电磁阀

电磁阀(Electromagnetic valve)是用电磁控制的工业设备,是用来控制流体的自动化基础元件,属于执行器,并不限于液压、气动。用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制,而控制的精度和灵活性都能够保证。电磁阀有很多种,不同的电磁阀在控制系统的不同位置发挥作用,最常用的是单向阀、安全阀、方向控制阀、速度调节阀等。

电磁阀概述

电磁阀(Electromagnetic valve)是用电磁控制的工业设备,是用来控制流体的自动化基础元件,属于执行器,并不限于液压、气动。用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制,而控制的精度和灵活性都能够保证。电磁阀有很多种,不同的电磁阀在控制系统的不同位置发挥作用,最常用的是单向阀、安全阀、方向控制阀、速度调节阀等。

工作原理

电磁阀里有密闭的腔,在不同位置开有通孔,每个孔连接不同的油管,腔中间是活塞,两面是两块电磁铁,哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边,通过控制阀体的移动来开启或关闭不同的排油孔,而进油孔是常开的,液压油就会进入不同的排油管,然后通过油的压力来推动油缸的活塞,活塞又带动活塞杆,活塞杆带动机械装置。这样通过控制电磁铁的电流通断就控制了机械运动。

主要分类

1、电磁阀从原理上分为三大类:

直动式电磁阀

原理:通电时,电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起,阀门打开;断电时,电磁力消失,弹簧把关闭件压在阀座上,阀门关闭。

特点:在真空、负压、零压时能正常工作,但通径一般不超过25mm。

分步直动式电磁阀

原理:它是一种直动和先导式相结合的原理,当入口与出口没有压差时,通电后,电磁力直接把先导小阀和主阀关闭件依次向上提起,阀门打开。当入口与出口达到启动压差时,通电后,电磁力先导小阀,主阀下腔压力上升,上腔压力下降,从而利用压差把主阀向上推开;断电时,先导阀利用弹簧力或介质压力推动关闭件,向下移动,使阀门关闭。

特点:在零压差或真空、高压时亦能可*动作,但功率较大,要求必须水平安装。

先导式电磁阀

原理:通电时,电磁力把先导孔打开,上腔室压力迅速下降,在关 闭件周围形成上低下高的压差,流体压力推动关闭件向上移动,阀门打开;断电时,弹簧力把先导孔关闭,入口压力通过旁通孔迅速腔室在关阀件周围形成下低上高的压差,流体压力推动关闭件向下移动,关闭阀门。

特点:流体压力范围上限较高,可任意安装(需定制)但必须满足流体压差条件。

2、电磁阀从阀结构和材料上的不同与原理上的区别,分为六个分支小类:直动膜片结构、分步直动膜片结构、先导膜片结构、直动活塞结构、分步直动活塞结构、先导活塞结构。

3、电磁阀按照功能分类:水用电磁阀、蒸汽电磁阀、制冷电磁阀、低温电磁阀、燃气电磁阀、消防电磁阀、氨用电磁阀、气体电磁阀、液体电磁阀、微型电磁阀、脉冲电磁阀、液压电磁阀 常开电磁阀、油用电磁阀、直流电磁阀、高压电磁阀、防爆电磁阀等。

选型注意

电磁阀选型首先应该依次遵循安全性,可靠性,适用性,经济性四大原 则,其次是根据六个方面的现场工况(即管道参数、流体参数、压力参数、电气参数、动作方式、特殊要求进行选择)。

选型依据:

1、根据管道参数选择电磁阀的:通径规格(即DN)、接口方式

1)按照现场管道内径尺寸或流量要求来确定通径(DN)尺寸;

2)接口方式,一般>DN50要选择法兰接口,≤DN50则可根据用户需要自由选择。

2、根据流体参数选择电磁阀的:材质、温度组

1)腐蚀性流体:宜选用耐腐蚀电磁阀和全不锈钢;食用超净流体:宜选用食品级不锈钢材质电磁阀;

2)高温流体:要选择采用耐高温的电工材料和密封材料制造的电磁阀,而且要选择活塞式结构类型的;

3)流体状态:大至有气态,液态或混合状态,特别是口径大于DN25时一定要区分开来;

4)流体粘度:通常在50cSt以下可任意选择,若超过此值,则要选用高粘度电磁阀。

3、根据压力参数选择电磁阀的:原理和结构品种

1)公称压力:这个参数与其它通用阀门的含义是一样的,是根据管道公称压力来定;

2)工作压力:如果工作压力低则必须选用直动或分步直动式原理;最低工作压差在0.04Mpa以上时直动式、分步直动式、先导式均可选用。

4、电气选择:电压规格应尽量优先选用AC220V、DC24较为方便。

5、根据持续工作时间长短来选择:常闭、常开、或可持续通电

1)当电磁阀需要长时间开启,并且持续的时间多于关闭的时间应选 用常开型;

2)要是开启的时间短或开和关的时间不多时,则选常闭型;

3)但是有些用于安全保护的工况,如炉、窑火焰监测,则不能选常开的,应选可长期通电型。

6、根据环境要求选择辅助功能:防爆、止回、手动、防水雾、水淋、潜水。

选型原则

安全性:

1、腐蚀性介质:宜选用塑料王电磁阀和全不锈钢;对于强腐蚀的介 质必须选用隔离膜片式。中性介质,也宜选用铜合金为阀壳材料的电磁阀,否则,阀壳中常有锈屑脱落,尤其是动作不频繁的场合。氨用阀则不能采用铜材。

2、爆炸性环境:必须选用相应防爆等级产品,露天安装或粉尘多场合应选用防水,防尘品种。

3、电磁阀公称压力应超过管内最高工作压力。

适用性:

1、介质特性

1)质气,液态或混合状态分别选用不同品种的电磁阀;

2)介质温度不同规格产品,否则线圈会烧掉,密封件老化,严重影响使用寿命;

3)介质粘度,通常在50cSt以下。若超过此值,通径大于15mm时,用多功能电磁阀;通径小于15mm时,用高粘度电磁阀。

4)介质清洁度不高时都应在电磁阀前配装反冲过滤阀,压力低时,可选用直动膜片式电磁阀;

5)介质若是定向流通,且不允许倒流,需用双向流通;

6)介质温度应选在电磁阀允许范围之内。

2、管道参数

1)根据介质流向要求及管道连接方式选择阀门通口及型号;

2)根据流量和阀门Kv值选定公称通径,也可选同管道内径;

3)工作压差:最低工作压差在0.04Mpa以上是可选用间接先导式;最低工作压差接近或小于零的必须选用直动式或分步直接式。

3、环境条件

1)环境的最高和最低温度应选在允许范围之内;

2)环境中相对湿度高及有水滴雨淋等场合,应选防水电磁阀;

3)环境中经常有振动,颠簸和冲击等场合应选特殊品种,例如船用电磁阀;

4)在有腐蚀性或爆炸性环境中的使用应优先根据安全性要求选用耐发蚀型;

5)环境空间若受限制,需选用多功能电磁阀,因其省去了旁路及三只手动阀且便于在线维修。

4、电源条件

1)根据供电电源种类,分别选用交流和直流电磁阀。一般来说交流电源取用方便;

2)电压规格用尽量优先选用AC220V.DC24V;

3)电源电压波动通常交流选用+%10%.-15%,直流允许±%10左右,如若超差,须采取稳压措施;

4)应根据电源容量选择额定电流和消耗功率。须注意交流起动时VA值较高,在容量不足时应优先选用间接导式电磁阀。

5.控制精度

1)普通电磁阀只有开、关两个位置,在控制精度要求高和参数要求平稳时需选用多位电磁阀;

2)动作时间:指电信号接通或切断至主阀动作完成时间;

3)泄漏量:样本上给出的泄漏量数值为常用经济等级。

可靠性:

1、工作寿命,此项不列入出厂试验项目,属于型式试验项目。为确保质量应选正规厂家的名牌产品。

2、工作制式:分长期工作制,反复短时工作制和短时工作制三种。对于长时间阀门开通只有短时关闭的情况,则宜选用常开电磁阀。

3、工作频率:动作频率要求高时,结构应优选直动式电磁阀,电源听优选交流。

4、动作可靠性

严格地来说此项试验尚未正式列入中国电磁阀专业标准,为确保质量应选正规厂家的名牌产品。有些场合动作次数并不多,但对可靠性要求却很高,如消防、紧急保护等 ,切不可掉以轻心。特别重要的,还应采取两只连用双保险。

