一種新型Bang-Bang電磁閥的研制

王立君，柳 珊, 唐妹芳

(1.上海空間推進研究所，上海201112； 2.上海空間發動機工程技術研究中心，上海201112)

0 引言

隨著衛星壽命以及推力精度等要求的提高，與傳統的冷氣推進、化學推進相比，電推進的優勢越來越明顯。由于電推進比沖高，完成相同衛星平臺推進系統工作需要的推進劑重量比化學推進系統大大減少，有利于滿足新一代大型衛星有效載荷尺寸大、質量大、壽命長、速度增量需求大的要求。

Bang-Bang調壓方式與傳統的減壓閥調壓方式相比具有調壓精度高、輸出壓力穩定、輸出壓力可調等優點，廣泛應用于電推進系統的壓力調節單元。Bang-Bang壓力調節單元主要由Bang-Bang電磁閥、緩沖氣瓶及低壓傳感器等組成，主要工作方式為：工作時通過低壓傳感器監測緩沖氣瓶的壓力；當壓力低于給定的壓力下限時開啟Bang-Bang電磁閥，當壓力超過給定的壓力上限時關閉Bang-Bang電磁閥，從而保持緩沖氣瓶的壓力穩定在要求的范圍內[1-3]。

由于電推進系統的使用壽命長(要求閥門壽命100萬次以上)，工作介質主要為氙氣且流量小，因此系統對Bang-Bang電磁閥的要求比一般電磁閥高。傳統電磁閥由于通徑小，密封面尺寸小，導致零組件加工困難，密封面加工不均勻、密封副的相對轉動極易造成壓痕錯位，加上氣體介質不容易帶走多余物，磨損產生的大量多余物堆積在密封面，造成產品漏率不穩定，易超差，一般壽命次數小于10萬次，很難滿足Bang-Bang電磁閥長壽命和氣體工作介質的要求。

本文主要介紹了一種新型Bang-Bang電磁閥的研制情況，該電磁閥采用“彈簧+單簧片”結構，該結構的閥門順利通過了100萬次、介質為氙氣的壽命試驗，滿足Bang-Bang壓力調節單元對電磁閥的要求。

1 方案選擇

1.1 性能要求

Bang-Bang電磁閥為常閉電磁閥，通電打開，斷電關閉，其主要性能參數如表1所示。

表1 Bang-Bang電磁閥的主要性能參數表

1.2 結構特點

為了滿足閥門輕質、長壽命的要求，設計了“彈簧+單簧片”結構的Bang-Bang電磁閥，設計方案如圖1所示。主要特點：采用“彈簧+單簧片”結構。彈簧加工性能穩定，用來提供一定的密封比壓，同時增加結構的穩定性；簧片用于固定閥芯組件，阻止閥芯組件在殼體內腔的轉動，同時減少磨損產生的多余物。

1-彈簧；2-線圈；3-簧片；4-閥芯組件；5-閥座圖1 電磁閥的工作原理圖Fig.1 Working principle of Bang-Bang solenoid valve

在電磁閥未通電時，靠工作介質的壓力、彈簧力和簧片力將閥芯組件壓緊在閥座上，在電磁閥內腔流道上形成密封副，工作介質被截斷。當給線圈通以開啟電壓時，由軟磁合金材料構成的磁回路被磁化，對閥芯組件產生軸向吸力，吸引閥芯部件向右運動，直至電磁吸力克服彈簧力、簧片力和工作介質壓力，使電磁閥完全開啟，實現工作介質的供給[4-6]。

1.3 關鍵技術

Bang-Bang電磁閥關鍵技術主要有兩個：

1)低剛度長壽命簧片設計。與普通電磁閥相比，Bang-Bang電磁閥引入了簧片用來夾持銜鐵，要求簧片剛度小、壽命大于100萬次。已成熟應用的簧片由于剛度大，不適用于本電磁閥，因此需要重新設計簧片[7]。目前，簧片的設計沒有可依據的公式，需要根據經驗初步設計簧片的形狀和參數，并通過ANSYS軟件計算得到的應力和剛度結果進行調整，確定簧片的形狀以及參數，并通過后續的試驗進行考核，以最終確定簧片的技術狀態。

2)低磨損結構設計，滿足100萬次壽命要求。普通閥門由于密封副的相對轉動和磨損嚴重不能滿足壽命要求，雙簧片電磁閥完全無摩擦，但尺寸及重量方面不能滿足系統要求，因此新型Bang-Bang電磁閥采用“彈簧+單簧片”的方案，但如何選取合適的配合間隙、行程等參數，以最大限度地減小摩擦仍是一個很大的難點。

2 關鍵參數的確定

2.1 簧片

需要根據閥門的包絡尺寸、閥門吸力及響應時間等設計簧片形狀以及性能參數。簧片厚度0.2 mm，簧片外形以及通過ANSYS軟件計算得到的應力分布情況如圖2所示[8]，應力和剛度計算結果如表2所示。

