一種航空系統用兩位三通電磁閥的設計

凱邁（洛陽）氣源有限公司 王方方 王 抓 江 澎

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一種航空系統用兩位三通電磁閥的設計

凱邁（洛陽）氣源有限公司 王方方 王 抓 江 澎

【摘要】介紹了一種兩位三通常開式電磁閥的組成及主要部件的設計參數確定方法，并通過驗證及實際應用，取得了良好的實用效果。該電磁閥具有結構緊湊、體積小、重量輕、響應快、環境適應性強等優點，已應用于某航空裝置氣動系統。

【關鍵詞】電磁閥；線圈；電磁吸力

0　引言

電磁閥是用電磁控制的工業設備，是用于控制流體的自動化基礎元件。應用于航空領域的電磁閥，性能要求高于普通行業電磁閥，常應具有快速響應、體積小、重量輕、環境適應性強、可靠性高、使用壽命長等特點。本文著重介紹一種航空系統用兩位三通常開式電磁閥的設計和應用。

1　技術指標要求

1）工作介質：氮氣；

2）工作壓力：20MPa；

3）工作電壓：27V DC；

4）外形尺寸：≤Ф32mm×70mm；

5）重量：≤350g；

6）使用溫度：-55℃～+70℃；

7）15ms內完成對氣缸（容積2mL）的充氣或者放氣。

2　設計方案

2.1組成及工作原理

電磁閥的組成結構示意見圖1。主要由閥體、閥芯、復位彈簧、密封接頭、線包等部分組成。

圖1　電磁閥結構示意圖

如圖1所示，電磁閥的工作原理為：電磁閥為常開狀態，當不通電時，氮氣從電磁閥入口經出口給氣缸充氣，放空處密封，氣體無法通過；當電磁閥通電時，閥芯在電磁力的作用下向左移動，入口與出口氣路斷開，出口與放空處連通，氣體從放空處流出。

2.2設計參數確定

2.2.1閥體設計

閥體是電磁閥的主要載體，同時決定著電磁閥的承壓能力。材料宜選用矯頑力低、高導磁率的軟磁不銹鋼，其強度計算按第一強度理論分析，一般采用薄壁公式計算。

圖2　閥體結構示意圖

分析閥體的受力情況，閥體受到氣體作用在閥體內部的氣體壓力，其薄弱環節內徑為D1，閥體最小外徑為D2。電磁閥的工作壓力為P，閥體最薄弱部位能夠承受的壓力Pb可按以下公式進行計算：

其中，σb為閥體材料的抗拉強度，S為壁厚。

一般應滿足Pb≥2.5P，以保證使用的安全性。

2.2.2閥芯設計

閥芯的材料可選用電工純鐵，其具有磁導率高、矯頑力小，磁飽和感應強度高（Bm≥1.8T）的特點。高壓氣體電磁閥一般工作在磁飽和的工況下，選用電工純鐵能夠獲得較大的電磁吸力。

2.2.3線包設計

根據線圈的額定功率P和額定工作電壓U，能夠得到線圈的工作電流I和直流電阻R，在電流I一定的情況下，需保證足夠的線圈匝數N，以使電磁閥工作磁隙處的磁感應強度大于閥芯的磁飽和感應強度1.8T，線圈匝數N從下式得出：

式中：μ0── 空氣磁導率μ0=1.25×10-6（H/m）

線圈的厚度H和線圈漆包線直徑d0可用以下公式計算：

式中：ρ20──ρ20=1.754×10-5Ωmm2/mm（銅漆包線20℃時電阻率）

線圈漆包線長度L1可從軸向結構尺寸、經濟性、散熱面積等方面進行綜合考慮，一般情況下取L1=（7～15）H。

2.2.4電磁吸力計算

在該磁系統的磁路中，由于工作氣隙較小，故雖然存在漏磁通，但相對于主磁通來說可以忽略，故電磁鐵對閥芯的吸力F為：

其中：μ0——線圈磁勢（Wb/A·m）；

δ——氣隙長度，m

N——線圈匝數

I——電流，A

S——磁路截面積，m2

Kf——漏磁系數，1.2～5

2.2.5充氣時間計算

根據已知氣路通徑d，向氣缸充氣時，氣缸內的壓力由P0升至Ps，充氣時間t1可由下式計算。

式中，τ為充氣、放氣時間常數（s），P0為容器中初始絕對壓力（MPa）；Ps為氣源絕對壓力（MPa）；τ值可用以下公式計算。

式中，V為氣缸的容積（L）；A為有效截面積（mm2）；κ為等熵指數（氮氣取1.4），T1=293K（20℃）。

2.2.6復位彈簧設計

當電磁閥未通電時，復位彈簧給閥芯一個合適的預壓緊力，使閥芯的密封面與密封接頭緊密接觸，起到良好的密封作用。當電磁閥通電后再斷電時，復位彈簧給閥芯一個復位力，使閥芯快速復位密封。

彈簧的外形尺寸、剛度、預壓縮量與電樞結構尺寸、工作壓力、流量、最小開啟電壓、釋放電壓等因素都有關聯，因此在設計時需綜合考慮。

由圖1分析，彈簧作用力和氣壓作用力方向一致，使閥芯密封面與密封接頭緊密接觸，線包通電時，電磁吸力大于彈簧作用力和氣壓作用力之和，閥芯與閥體吸合，出氣口與放空口氣路接通。

由工作狀況，電磁吸力FD、氣壓作用力FQ、彈簧作用力FK、密封力取FM，為保證電磁閥在通電時能阻斷進氣，必須滿足

為保證電磁閥在低壓時的氣密性，根據工程經驗：密封力FM應保證閥芯密封面和接頭接觸應力大于10MPa。故密封力FM=10SM，SM為閥芯與接頭密封處環形區域面積。

氣壓作用力要考慮最不利的工作狀況，應按最高工作壓力Pb（1.5倍工作壓力）來計算，氣壓作用面積為密封面與密封接頭平面接觸處直徑d的面積。

氣壓作用力：

根據閥體結構、電樞結構尺寸、彈簧作用力大小等因素，參考GB/T2089-1994圓柱螺旋壓縮彈簧進行彈簧的設計。選定彈簧的材料，可得材料的彈性模量G，選擇彈簧線徑d1，確定彈簧中徑D，以及彈簧的有效圈數n，則彈簧的剛度K可由下式得出。

根據閥體結構尺寸及電樞結構尺寸，得出彈簧工作時的最大壓縮量x，則：

代入式（1）校核，應滿足要求。

3　設計結果驗證

按照上述工作原理及參數，設計加工了電磁閥樣機，經過驗證電磁閥的性能指標達到情況見表1。

表1　技術指標達到情況

4　結束語

本文介紹了一種兩位三通常開式電磁閥的組成及主要部件的設計參數確定方法，并通過驗證及實際應用，取得了良好的實用效果。該電磁閥具有結構緊湊、體積小、重量輕、響應快、環境適應性強等優點，已應用于某航空裝置氣動系統。

參考文獻

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[2]李奮勇.高壓氣體電磁閥設計[J].液壓與氣動,2011(1).

[3]張正原,胡娓.電磁閥設計中電磁力自動計算方法[J].現代機械,2001(3).

[4]金代中.電工速查速算手冊[M].機械工業出版社,2002.

王方方（1986—），女，大學本科，助理工程師，主要從事高壓氣動控制器件制造技術方面的工作。

作者簡介：