经济性:

它选用的尺度之一,但必须是在安全、适用、可靠的基础上的经济。

经济性不单是产品的售价,更要优先考虑其功能和质量以及安装维修及其它附件所需用费用。

更重要的是,一只电磁阀在整个自控系统中在整个自控系统中乃至生产线中所占成本微乎其微,如果贪图小便宜错选而造成损害群是巨大的。

安装注意

1、安装时应注意阀体上箭头应与介质流向一致。不可装在有直接滴水或溅水的地方。电磁阀应垂直向上安装;

2、电磁阀应保证在电源电压为额定电压的15%-10%波动范围内正常工作;

3、电磁阀安装后,管道中不得有反向压差。并需通电数次,使之适温后方可正式投入使用;

4、电磁阀安装前应彻底清洗管道。通入的介质应无杂质。阀前装过滤器;

5、当电磁阀发生故障或清洗时,为保证系统继续运行,应安装旁路装置。

故障排除

电磁阀通电后不工作

检查电源接线是否不良→重新接线和接插件的连接

检查电源电压是否在±工作范围-→调致正常位置范围

线圈是否脱焊→重新焊接

线圈短路→更换线圈

工作压差是否不合适→调整压差→或更换相称的电磁阀

流体温度过高→更换相称的电磁阀

有杂质使电磁阀的主阀芯和动铁芯卡死→进行清洗,如有密封损坏应更换密封并安装过滤器

液体粘度太大,频率太高和寿命已到→更换产品

电磁阀不能关闭

主阀芯或铁动芯的密封件已损坏→更换密封件

流体温度、粘度是否过高→更换对口的电磁阀

有杂质进入电磁阀产阀芯或动铁芯→进行清洗

弹簧寿命已到或变形→更换

节流孔平衡孔堵塞→及时清洗

工作频率太高或寿命已到→改选产品或更新产品

其它情况

内泄漏→检查密封件是否损坏,弹簧是否装配不良

外泄漏→连接处松动或密封件已坏→紧螺丝或更换密封件

通电时有噪声→头子上坚固件松动,拧紧。电压波动不在允许范围内,调整好电压。铁芯吸合面杂质或不平,及时清洗或更换。

密封材料

电磁阀的密封材料目前有三种最常用的。

NBR 丁晴橡胶(nitrile butadiene rubber)

由丁二烯和丙烯腈经乳液聚合法制得的,丁腈橡胶主要采用低温乳液聚合法生产,耐油性极好,耐磨性较高,耐热性较好,粘接力强。其缺点是耐低温性差、耐臭氧性差,电性能低劣,弹性稍低。

此外,它还具有良好的耐水性、气密性及优良的粘结性能。广泛用于制各种耐油橡胶制品、多种耐油垫圈、垫片、套管、软包装、软胶管、印染胶辊、ag刷水|官方胶材料等,在汽车、航空、石油、复印等行业中成为必不可少的弹性材料。

丁腈橡胶具有优良的耐油性,其耐油性仅次于聚硫橡胶和氟橡胶,并且具有的耐磨性和气密性。丁晴橡胶的缺点是不耐臭氧及芳香族、卤代烃、酮及酯类溶剂,不宜做绝缘材料。

主要用途

丁腈橡胶主要用于制作耐油制品,如耐油管、胶带、橡胶隔膜和大型油囊等,常用于制作各类耐油模压制品,如O形圈、油封、皮碗、膜片、活门、波纹管等,也用于制作胶板和耐磨零件。

EPDM三元乙丙橡胶

三元乙丙橡胶是乙烯、丙烯以及非共轭二烯烃的三元共聚物,1963年开始商业化生产。每年全世界的消费量是80万吨。EPDM最主要的特性就是其优越的耐氧化、抗臭氧和抗侵蚀的能力。由于三元乙丙橡胶属于聚烯烃家族,它具有极好的硫化特性。在所有橡胶当中,EPDM具有最低的比重。它能吸收大量的填料和油而影响特性不大。因此可以制作成本低廉的橡胶化合物。

分子结构和特性:三元乙丙是乙烯、丙烯和非共轭二烯烃的三元共聚物。二烯烃具有特殊的结构,只有两键之一的才能共聚,不饱和的双键主要是作为交链处。另一个不饱和的不会成为聚合物主链,只会成为边侧链。三元乙丙的主要聚合物链是完全饱和的。这个特性使得三元乙丙可以抵抗热,光,氧气,尤其是臭氧。三元乙丙本质上是无极性的,对极性溶液和化学物具有抗性,吸水率低,具有良好的绝缘特性。

特点

1、低密度高填充性;

2、耐老化性;

3、耐腐蚀性;

4、耐水蒸汽性能;

5、耐过热水性能;

6、电性能;

7、弹性;

8、粘接性。

VITON 氟橡胶(FKM)

分子内含氟之橡胶,依氟含量即单体构造而有各种类型;六氟化系的氟素橡胶耐高温性优于硅橡胶,耐化学性,耐大部分油及溶剂(酮、酯类除外),耐候性,耐臭氧性均佳,但耐寒性则不良;一般广泛用于汽机车、乙等品,化工厂之密封件,使用温度范围-20℃~260℃,低温要求使用时有耐低温型可选用能适用到-40℃,但价格较高.

主要区别

电动阀与电磁阀的区别

电磁阀是电磁线圈通电后产生磁力吸引克服弹簧的压力带动阀芯动作,就一电磁线圈,结构简单,价格便宜,只能实现开关;

电动阀是通过电动机驱动阀杆,带动阀芯动作,电动阀又分(关断阀)和调节阀。关断阀是两位式的工作即全开和全关,调节阀是在上面安装电动阀门定位器,通过闭环调节来使阀门动态的稳定在一个位置上。

电动阀和电磁阀的用途对比

电磁阀:用于液体和气体管路的开关控制,是两位DO控制。一般用于小型管道的控制。

电动阀:用于液体、气体和风系统管道介质流量的模拟量调节,是AI控制。在大型阀门和风系统的控制中也可以用电动阀做两位开关控制。

电磁阀:只能用作开关量,是DO控制,只能用于小管道控制,常见于DN50及以下管道。

电动阀:可以有AI反馈信号,可以由DO或AO控制,比较见于大管道和风阀等。

1、开关形式:

电磁阀通过线圈驱动,只能开或关,开关时动作时间短。

电动阀的驱动一般是用电机,开或关动作完成需要一定的时间模拟量的,可以做调节。

2、工作性质:

电磁阀一般流通系数很小,而且工作压力差很小。比如一般25口径的电磁阀流通系数比15口径的电动球阀小很多。电磁阀的驱动是通过电磁线圈,比较容易被电压冲击损坏。相当于开关的作用,就是开和关2个作用。

电动阀的驱动一般是用电机,比较耐电压冲击。电磁阀是快开和快关的,一般用在小流量和小压力,要求开关频率大的地方电动阀反之。电动阀阀的开度可以控制,状态有开、关、半开半关,可以控制管道中介质的流量而电磁阀达不到这个要求。

电磁阀一般断电可以复位,电动阀要这样的功能需要加复位装置。

3、适用工艺:

电磁阀适合一些特殊地工艺要求,比如泄漏、流体介质特殊等,价格较贵。

电动阀一般用于调节,也有开关量的,比如:风机盘管末端。

主要特点

1、外漏堵绝,内漏易控,使用安全

内外泄漏是危及安全的要素。其它自控阀通常将阀杆伸出,由电动、气动、液动执行机构控制阀芯的转动或移动。这都要解决长期动作阀杆动密封的外泄漏难题;唯有电磁阀是用电磁力作用于密封在电动调节阀隔磁套管内的铁芯完成,不存在动密封,所以外漏易堵绝。电动阀力矩控制不易,容易产生内漏,甚至拉断阀杆头部;电磁阀的结构型式容易控制内泄漏,直至降为零。所以,电磁阀使用特别安全,尤其适用于腐蚀性、有毒或高低温的介质。

2、系统简单,便接电脑,价格低廉

电磁阀本身结构简单,价格也低,比起调节阀等其它种类执行器易于安装维护。更显着的是所组成的自控系统简单得多,价格要低得多。由于电磁阀是开关信号控制,与工控计算机连接十分方便。在当今电脑普及,价格大幅下降的时代,电磁阀的优势就更加明显。

