高溫電磁氣動閥設計

劉靜敏 董錟 劉德勝

摘 要：某發動機使用的高溫電磁氣動閥最高工作溫度為650 ℃，環境溫度為250 ℃，這兩個溫度對產品的結構布局、材料的選取及電磁鐵的設計和制造帶來了很大的難度。本文通過流體仿真、溫度場仿真，為閥體部分設計了合適的結構，保證閥體在650 ℃下能可靠工作。

關鍵詞：高溫電磁氣動閥;仿真;隔熱

中圖分類號：TQ336.42文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）16-0039-03

Abstract： The highest working temperature of the high-temperature solenoid pneumatic valve used by an engine is 650 ℃， and the ambient temperature is 250 ℃. These two temperatures bring great difficulties to the structure layout， material selection and the design and manufacture of the electromagnet. Through fluid simulation and temperature field simulation， this paper designed a suitable structure for the valve body to ensure that the valve body can work reliably at 650 ℃.

Keywords： high temperature electromagnetic pneumatic valve;simulation;heat insulation

電磁氣動閥常用于飛機環控引氣系統，在系統中起換向和開關介質通道的作用[1-3]。在高溫、高壓系統中，普通電磁氣動閥已經無法滿足環控引氣系統的要求。為了有效提高電磁氣動閥的耐高溫性，本文依據ANSYS流體仿真和溫度場仿真，從執行機構和隔熱設計來探討高溫電磁氣動閥的設計方法。

1 高溫電磁氣動閥概述

1.1 功能

高溫電磁氣動閥為某新型發動機空氣系統配套的產品。通過閥芯的調節實現閥門的開啟及關閉。

1.2 結構及工作原理

高溫電磁氣動閥主要由電磁鐵、支架、兩位三通閥、組合密封環、活塞、彈簧、密封墊、進氣法蘭、殼體、電連接器等組成，如圖1所示。

當進氣口無壓力時，活塞在彈簧的作用下保持在關閉位置。當電磁鐵不通電，進氣口加壓時，活塞在空氣壓力的作用下克服彈簧力向左運動到全開位置，打開供氣通道向下游供氣;當電磁鐵斷電時，高溫引氣進入A腔，活塞在彈簧作用下向右運動到關閉位置，切斷下游供氣。

2 高溫氣動電磁閥的設計

2.1 流阻仿真

流阻仿真輸入參數見表1。

通過仿真，初始設計的流道流阻達到31.8 kPa，滿足初始設計要求。綜合各因素，改進方案如下：活塞行程增加2 mm;填充入口法蘭段小臺階，避免該處渦流的形成;對進氣口進行擴口，增大流通截面。流道優化后的高溫電磁氣動閥截面壓力云圖見圖2。通過優化流道，產品的流阻為18.22 kPa，減小了約40%，滿足技術要求。

2.2 溫度場仿真

在考慮熱傳導、熱對流的情況下對該高溫電磁氣動閥進行熱固耦合仿真，產品入口腔流通壁面設置為介質溫度923 K，高壓引氣管嘴內壁面設置為介質溫度923 K，活塞、A腔內壁、電磁鐵等其余部位按自然傳導形成溫度，仿真時電磁鐵不通電，產品外部環境溫度為523 K，與空氣自然對流散熱，對流換熱系數設置為17 W/（m2·K），不同材料的屬性見表2。

截面溫度場仿真溫度分布如圖3所示。從仿真結果可以得出，隔熱墊下部活門殼體明顯高于電磁鐵區域溫度。

2.3 活塞運動計算和熱變形分析

2.3.1 活門關閉時摩擦力計算。進口最大壓力為0.272 MPa，溫度為650 ℃，閥門流量為0.04 kg/s。摩擦力計算公式為[4-5]：

式中：[F2]為作用在活塞上的摩擦力，N;[P2]為作用在第一層活塞環上（進氣口端）的引氣壓力，如活塞一側有壓力，按等級均分的原理應該取值為0.180 MPa，活塞開始關閉時活塞兩側同時供氣，故取最大值，為0.272 MPa;[P3]為作用在第二層活塞環上（活塞端）的引氣壓力，如活塞一側有壓力，按等級均分的原理應該取值為0.090 MPa，活塞開始關閉時活塞兩側同時供氣，故取最大值，為0.272 MPa;[A2]為單個密封槽中密封環的內圓柱面積，約為226.2 mm2;[F彈]為單個彈簧片的彈力，約為2 N;[μ]為密封環高溫下的摩擦系數，廠內同類產品在500 ℃時的摩擦系數為0.06～0.08，本產品的工作溫度為650 ℃，故增加一定裕度，按0.09～0.11。

經過計算，最大壓力下作用在活塞環上的摩擦力約為14 N。

2.3.2 動壓對活塞作用力的計算。氣體密度公式為：

式中：[ρ]為壓縮氣體密度，kg/m3;[Pr1]為涵道引氣壓力設計點，為0.272×106 Pa（絕壓）;[R]為熱力學常數，取287.1 J/kg·K;[Tr1]為涵道引氣溫度，取744 K。將相關數據代入式（2），可得出壓縮氣體密度[ρ]為1.273 kg/m3。

活塞受力面積的公式為：

式中：A3為活塞受力面積，mm2;[D]為活塞直徑，mm，為22 mm。將相關數據代入式（3），可得A3為380 mm2。

計算流速：

式中：[v]為氣體流速，m/s;[G]為氣體流量，取0.04 kg/s。將相關數據代入式（4），得出[v]為82.7 m/s。

動壓對活塞作用力：

式中：[F3]為動壓對活塞的作用力。將其他數據代入式（5），可得出[F3]為5.5 N。

2.4 彈簧設計

彈簧預壓力在30～32 N。彈簧設計參考《機械設計手冊》（單行本）第七篇[4]，故不在列出。

2.5 電磁鐵的隔熱降額設計技術

該產品設計為斷電打開，通電關閉，可以避免電應力和熱傳導同時對電磁鐵造成溫升。電磁鐵不通電，產品打開，只有熱傳導造成電磁鐵溫升;通電關閉，產品成為盲腔，只有電應力造成電磁鐵溫升。螺釘連接處通過耐高溫隔熱墊將電磁鐵與殼體分離，其余部位為空氣隙，可以有效減少熱傳導。通過以上措施，能盡可能地減少高溫空氣對電磁鐵的溫升影響。

2.6 高溫電磁鐵結構設計技術

銜鐵、殼體等磁性材料選擇耐溫高的軟磁合金1J22，其居里溫度高。線圈架、殼體等與線圈接觸的部位噴涂陶瓷，保證殼體、線圈架的絕緣性能。線圈選用噴涂陶瓷的銀導線，其耐溫達到500 ℃，抗高溫氧化性好。

3 試驗驗證

2019年8月至2020年4月，生產了3套產品進行實物試驗驗證。3套試驗件流阻均符合仿真預計要求，不大于19.5 kPa;在室溫下，入口壓力為表壓為35 kPa，產品能夠正常打開、關閉;溫度為650 ℃，壓力為表壓為272 kPa，產品通電關閉，斷電打開。打開時間、關閉時間均為1 s;電流均不大于1.8 A。

4 結論

本文提出了一種高溫電磁氣動閥的設計方法，對同類產品的設計具有一定的參考價值。在設計高溫電磁氣動閥時，需要進行以下工作：進行流體仿真，便于優化介質流道;進行溫度場仿真，便于產品材料選取及電磁鐵結構設計;進行氣動性能計算，保證產品能正常開關;進行結構優化設計，提高產品的可靠性。

參考文獻：

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