圖2 簧片結構以及應力分布圖Fig.2 S-spring structure and its stress distribution

位移/mm 簧片力/N應力/MPa平均剛度/(N·m-1)0.10.161001.620.30.493141.62

2.2 密封結構

閥門密封副設計為軟密封，非金屬采用F46，為防止百萬次工作后閥門行程過大，設計上選用了較低的密封比壓以及閥座圓弧刃口。考慮到零件的加工性能，閥門通徑為0.5 mm，彈簧力為1.17 N，密封比壓為5.70～6.72 MPa，滿足F46的需用密封比壓，也可滿足閥門的密封要求。在刃口設計上，根據以往經驗，相比平面刃口，圓弧刃口具有更好的密封效果以及長壽命的行程穩定性，因此，電磁閥刃口采用圓弧刃口。

2.3 響應時間

由于Bang-Bang電磁閥的主要作用是保持緩沖氣瓶的壓力穩定，因此對啟動時間和關閉時間的要求比較低。根據工作電壓的要求以及選取的彈簧力和簧片力，通過軟件仿真進行修正[9-10]，確定閥門的電磁場。計算得到閥門開啟時間為5.8 ms，關閉時間為8.4 ms[11]，滿足使用要求，且有一定的工作裕度。閥門響應特性仿真曲線如圖3所示。

圖3 閥門響應特性仿真曲線Fig.3 Response characteristic curve of valve

2.4 配合間隙

閥門的配合間隙是影響磨損的關鍵性因素，Bang-Bang電磁閥只有一片簧片，主要起夾持作用，防止因閥芯組件的轉動造成壓痕錯位導致產品漏率超差，不能阻止閥芯組件與內孔的摩擦，因此依然是有摩擦的閥門。閥門通電后，由于簧片剛度較小，不能克服圓周方向上分布不均勻的電磁吸力，因此，閥芯組件會向側向吸力較大的方向偏移。如果產品行程大，配合間隙小，閥芯組件先與內孔側面吸合，再被軸向電磁吸力拖拽至閥芯組件與內孔底部接觸。配合間隙大、行程小時，閥芯組件直接與內孔底部吸合，吸合時速度更快、接觸面積更小，磨損更嚴重。因此，Bang-Bang電磁閥選用較小配合間隙，約0.12～0.14 mm。后期的試驗也證明，此配合間隙產生的磨損多余物最少。

3 試驗驗證

3.1 簧片力

對簧片進行了簧片力測試，分別測試位移為0.2 mm，0.4 mm和0.6 mm下的簧片力，得到簧片剛度數據，如表3所示。簧片剛度實測值1.45～1.62 N/mm，與仿真計算結果相符合。

3.2 常規性能試驗

對Bang-Bang電磁閥的常規性能數據進行測試，主要包括響應時間、動作裕度、漏率及單件質量等，實測性能數據如表4所示，滿足使用要求。

表3 簧片性能參數

表4 Bang-Bang電磁閥的實測性能

3.3 環境試驗

Bang-Bang電磁閥順利通過了振動、沖擊、加速度、熱真空和熱循環等環境試驗考核。其中，正弦振動試驗量級：9.375 mm(7～20 Hz)，15 g(20～100 Hz)，隨機振動量級：0.2(20～1 000 Hz)，-6 dB/oct(1 000～2 000 Hz)，最大沖擊量級1 600 g，加速度20 g，熱循環-10～+75 ℃(10.5次)，熱真空10～75 ℃(6.5次)，試驗前后閥門性能參數穩定，漏率合格，如表5所示。

表5 環境試驗后性能參數

3.4 壽命試驗

閥門負載0.5 MPa氮氣、15 V DC，以每秒工作次數不超過4次連續工作100萬次，試驗過程中復測產品在0.2 MPa和0.5 MPa下的內漏率。試驗后復測產品響應時間。3臺Bang-Bang電磁閥均通過了100萬次壽命試驗考核。試驗數據如表6和表7所示。試驗前后3臺產品的漏率穩定，均在1E-7量級，證明了配合間隙及簧片參數選取合理，壽命試驗前后的響應時間基本無變化，證明了密封結構以及響應時間選取合理。

表6 壽命試驗漏率數據

表7 壽命試驗前后響應時間數據

對試驗后的產品進行分解，檢查零組件的磨損及多余物等情況，分解結果如圖4所示。圖9中分別為F46密封面、閥芯組件外圓以及線圈內腔的照片。從分解結果來看，100萬次壽命試驗后，閥門磨損產生的多余物較少，僅閥芯壓痕中有一點狀多余物，證明單簧片結構、0.12～0.14 mm的配合間隙的Bang-Bang電磁閥產品可滿足100萬次氣體介質的工作要求。

圖4 試驗后閥門分解情況Fig.4 Disassembled valve after life test

4 結束語

通過“彈簧+單簧片”的結構設計和合理的參數選取，新型Bang-Bang電磁閥順利通過了力學及熱學環境試驗的考核以及100萬次的壽命試驗驗證，閥門各項性能參數均滿足Bang-Bang壓力調節單元對電磁閥的要求。