3、动作快递,功率微小,外形轻巧

电磁阀响应时间可以短至几个毫秒,即使是先导式电磁阀也可以控制在几十毫秒内。由于自成回路,比之其它自控阀反应更灵敏。设计得当的电磁阀线圈功率消耗很低,属节能产品;还可做到只需触发动作,自动保持阀位,平时一点也不耗电。电磁阀外形尺寸小,既节省空间,又轻巧美观。

4、调节精度受限,适用介质受限

电磁阀通常只有开关两种状态,阀芯只能处于两个极限位置,不能连续调节,所以调节精度还受到一定限制。

电磁阀对介质洁净度有较高要求,含颗粒状的介质不能适用,如属杂质须先滤去。另外,粘稠状介质不能适用,而且,特定的产品适用的介质粘度范围相对较窄。

5、型号多样,用途广泛

电磁阀虽有先天不足,优点仍十分突出,所以就设计成多种多样的产品,满足各种不同的需求,用途极为广泛。电磁阀技术的进步也都是围绕着如何克服先天不足,如何更好地发挥固有优势而展开。

相关规定

1、产品选用要点

1)电磁阀选用主要控制参数为通径、设计公称压力、介质允许温度范围、接口尺寸等。

2)电磁阀是用电磁铁推动阀门的开启与关闭,通常用于口径在40mm以下的两位式控制中,尤其多用于接通、切断或转换气路、液路等。

3)阀门的密封性能是考核阀门质量优劣的主要指标之一。阀门的密封性能主要包括两个方面,即内漏和外漏。内漏是指阀座与关闭件之间对介质达到的密封程度。外漏是指阀杆填料部位的泄露,中口垫片部位的泄露以及阀体因铸造缺陷造成的泄露。外漏是不允许发生的。

4)电磁阀主要优点是体积小,动作可靠,维修方便,价格便宜。选择时需要注意根据工艺要求选择常开或常闭型。

2、施工安装要点

1)阀门的安装位置、高度必须符合符合口方向设计要求,连接应牢固紧密。

2)阀门安装前必须进行外观检查,阀门的铭牌应符合现行国家标准GB12220《通用阀门标志》的规定。

3、执行标准

产品标准:

中国电磁阀产品行业标准《工业过程控制系统用电磁阀(JB/T7352-2010)》

GB/T13927-92《通用阀门 压力试验》

JB/T8528-1997《普通型阀门电动装置技术条件》

GB12220-89《通用阀门标志》

工程标准:

GB50243-2002《通风与空调工程施工质量验收规范》

GB50242-2002《建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范》

常见类型

1、防爆电磁阀

2、蒸汽电磁阀

3、高压电磁阀

4、真空电磁阀

5、燃气电磁阀

6、低温电磁阀

7、自保持电磁阀

8、2位2通电磁阀

9、2位3通电磁阀

10、2位4通电磁阀

11、2位5通电磁阀

12、通用型电磁阀

13、专用型电磁阀

14、低功耗电磁阀

15、手动复位电磁阀

16、精密微型阀

17、阀位指示器

常见故障

电磁阀是由电磁线圈和磁芯组成,是包含一个或几个孔的阀体。当线圈通电或断电时,磁芯的运转将导致流体通过阀体或被切断,以达到改变流体方向的目的。电磁阀的电磁部件由固定铁芯、动铁芯、线圈等部件组成;阀体部分由滑阀芯、滑阀套、弹簧底座等组成。电磁线圈被直接安装在阀体上,阀体被封闭在密封管中,构成一个简洁、紧凑的组合。我们在生产中常用的电磁阀有二位三通、二位四通、二位五通等。这里先说说二位的含义:对于电磁阀来说就是带电和失电,对于所控制的阀门来说就是开和关。

电磁阀的故障将直接影响到切换阀和调节阀的动作,常见的故障有电磁阀不动作,应从以下几方面排查:

1、电磁阀接线头松动或线头脱落,电磁阀不得电,可紧固线头。

2、电磁阀线圈烧坏,可拆下电磁阀的接线,用万用表测量,如果开路,则电磁阀线圈烧坏。原因有线圈受潮,引起绝缘不好而漏磁,造成线圈内电流过大而烧毁,因此要防止雨水进入电磁阀。此外,弹簧过硬,反作用力过大,线圈匝数太少,吸力不够也可使得线圈烧毁。紧急处理时,可将线圈上的手动按钮由正常工作时的“0”位打到“1”位,使得阀打开。

3、电磁阀卡住:电磁阀的滑阀套与阀芯的配合间隙很小(小于0.008mm),一般都是单件装配,当有机械杂质带入或润滑油太少时,很容易卡住。处理方法可用钢丝从头部小孔捅入,使其弹回。根本的解决方法是要将电磁阀拆下,取出阀芯及阀芯套,用CCI4清洗,使得阀芯在阀套内动作灵活。拆卸时应注意各部件的装配顺序及外部接线位置,以便重新装配及接线正确,还要检查油雾器喷油孔是否堵塞,润滑油是否足够。

4、漏气:漏气会造成空气压力不足,使得强制阀的启闭困难,原因是密封垫片损坏或滑阀磨损而造成几个空腔窜气。在处理切换系统的电磁阀故障时,应选择适当的时机,等该电磁阀处于失电时进行处理,若在一个切换间隙内处理不完,可将切换系统暂停,从容处理。

电磁阀工作原理

电磁阀是用电磁控制的工业设备,是用来控制流体的自动化基础元件,属于执行器;并不限于液压,气动。在我们日常生活中应用十分广泛,首先我们先对电磁阀有个初步的认识,电磁阀是由电磁线圈和磁芯组成,是包含一个或几个孔的阀体。当线圈通电或断电时,磁芯的运转将导致流体通过阀体或被切断,以达到改变流体方向的目的。

电磁阀工作原理:

电磁阀里有密闭的腔,在的不同位置开有通孔,每个孔都通向不同的油管,腔中间是阀,两面是两块电磁铁,哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边,通过控制阀体的移动来档住或漏出不同的排油的孔,而进油孔是常开的,液压油就会进入不同的排油管,然后通过油的压力来推动油缸的活塞,活塞又带动活塞杆,活塞竿带动机械装置动。这样通过控制电磁铁的电流就控制了机械运动。

电磁阀按原理分为:直动式、分布直动式、先导式三大类;按结构分为膜片式电磁阀和活塞式电磁阀两类。

低温电磁阀图片防爆电磁阀图片高压电磁阀图片

直动式电磁阀工作原理:

通电时,电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起,阀门打开;断电时,电磁力消失,弹簧把关闭件压在阀座上,阀门关闭。

分布直动式电磁阀工作原理:

它是一种直动式和先导式相结合的原理。常闭式---当入口与出口没有压差时,通电后电磁力直接打开先导孔连接主阀活塞依次向上提起,阀门打开;当入口与出口达到启动压差时,通电后,电磁力先打开先导孔,主阀活塞上腔压力下降,从而利用压差和电磁力拉动主活塞,阀口打开;断电时,靠弹簧复位关闭先导孔,主活塞上腔增压,推动主活塞向下移动,阀关闭。常开式与常闭式相反。

先导式电磁阀工作原理:

常闭式---通电时,电磁力吸合先导孔阀芯,先导孔打开,主阀活塞上腔压力下降,在主活塞上腔和下腔形成上低下高的压力,这样下腔压力推动主活塞打开阀门;断电时,弹簧力复位关闭先导孔,主活塞上腔增压,在主活塞上腔和下腔形成上高下低的压力,介质压力和弹簧力推动主活塞,阀关闭。常开式与常闭式相反。

膜片式电磁阀工作原理:

通电时,电磁力把先导孔打开,上腔室压力迅速下降,在关闭件周围形成上低下高的压差,流体压力推动关闭件向上移动,阀门打开;断电时,弹簧力把先导孔关闭,入口压力通过旁通孔迅速腔室在关阀件周围形成下低上高的压差,流体压力推动关闭件向下移动,关闭阀门。

活塞式电磁阀工作原理:

