后，確保剛度為4 N/mm，最終結構形式及實物見圖3。

圖3 簧片結構及實物圖Fig.3 Structure and picture of S-spring

2.2 電磁場參數確定

根據電磁力設計計算公式和仿真軟件分析，確定隔磁墊片厚度和吸合磁勢，預計閥門電磁吸力28 N，實測電磁閥吸力為32 N。

圖4 響應特性曲線仿真分析Fig.4 Curve for respond characteristic of S-spring valve

根據線圈參數，通過公式計算和軟件仿真分析，得出閥門負載2.0 MPa下的開關響應特性。通電29 VDC、負載2.0 MPa時，電磁閥開啟時間6.0 ms，關閉時間10 ms，滿足任務書要求。響應特性仿真分析見圖4。

2.3 流道參數確定

根據系統流阻要求，通過流阻公式計算，確定閥門口徑為2 mm，行程0.3 mm。經公式計算和流場仿真分析，在水流量為27 g/s時，閥門流阻為0.18 MPa，滿足系統使用要求。

2.4 密封參數確定

閥口密封副選用金屬-非金屬密封，非金屬材料采用氟塑料Fs-46。為防止非金屬密封面因上百萬次工作后壓縮變形大和電磁閥行程變大，設計上采取了相應措施。非金屬密封面厚度取薄些，變相地增加非金屬密封面的硬度，可適當降低密封比壓，根據經驗，一般取3 MPa至5 MPa之間。此外，在保證密封副密封比壓情況下，閥芯部件采取運動限位結構。上述措施均有利于閥芯部件上百萬次動作后密封面壓縮變形和電磁閥行程變化。密封參數的確定為簧片剛度設計奠定了基礎。

3 試驗情況和分析

3.1 簧片力檢測

試驗過程中對簧片和簧片組件進行了簧片力測試。簧片組件性能數據見表2。測試結果表明，簧片結構滿足簧片設計要求。

表2 簧片組件性能數據Tab.2 Performance data of S-spring module

3.2 常規性能試驗

在研制過程中對簧片電磁閥的常規性能進行了測試，主要包括響應特性、動作試驗、漏率等。試驗數據見表3，試驗數據表明產品性能滿足系統使用要求。

表3 常規性能試驗數據Tab.3 Data of convention performance test

3.3 環境試驗

簧片電磁閥經過了振動、加速度、熱循環和熱真空等環境試驗的考核。其中簧片電磁閥通過了溫度為-1 5℃～+9 5℃、循環次數為2 5.5次的熱循環環境試驗考核。在熱循環環境試驗中對閥門主要性能進行檢測，閥門漏率試驗數據見表4。試驗結果表明，簧片電磁閥的環境適應能力滿足要求。

表4 熱循環試驗數據Tab.4 Data of heat cycle test

3.4 壽命試驗

簧片電磁閥通過了1 0 0萬次壽命試驗考核。表5給出了該閥門在工作百萬次壽命試驗的測試數據，驗證了該閥門上百萬次工作的可靠性。

4 結論

1）簧片電磁閥采用簧片式銜鐵組件避免了閥門自身摩擦產生多余物，相對于傳統摩擦滑動式電磁閥，是新型閥門設計的一大進步，具有長壽命、高可靠等特點。

2）攻克了簧片電磁閥中簧片的設計和制造工藝，為簧片電磁閥的推廣應用奠定了基礎。

3）試驗驗證了簧片電磁閥性能穩定可靠，滿足系統指標要求，可廣泛地應用于多領域航天器推進系統長壽命、高可靠性發動機控制閥的穩態和脈沖工作。

表5 壽命試驗性能數據Tab.5 Performance data of life cycle test

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