线圈通电后由于吸力作用,动铁芯下移,把副阀阀塞压下,副阀关闭,主阀阀杯内压力上升,当压力升到一定值时,主阀阀杯的上下压差一样,由于电磁力作用,动铁芯失去主阀阀杯下,压紧主阀阀座,阀门关闭。线圈断电时,电磁吸力为零,副阀阀塞和支铁芯由于弹簧作用向上提起,副阀打开,主阀阀杯上的流体经副阀流走,减少了作用在主阀阀杯上的压力,当主阀阀杯上的压力减少到一定值时,利用压差把主阀阀杯推起,主阀打开,介质流通。

基于Fluent的电磁阀阀体设计与仿真

0 引言

由于流体均具有一定的粘性, 在流道中流动过程中, 其能量会有沿程损失和局部损失, 表现为压力降低和流速下降。出入口角度、流道截面变化、流道角度变化、分支流道型式、流道长度、壁面粗糙度等因素均会对阻力系数产生影响, 结构较复杂的电磁阀流量计算时, 通常由于上述因素的影响, 不能准确计算出阻力系数, 因而不易通过数值计算得到准确的压力损失和流量参数。

一般在完成产品设计和加工后, 进行放气试验或流量试验测量电磁阀的压力损失和相关流量参数, 然后重新进行阀体结构设计和优化, 这导致阀类产品研制周期长、研制成本高。

1 工作原理

电磁阀主要由阀体和电磁铁两部分组成, 阀体主要包括阀体外壳、衬套、芯轴等零件。气体从阀体入口导入阀体, 芯轴在电磁力的作用下运动, 芯轴与阀体间形成流量控制口, 气流经流量控制口后从阀体出口流出 (如图1所示) , 电磁铁断电后芯轴在复位弹簧的推力下回到原位, 气流通路被截断, 阀体关闭。芯轴在电磁力和复位弹簧推力的作用下可在阀体内进行轴向来回运动, 阀体与电磁铁配合以实现打开和关闭阀门气路的功能。

2 结构设计

已知工作气体密度为1.79kg·m-3 (二氧化碳气体) , 压强10×106Pa。设计流量为0.250±0.01kg·s-1, 压力损失不大于0.5×106Pa。

2.1 流量计算

阀体内部流量控制口可看成薄壁孔, 根据不可压缩流体伯努利方程和流量方程, 分别见公式 (1) 、公式 (2) , 通过转换可得到阀体流量控制口截面积计算公式。

式中:hi———入口位置水头, m;ho———出口位置水头, m;hw———损失的水头, m;Pi———入口绝对压力;Pa;Po———出口绝对压力;Pa;Vi———流体在入口的流速, m·s-1;Vo———流体在出口的流速, m·s-1;ρi———流体在入口的密度, kg·m-3;ρo———流体在出口的密度, kg·m-3;Q———流体秒流量, m3·s-1;A———流量控制口面积, m2。

假设ρi=ρo=ρ, 则有令ΔP=Pi-Po, 一般情况下阀体开启瞬间入口流速 (Vi) 趋近于0, 设流量系数为KA:

流量系数与流道长径比、雷诺数 (Re) 、流体粘性、流场特征速度、壁面摩擦力以及流道内部结构等因素有关, 由于结构较复杂, 取初始流量系数KA=0.5, 工作压力为10MPa, 设出口处压力为0MPa, 则ΔP=10MPa, 将数值代入公式 (3) 计算可以得到阀体流量控制口截面积参考值A=85.4mm2。

2.2 阀体结构设计

根据阀体通径要求、流量控制口参考截面积值 (A) 、阀体强度要求等因素, 完成阀体结构设计, 阀体结构主要尺寸如图1所示。图示位置芯轴处于中间位置, 阀体气路导通, 芯轴向左运动流量控制口逐渐增大, 当芯轴向左运动2.7mm后, 流量控制口截面积达到最大125.7mm2, 由于电磁铁给芯轴提供开启电磁力, 气隙越小对电磁铁越有利, 因此对于决定芯轴开启行程的原则是满足气体流量和压力损失要求的前提下, 尽量减小芯轴开启行程值。

图1 阀体结构组成及主要尺寸

3 流体动力学仿真与结构优化

3.1 流体动力学仿真

抽取电磁阀流道结构模型, 将电磁阀流道结构模型导入ANSYS仿真软件, 利用Mesh模块划分CFD网格。

设定芯轴开启行程 (Lk) 分别为1.2mm、1.7mm、2.2mm、2.7mm、3.2mm、3.7mm, 抽取不同芯轴开启行程时流道模型并分别进行流体动力学仿真, 通过计算可知各开启行程下对应流量控制口截面积值见表1。

表1 阀芯开启行程与流量控制口截面积值对应表

用Fluent模块进行流体动力学仿真, 采用压力速度非耦合算法, 选取标准K-Epsilon二方程模型, 流体化学成分选择二氧化碳气体, 密度为1.79kg·m-3, 粘性系数为1.37×10-5kg· (m·s) -1, 入口气压设置为1.0×107Pa, 出口气压设置为0Pa, 湍动能值取和湍流耗散率值取默认值, 壁面粗糙度厚度取0.046, 壁面粗糙度常数取0.5, 进行模拟计算, 得到各开启行程时气体秒流量如图2所示。

图2 芯轴不同开启行程时二氧化碳秒流量仿真值

当开启行程为1.7mm时 (流量控制口截面积为理论参考截面积) , 气体秒流量为0.183kg·s-1, 小于流量设计值 (0.250kg·s-1) , 说明在计算流量控制口截面积时, 流量系数预设值偏大, 流道实际流量系数应小于0.5。

根据图2可以看出, 开启行程逐渐增大但小于2.7mm之前 (流量控制口随着开启行程的增大而增大) , 气体秒流量与芯轴开启行程成正相关。当开启行程超过2.7mm之后, 因为流量控制口截面积没有变化, 开启行程继续增大对气体秒流量没有明显影响, 流量保持在0.22kg·s-1。

对流道绝对压力场进行可视化处理后, 截取出、入口轴线所在平面, 选取绝对压力分布云图进行分析, 芯轴不同开启行程 (Lk) 时流场绝对压力分布云图如图3所示。

通过图3a可以看出, 当开启行程为1.2mm时, 气压为1.0×107Pa的二氧化碳气体从入口进入阀体, 在流过了环形流量控制口后, 绝对压力迅速降低到2.74×106Pa, 压力损失为7.26×106Pa, 不能满足压力损失要求。流量控制口截面前的流道空间出现大范围高静压, 这对阀体的强度和密封都是不利的, 说明流道阻力系数过大, 流道结构不够合理。

芯轴开启行程由1.2mm增加到2.7mm的过程中, 气体通过流量控制口截面后的压强逐渐升高, 芯轴开启行程为2.7mm时, 气体进入阀体后压强平缓下降, 没有出现大范围高静压现象, 通过流量控制口后的压强为6.70×106Pa~8.35×106Pa, 与流量控制口前端的平均压力相差小于0.5×106Pa。

由图3d~图3f可以看出, 当芯轴开启行程由2.7mm继续增大到3.2mm、3.7mm时, 流道空间继续增大, 但由于流量控制口截面积值没有改变, 因此流场绝对压力分布没有发生明显变化, 当芯轴行程超过2.7mm后继续增加没有实际意义。

通过仿真结果和分析, 确定芯轴开启行程为2.7mm, 可以基本满足流量控制要求和压力损失要求。

3.2 结构优化

根据设计指标要求, 电磁阀开启后气体流量为0.250±0.1kg·s-1, 芯轴开启行程为2.7mm的仿真流量计算结果为0.222kg·s-1, 为使流量增大到满足要求, 需对阀体结构进行适当优化。

将阀体内孔直径由原来的14mm增大至16mm, 将芯轴上球形直径由原来的20mm缩小至19mm, 将入口和出口内径由9mm增大到9.5mm, 然后重新对流场进行仿真计算, 得到气体秒流量为0.248kg·s-1, 达到流量设计要求。结构优化后的流场绝对压力分布云图如图4所示。

图3 芯轴不同开开启启行行程程时时电电磁阀流场绝对压力分布云图

图4 结构优化后流场绝对压力分布云图

从图4可以看出, 气流经过阀体流量控制口后气压没有发生明显降低, 没有出现大范围静压过高现象, 流场中压力变化均匀平缓。说明流道结构设计合理。

3.3 流量系数计算

根据公式 (1) 和公式 (2) 联立计算出理想状态下的气体流量, Q=0.237m3·s-1, 即0.424kg·s-1。用流量仿真计算结果代替实际流量值, 即QA=0.248kg·s-1, 则结构优化后的电磁阀流量系数KA=0.58, 相对于未优化前 (未优化前流量系数小于0.5) , 流量系数提高了16%。

4 结论

进行电磁阀阀体设计时, 可通过预先设定一个合理的流量系数, 计算得到流量控制口截面积参考值, 根据参考值建立阀体模型并抽取流道模型, 并进行流体动力学仿真, 根据仿真计算结果选取能够满足流量控制要求和压力损失要求的芯轴开启行程, 并对阀体结构进行优化设计, 可以得到了较为准确的流量控制阀体结构模型。通过流场仿真与理论计算相结合, 计算出阀体结构优化后的流量系数为0.58, 流量系数提高了16%。

高温电磁阀的改进设计及应用

0 引言

高温电磁阀广泛应用于船舶重工、测试设备、加热设备、液压设备等领域,工作温度在300℃以上的导热系统中。加热装置、工业炉窑、高温吹灰、干燥设备、钢铁厂、热电厂、纺织印染、石油化工、化工设备、暖通空调、涂装设备、制药机械、电镀涂装等控制系统,如发电厂抽气管道排水系统和蒸汽的排气系统中。在工业生产中,对蒸汽、导热油等进行自动控制既是生产工艺的需要,更是节能之必需。多年来,蒸汽、导热油等高温电磁阀由于存在这样那样的质量问题,不仅造成了严重的经济损失,还妨碍了生产的进行。故对阀门进行改进优化及如何应用和选型做分析,以满足各生产线的需求。

1 设计

针对高温电磁阀在自动控制系统中常常使用不久就出现咬住卡死、启闭失灵等性能不稳定的现象。在现场发现:实际上在加热循环系统时,为确保温度的稳定,高温电磁阀的运行频率高,以使阀芯和阀体内腔孔壁摩擦较严重,有纵向伤痕、外圆尺寸减小的缺陷。由于频繁的启闭,导致出现泄漏现象。分析原因发现:以导热油为热载体,利用热油循环泵强制液相循环,在闭路强制循环的系统中实际上阀的前后压差几乎为零。如选用先导式电磁阀,当阀前后压差小于接近临界压差时,更会出现不正常的频繁动作,加快阀芯磨损。针对不同的情况可有两种结构选择。对压力高且具有一定压差的生产线采用ZCG-1系列先导式电磁阀、一般情况均采用ZCG-2分步直动式电磁阀。从设计方面进行研究,设置迷宫槽,加强表面处理,增加补偿结构等。

1)旋盖和阀芯部件配合间隙配合。首先在设计过程中对阀体旋盖和阀芯之间的配合进行充分的研究和论证之后,通过用户实地试用来验证设计的数据,确定最佳的配合间隙,以达到电磁阀在常温和高温下动作正常无误,满足电磁阀寿命要求。

2)在阀芯外圆的中部增设迷宫密封结构,见图1,由于介质自通道流入槽腔后突然扩大,以及介质槽腔流出进入通道时突然缩小,使阻力急剧增大。一连串的大阻力迫使泄漏急剧下降。

3)对阀芯进行表面处理,提高表面硬度,使阀芯与旋盖的配合面硬度不一样。为使表面粗糙度达到镜面要求并对阀芯的外表面进行精密磨削,从而保证了阀芯和阀体孔腔的配合精度,以减少阀芯在阀腔上下移动摩擦阻力,防止在高温下频繁工作而卡住,使阀门启闭更加灵活。表面处理后可提高阀芯外圆的硬度、增强耐磨性和耐腐蚀性、延长阀门使用寿命。

图1 迷宫槽结构Fig.1 The labyrinth sealing structure
图2 复位结构Fig.2 Reset structures
图3 补偿结构Fig.3 Structure of compensation

4)旋盖与阀体分离。即电磁阀的阀体与旋盖分离,解决电磁阀的阀体在使用过程中长期磨损而需要更换,造成维修不便而且增加成本等问题,采用分离结构可实现快速维修。延长了阀体的使用寿命,可以保证阀体长期不换的技术要求。

5)增加复位装置。分步直动式电磁阀多数采用空程开启,靠阀芯自重关闭阀门,这样压差前后为零,且在阀后压力闭合的情况下,对关阀的相应时间有一定的影响,动铁芯内阀杆上部加弹簧复位,可使动作更加可靠,见图2。

6)增加补偿结构。先导式电磁阀的阀芯外表面增设密封用沟槽,见图3。在沟槽里安装弹性环和弹性密封环。弹性密封环采用既耐高温又耐磨的材料改性聚四氟乙稀制成,镶嵌在阀芯沟槽里,利用弹性环的张力可以消除活塞间隙。因阀门在正常运行中阀芯总是在不断地上下滑动,阀芯和阀体磨损之间间隙增大,利用弹性环和弹性密封环涨力的作用,可补偿主阀的磨损,从而保证阀门长期使用不会产生故障。

2 生产过程控制

解决高温高压电磁阀可靠性和维修性问题,除了在设计方面考虑合理结构和适宜材质外,还要在制造工艺、检验过程中对其重要性关键件实施生产过程控制。高温高压电磁阀的加工关键过程和特殊过程包括表面处理、焊接及精加工等方面。

1)旋盖、阀塞及阀体的精加工,是电磁阀的关键件。其关键点是旋盖内孔、阀塞外圆尺寸及密封面粗糙度。阀塞的表面处理被定为关键工艺过程。由于阀塞表面硬度高,尺寸精度高,易变形,因此有必要对阀塞表面处理进行筛选。对关键件还要采取工序能力分析,落实人员、设备,定点、定期进行检查,采集数据统计分析,以确保零件的加工质量。

2)电磁阀的焊接部位有阀盖与隔磁管、隔磁管与定铁芯的焊接,将原来的自熔焊改为填丝焊接,增加焊接强度,防止疲劳开裂。焊后进行耐压强度试验和气密性检验,确保焊接质量。

3)高温电磁阀的密封件一般都采用硬密封,为保证密封性能达到规定要求,必须对阀座密封面和阀芯密封件进行研磨。阀塞、阀座密封面采用配对研磨工艺,更能使密封面的粗糙度值达0.2μm以上。

3 维护保养

在使用高温蒸汽电磁阀产品的时候,还需要注意电磁阀的安装问题和工作环境条件:温度、压力等。正常使用期间的维护保养对保证蒸汽电磁阀产品的正常工作也很重要。

1)安装前,应仔细阅读本产品使用说明书,检查所装产品是否完全符合使用要求。建议使用单位派专人负责使用保养。

2)安装前必须将管道及附件充分冲洗,为的是把管道中金属削末、残留生料带、锈垢等杂质彻底清除。对于不清洁介质,阀前要安装过滤器。

3)安装时要防止蒸汽冷凝水、杂质等沉积在阀内,注意不能将阀安装于管道最低处,以免影响动作。

4)为确保电磁阀正常投入使用,安装后需通入介质试动作数次,方可正式使用。

5)工作时,要注意阀门前后工作压力,最大工作压力不能超过公称压力,当需要最小工作压差时,管路工作压差也必须大于最小压差,防止电磁阀动作失灵。当工作压力超过公称压力或最大工作压力时,系统要停止使用或降低工作压力。

6)平时维护时应定期清洗阀内的污物。如旋盖和阀塞的配合面间、静铁芯和动铁芯吸合面,注意不要损坏密封面。

7)高温电磁阀介质为导热油时,当从管路上卸下时,应用CCL4将阀内件清洗干净并用压缩空气吹净储存。拆洗时各零件要按顺序放好再恢复原状装好。

8)高温电磁阀每次重新启用时应先将蒸汽冷凝水和气体等排除干净,再试动作数次,待动作正常后方可投入使用。当导热油用电磁阀长期停用时,前后手动阀都应关闭。

4 结论

通过设计、制造、维护等方面进行研究分析和改进。有效地解决了高温电磁阀动作不灵敏,出现卡死、关不住的现象。阀芯和导套间巧妙地设计和处理,提高了光滑效果,减少了磨损, 延长了使用寿命,适应介质温度的变化和频繁的工作。能使该阀在整个系统工作上有较高的可靠性、安全性。

真空断路器电磁阀设计

1 概述

二位三通电磁阀是真空断路器关键气密性元件, 安装于真空断路器储风缸与传动气缸之间, 主要作用是控制真空断路器气路快速通断, 从而实现真空断路器的合闸操作。

二位三通电磁阀主要由壳体、阀芯、先导阀、线圈等组成, 其主要技术参数如下:

2 电磁阀设计

二位三通电磁阀的可靠性能直接影响到真空断路器可靠动作, 从而影响轨道交通车辆安全运行。其设计应从以下几个方面进行考虑:

1) 电磁阀要求动作可靠, 不允许出现不动作、误动作的情况。

2) 高、低温性能好, 能够适应轨道交通车辆使用环境, 工作环境温度-40~85℃。

3) 机械寿命长, 能够满足真空断路器机械寿命要求, 动作次数≥30万次。

4) 电磁阀各部件组装牢固, 能够承受轨道交通车辆冲击振动要求 (GB/T 21563—2008的Ⅰ类B级) 。因此, 电磁阀壳体采用整体螺纹连接结构, 从而改善了电磁阀先导阀可靠性连接。

2.1 工作原理

电磁阀线圈得电时, 电磁阀先导阀芯组件在电磁力作用下迅速向上运动, 先导密封口关闭;同时先导阀口打开, 进气腔内气体进入电磁阀后腔, 主阀芯在后腔与进气腔的气压差作用下运动, 使电磁阀阀口打开, 如图1 (a) 所示。压缩气体经电磁阀口进入到真空断路器传动气缸, 推动断路器活塞运动, 从而实现真空断路器合闸操作。

电磁阀断电时, 先导阀芯组件在弹簧力作用下, 迅速复位, 关闭先导阀口;同时打开先导密封口, 后腔气体次通过先导密封口和先导口排到大气中, 因后腔气压消失, 进气腔内的气体产生进气口的气压力, 推动主阀芯进气口方向复位, 阀口关闭, 如图1 (b) 所示。

图1 电磁阀工作原理示意图

1—后腔;2—主阀芯O型橡胶圈;3—端盖O型橡胶圈;4—通道2;5—通道1;6—线圈;7—先导口;8—先导密封口;9—先导阀芯组件;10—先导阀口;11—进气腔;12—排气端盖O型橡胶圈;13—阀口;14—主阀芯;15—排气口;16—出气腔。

2.2 设计方案

二位三通电磁阀与一般通用电磁阀相比较, 结构基本相同, 但由于其应用于轨道交通车辆, 对应用环境, 特别是对高、低温性能具有严格要求。因此在各零部件材料选型、结构设计、制造工艺和产品等方面具有独特的性能。

2.2.1 电磁阀线圈设计方案

电磁阀线圈为电磁阀关键部件, 主要功能是在通电状态下产生电磁力, 吸合电磁阀先导阀芯, 从而打开电磁阀先导阀口, 实现真空断路器风缸通风。

1) 电磁阀线圈安匝数要求。

在相同输入电流条件下, 要求电磁阀线圈产生更多磁通量, 从而产生足够吸合力, 吸合电磁阀先导阀芯组件。

2) 材料要求。

线圈采用高质量、耐温等级H级的漆包线和热变形温度更高的热固性封包材料。

3) 磁轭要求。

线圈绕组外围的厚金属增大线圈的磁通密度, 以提升线圈的功率。

4) 外罩技术要求。

线圈内置于含有玻璃纤维成分的热固性封包材料中, 从而为线圈提供机械强度优异 (热变形温度>260℃) 、高电气强度、耐热性 (H级) 、耐腐蚀、阻燃性 (UL 94 V-0) 且可长时间暴露于室外的坚固可靠外罩。

5) 散热要求。

线圈并未采用传统热塑线圈外露金属框架的外部冷却方法, 而是通过导热性能优异的热固性封包材料本身均匀传导散热。除此以外, 线圈还通过使用大线圈降低发热, 线圈发热量低不仅可以提升电磁力, 还可以延长线圈寿命。

2.2.2 先导阀芯设计方案

先导阀芯密封件是二位三通电磁阀最关键的零件。它对产品在高低温 (-40~85℃) 环境情况下能否正常工作和无故障可靠性至关重要。因此, 对材料提出相关的性能要求, 经产品性能测试和型式试验考核, 研发生产出完全能满足产品功能性和可靠性要求的先导阀芯密封件材料和结构。该密封件具有以下特点:

1) 工作环境温度范围大。在满足产品高低温密封性以及正常功能的前提下, 工作环境温度范围为-40~85℃。

2) 工艺性好。新研发材料对于零件制作和产品装试的工艺性比以前更便捷。在保证产品密封性和功能性的前提下, 降低了工艺难度。

2.2.3 密封件设计方案

由于要满足在-40℃正常工作、-50℃贮存的要求, 产品其它橡胶密封件材料的选择也是至关重要的。在二位三通电磁阀研发和生产的过程中, 根据不同材料密封件对比试验结果, 最终选择了最佳密封效果的橡胶密封件材质。

对于产品的一般零件, 选择符合GB、ISO、EN、DIN标准的材料。

3 计算说明

O型橡胶圈、密封片为电磁阀关键密封元件, 其设计直接影响电磁阀气密性能, 因此, O型橡胶圈密封压缩量、密封片挤压量的计算为电磁阀设计的关键内容。

3.1 排气端O型橡胶圈密封压缩量计算

排气端O型橡胶圈为径向密封。壳体排气口所装O型橡胶圈直径d1为550+0.12mm, 排气端盖所装O型橡胶圈直径d2为50.60+0.074mm。根据GB/T3542.3—2005对O型圈密封沟槽尺寸要求, 确定O型橡胶圈截面直径为2.65 mm。

密封压缩量t=2.65±0.09- (d1/2-d2/2) , 则tmax=0.577 mm, tmin=0.3 mm。

压缩率:ρmax= (0.577/2.65) ×100%=21.8%, ρmin= (0.3/2.65) ×100%=11.3%, 均大于设计经验值8%。

3.2 端盖O型橡胶圈密封压缩量计算

端盖O型橡胶圈为径向密封。壳体此处所装O型橡胶圈直径d3为420+0.1mm, 端盖装O型橡胶圈直径d4为37.6+00.1mm, O型橡胶圈截面直径2.65 mm。

密封压缩量t=2.65±0.09- (d3/2-d4/2) , 则tmax=0.59 mm, tmin=0.31 mm。

压缩率:ρmax= (0.59/2.65) ×100%=22.3%, ρmin= (0.31/2.65) ×100%=11.7%, 均大于设计经验值8%。

3.3 主阀芯内O型橡胶圈密封压缩量计算

主阀芯内装O型橡胶圈凸台高h为 (1±0.05) mm, O型橡胶圈直径d5为1.3 mm, 密封压缩量t=d5±0.08-h, 则tmax=0.43 mm, tmin=0.17 mm。

压缩率:ρmax= (0.43/1.3) ×100%=33.1%, ρmin= (0.17/1.3) ×100%=13.1%, 均大于设计经验值8%。

3.4 密封片内环橡胶挤压量计算

主阀芯装密封片的轴直径d6为12 mm, 密封片内径d7为 (11.2±0.16) mm。

径向挤压量t= (d6-d7) /2, 则tmax=0.53 mm, tmin=0.32 mm。

3.5 先导阀芯复位弹簧刚度计算

先导阀芯复位弹簧外径15 mm, 钢丝直径0.9 mm, 自由长17 mm, 有效圈数3, 材料0Cr18Ni9。

弹簧刚度基本计算公式为:

式中:G—切变模量, MPa;d—材料直径, mm;n—有效圈数;D—弹簧中径, mm。

材料0Cr18Ni9的切变模量G取71 GPa, 不计弹簧尺寸误差, 按名义值计算。

弹簧中径D=弹簧外径-钢丝直径=15-0.9=14.1 mm。

弹簧刚度K=Gd4/8n D3=71×103×0.94/ (8×3×14.13) =0.69 N/mm。

3.6 壳体强度校核计算

1) 壳体极限厚度δ=0.539 mm, 等效直径Dk=8.5 mm;材料2A12屈服强度σb≥440 MPa;产品最大工作压力1.0 MPa, 最大耐受压力P0≥1.5 MPa (按行业通用标准, 最大工作压力的1.5倍取值) 。壳体极限厚度处产生的最大拉应力σ=DkP0/δ=23.7 MPa。

2) 产品最大等效直径为32 mm, 相对的最薄壁厚度δ1≥0.539 mm, σ1=DkP0/δ1=89 MPa。

3) 最小安全系数:H=σb/σ1≈4.9>1.5 (设计经验值) 。

4 结束语

在电磁阀基本设计思路的基础上, 对电磁阀关键零部件具体技术参数进行校核计算, 确保电磁阀具有足够的设计安全裕量。电磁阀应用于HXD1系列机车真空断路器, 广泛应用在高海拔、高温、低温环境, 验证了电磁阀可靠性能。

某型二位三通电磁阀测试系统的设计

0引言

为了提高飞机操纵系统的可靠性,飞机副翼、水平尾翼操纵系统可以实现人力与液压,主系统与助力系统供压的自动转换。飞机助力器电磁阀是飞机副翼、平尾操纵系统的组成附件,主要是为副翼操纵的人力与液压操纵、平尾操纵的主液压系统与助力液压系统的转换而设置的。若助力器电磁阀出现卡滞,转换“悬挂”或者漏油等问题,平尾、副翼操纵系统的状态转换就不能正常工作,严重会导致飞行事故。某型飞机助力器电磁阀测试系统就是根据助力器电磁阀的工作特点,按照《附件使用说明书》和《飞机附件修理标准》而设计的。该系统是采用计算机控制、电磁阀工作状态监控和电磁阀各种参数采集处理等技术的综合测试设备。其功能是对某型飞机操纵系统助力器电磁阀进行实时检测,还可扩展到不同型号助力器电磁阀的性能检测。

1助力器电磁阀工作原理与检测内容

1. 1工作原理

该型飞机助力器电磁阀构造如图1所示。

它主要由壳体、配油柱塞、活塞、控制柱塞、弓形架、活动铁芯、固定铁芯、电磁线圈和断电器等组成。 壳体上有三个接头,接头a通高压,接头b通油箱,接头c通飞机液压助力器。

当左边线圈通电时,活动铁芯左移,推动控制柱塞到左极限,配油柱塞右侧与回油路沟通,配油柱塞左侧在弹簧作用下,推动配油柱塞右移到右极限,使接头a与接头c沟通,高压油液通往助力器,操纵系统为液压助力操纵。

当右边线圈通电时,活动铁芯右移,拉动控制柱塞到右极限,配油柱塞右侧与来油路沟通,配油柱塞右侧在油液压力作用下,克服左侧弹簧力,推动配油柱塞左移到左极限,使接头a关闭,同时使接头c与接头b沟通,操纵系统转为人力直接操纵。

1. 2检测内容

根据该型飞机助力器电磁阀的工作特点与使用技术标准,其性能测试内容如下。

1) 密封性试验。堵住接头c,将接头b与回油路沟通,向接头a加315kg /cm2的液压,接通和断开电磁铁,各保持6min,各接合处不得漏油。

堵住接头c,向接头a、接头b同时加135kg /cm2的液压,断开电磁铁,保持6min,各接合处不得漏油。

2) 工作性能试验。向接头a加20kg / cm2的液压,使电磁阀右边线圈通电,出口压力不指示; 使左边线圈通电时,接头c出口压力等于接头a进口压力。重复试验3 ~ 5次。

图1助力器电磁阀构造

向接头a加210kg /cm2的液压,将回油压力调至30 ± 5kg / cm2,转换接通电磁阀3 ~ 5次,分油活门应准确地协同工作,动作筒的活塞杆应均匀地收进或伸出,无阻滞现象。

3) 内部漏油量试验。工作油液温度20 ± 10℃ ,堵住接头c,向接头a加210kg /cm2的液压,分别接通两个线圈,在附件协同工作后经1min开始测量接头b的漏油量,3min均不得超过50cm3。

2测试系统的组成和工作原理

本测试系统为模拟被测附件真实工作环境,以便对其性能参数进行准确的测量,设计的测试系统主要由液压系统、计算机控制系统和测控软件三部分组成。

2. 1液压系统原理

液压系统组成与原理如图2所示,主要由油箱、液压泵、油滤、蓄压器、溢流阀、手动开关、压力表、压力调节阀、被测件及动作筒等组成。其功能是为系统进行试验工况的建立与转换,测试过程中,被测件a、b、c三个油口进出油的控制。同时利用D/I、D/O板采集油滤工作状态( 报警) 和温度传感器工作状态( 超温) 数据,并及时进行控制。被测的助力器电磁阀所需压力、流量由液压系统中的溢流阀、压力调节阀、备压电动阀以及压力、流量传感器通过工控机的D/O、D/A、 A / D板进行设定、调节以及测量记录。为了方便测量附件内部漏油量,在封闭回油路时,运用张线传感器感受压力的微小变化,从而反映漏油量大小。

为了检测被测件工作状态转换的平稳性,运用备压电动阀和被测件配合工作,控制动作筒的伸出与缩回,通过观察动作筒运动的平稳性,反映被测件状态转换的平稳性。为了在不同测量状态下,控制多条回油路流量,在系统中多处设置了限流活门和流量传感器。

图2液压系统原理

1.油箱2.液压泵3、23、24.油滤4.蓄压器5.溢流阀6.手动开关7、10、12.压力表及传感器2、8.温度传感器9.压力调节阀11.被测件13.备压电动阀14、15、22.限流活门16.动作筒3、17.单向活门18、19、20.流量传感器21.张线式传感器

2. 2计算机控制原理

计算机控制系统主要由数据采集输入部分、工控机、数据转换输出部分,以及相关电源设备等组成。 数据采集输入部分由压力、流量传感器、温度传感器、 数模信号转换板、开关信号转换板、计时/计数器,以及对应的连接测试电路等组成。数据转换输出部分由多路DIDO板、数模转化板、接线端子板以及各类电磁阀、油泵电动机、油温调节等附件的电磁部分,以及连接转换电路组成。工控机连接有键盘、鼠标及打印设备,内部设有测控软件,可以激发数模转换板进行工作。工作时,测控软件按照预定方案,完成助力器电磁阀各种状态的转换,完成电磁阀各种数据的采集、转换、调节和输出。测试数据可以及时反应在测试台的显示设备上,必要时可以打印分析。

测控软件是在Windows 7系统下运行,运用Visu- al Studio 2013软件开发而成,其软件界面简洁,便于操纵。助力器电磁阀各种状态转化通过表格菜单形式展现,通过鼠标点击即可完成切换,同时各种状态测试结果通过表格形式展现在界面另一侧,有打印按钮可以打印测试结果,便于用户分析保存。计算机控制系统原理如图3所示。

图3计算机控制系统原理 3主要解决的技术问题

3. 1系统压力与流量控制方案

根据军用飞机各类电磁阀《使用说明书》和《附件修理标准》及相关测试要求:

在特定压力、流量条件下,对助力器电磁阀密封性能、工作性能等参数进行测试。通过工控机作为控制器,运用测控软件按照预定变化规律,控制压力传感器和压力调节阀工作,实现助力器电磁阀的压力参数PID控制; 控制流量传感器和溢流阀的工作,实现助力器电磁阀的流量参数PID控制。

3. 2液压系统采用液压集成技术

根据部队助力器电磁阀检测频率高的特点,要求助力器电磁阀的测试装置便于移动、便于检修。本测试系统通过集成液压油路块将液压元件安装在油路块的各个面上,液压元件可采用板式安装、插装式安装,如回油滤、单向阀、节流器和压力调节阀组成回油液压集成块。通过这种方式实现了测试装置轻便、维修性好的要求。

4结语

该测试系统自2011年交付飞机修理厂以来,已修复10批50余件( 套) 产品。经过试验、使用证明,该测试系统具有自动与手动转换方便、测试结果精确、 安全性能好、移动轻便等特点,解决了工厂现有的测试装置测试效率低,容易污染、损坏被测件等问题。

该测试系统在部队、修理厂推广使用,对提高助力器电磁阀附件的修理效率、保证附件维修的安全和缩短飞机的返厂大修时间有着重要意义。

高压电磁阀国产化研究

一、前言

CZS-100/15型高压空压机是合肥通用机械研究院20世纪90年代研制的新型船用高压空气压缩机, 2000年通过鉴定, 随即进入小批生产, 现已有几十台投入使用。该型机噪声低、振动小, 自动化控制水平高, 较以往传统的船用高压空压机增加有自动、定时排污系统, 大大减轻了设备操作的劳动强度。该机的自动排污系统中的排污电磁阀选用的是德国进口产品。

在之前几台船用高压空压机与样机一样使用的是进口电磁阀, 工作情况良好。2004年船厂在安装高压空压机组时不慎将其中两只电磁阀碰坏, 经勘验, 需更换线圈和整流器等。经多方协助联系, 外商不愿提供该电磁阀的任何配件, 整阀供货周期要在3个月以上。为了不影响进度, 用原采购多余的备件换下了损坏的电磁阀。

为了改变该电磁阀以及电磁阀配件供货渠道不畅的局面, 必须对该电磁阀进行国产化。经过努力, 于2006年上半年, 完成了对该阀的国产化。试验和近些年长期使用情况表明, 国产化阀工作良好, 性能稳定可靠, 完全可以取代进口电磁阀。

二、国产化过程

1. 压缩机排污系统设计

CZS-100/15型高压空压机采用四级压缩, 对应有四级排污, 排污系统包括液气分离器、过滤器、电磁阀和气动阀组成。整个过程分四级压缩、冷却、分离和排污, Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级由电磁阀直接排污, Ⅳ级间接通过Ⅲ级压缩空气控制高压气动阀排污, 前3级电磁阀选用同规格电磁阀 (最高压力可以达到10MPa) , 可以保证各压缩机的排污电磁阀有良好的通用性和互换性。

2. 电磁阀结构

排污系统三只电磁阀结构一样, 是一种先导式电磁阀, 靠系统本身的压力来控制电磁阀的开启, 实现电磁阀的高压控制 (见图1) , 这种阀在国内很少见到, 以往国内高压压缩机上用的也很少, 电磁阀主阀采用平面密封, 其优点在于密封面容易修复, 一旦有杂质滞留可以方便清洗, 排污设计用常开式避免电磁阀打不开现象, 在电磁阀暂时关闭不严时可以临时手动进行排污, 这是一种十分科学的设计方法。

3. 电磁阀工作原理

该电磁阀实际上是一电磁控制阀和一气动排污阀的组合体。由电磁控制阀来控制气动排污阀的开启和关闭, 以实现压缩机的排污和升压工作。

当电磁阀通电时, 电磁力推动控制阀芯压向控制阀座, 实现二者之间密封, 这时有压缩气体通过气动阀芯上的一小孔进入气动阀芯的顶部, 在此形成高压, 推动气动阀芯压向气动阀座, 实现气动阀的关闭。

当电磁阀失电时, 电磁力消失, 气动阀芯顶部的高压气体推开控制阀芯而排出, 此时作用在气动阀芯底部的高压气体推动气动阀芯离开气动阀座, 电磁阀打开, 实现排污。

通过时间继电器控制电磁阀的通电与失电时间间隔和持续时间, 实现电磁阀的自动关闭和开启。

4. 电磁阀加工关键工艺分析和保证

对该电磁阀的国产化首先考虑到要和原进口电磁阀可以通用并保证其中的零部件可以相互更换, 所以其结构及零部件的外形及连接尺寸均与进口电磁阀保持一致。零部件可用性及可靠性通过组装成整阀后, 对整阀进行装机运转及可靠性试验来验证。

通过对该电磁阀结构和工作原理进行分析, 认为该电磁阀的设计及加工的关键在以下几点:

(1) 电磁阀线圈质量可靠电磁力是决定控制阀密封的关键, 而线圈的质量决定了电磁力的大小。为此我们选择了专业电磁阀生产厂进行合作, 经过大量的试验解决了该问题。

电磁力是决定控制阀密封的关键, 而线圈的质量决定了电磁力的大小。为此选择了专业电磁阀生产厂进行合作, 经过大量的试验解决了该问题。

式中F——电磁力; n——线圈匝数; I——电流; L——导线在垂直于磁场方向的长度; B——磁感应强度。 该电磁阀采用的是自流螺线管电磁铁, 经过一系列的推演, 该电磁阀的电磁力的计算式为:

式中μ——真空磁导率, 取值4π×10Wb/A·m; S——磁路截面积; N——线圈匝数; I——电流; Kf——漏磁系数; δ——气隙长度。

由上式可以看出:在外加电压一定的情况下, 要增大电磁力可以通过增加线圈匝数来实现。减小绕线电阻或减小铁心行程均可提高电磁力。同样还可以优化磁路结构, 减少磁路漏磁系数, 由于该方法没有考虑磁性材料的饱和性, 所以对具体结构而言, 当漏磁系数取的较小而计算得到较大的电磁力, 会出现与实际相差较大的情况。一般取Kf=1.2~5。事实上, 受电磁铁铁心饱和的影响, 要加大电磁力必须加大铁心面积。增加电流也可以增加电磁力, 但这样的方法比较危险, 因为会导致线圈发热严重, 容易烧毁, 而且通过的电流用于电磁力的部分比例减少。

由于影响电磁力的因素较多, 在线圈的选择或制造过程中, 必须通过大量的试验来确定。本电磁阀的线圈是通过整体电磁阀装机试验来验证的。

由此可见, 在保证控制阀可靠密封的情况下, 电磁力越小越好, 这对控制阀的密封结构也提出了特殊要求。

(2) 控制阀的密封可靠只有控制阀完全关闭并密封, 气动阀才能完全关闭, 否则电磁阀会出现关闭不严的现象, 压缩机不能正常工作。为了保证控制阀可靠密封, 控制阀芯采用镶嵌聚四氟乙烯, 另外将控制阀座通孔做的较小 (φ2.5mm) , 阀座密封面带有坡口, 使该处密封较容易实现。

(3) 气动排污阀的密封可靠气动阀自身的密封是保证电磁阀能完全关闭的根本。为了使其密封可靠, 气动阀阀芯的密封面采用聚四氟乙烯, 阀座采用窄型平面密封, 阀座做成两体, 平面密封部分采用精磨加工。为了保证阀芯和阀座对中同轴, 在阀芯底部装一导向杆, 使其密封更加可靠。

(4) 控制气体进、排气孔的正确匹配气动阀阀芯和阀座之间的密封和脱离是由作用在气动阀阀芯顶部和底部的气体力实现的。作用在阀芯顶端的气体是通过气动阀芯上的一小孔流入的, 当控制阀关闭时, 该气体压力增加, 推动气动阀芯压向阀座实现密封;当控制阀打开时, 气体压力释放, 底部气体力推动阀芯脱离阀座, 电磁阀打开。由此可见, 控制阀座的通径一定要大于气动阀阀芯上的流入小孔的通径, 才能保证气动阀打开, 又由于结构尺寸所限和密封结构可靠性要求, 两通径尺寸要有良好的匹配。本电磁阀控制气体进气孔为φ1mm, 排气孔为φ2.5mm。经过试验是合适的。

(5) 阀体的加工阀体加工的主要技术要求是保证气动阀座的装配孔、气动阀芯的滑道以及控制阀座的装配孔同轴, 这可以通过一次找正钻孔来完成。尖锐处一定要倒角。另外每一个件均要去除毛刺。

(6) 各连接处的可靠密封因为该阀工作温度不高 (<100℃) , 为了保证密封可靠, 内部各连接处均采用耐油O形圈密封。

(7) 电磁阀的装配电磁阀装配前, 一定要对各零件进行清洗, 特别是清除毛刺;O形圈装配时一定要谨慎小心, 保证不被损坏;在阀芯滑道壁面涂润滑脂或其他润滑剂。

5. 试验验证

2006年3~6月, 对国产的电磁阀进行装配, 在CZS-100/15样机上进行了装机试验, 经过空压机累计100多小时运转考核, 国产高压电磁阀使用情况良好, 电磁阀排污正常。

对使用的船高压空压机的一只电磁阀更换了国产线圈, 现工作状况良好。

在2006年多台CZS-100/15高压空压机上, 使用了国产化电磁阀, 在调试过程中工作情况良好, 其中一台由于测油耗运行了大约60h, 另外两台也都运行了逾30h。运行过程中偶尔出现了电磁阀关闭不严现象, 都是由于阀密封面脏或有损所致, 更换密封面后, 工作正常。

2009年后在CZS-100/15高压空压机都使用了国产电磁阀, 至今工作状况良好。

在某船上的3台高压空压机也都使用了国产电磁阀, 在试验室调试以及在船上开始使用时工作情况良好, 但由于高压空压机系统及电控部分的设计问题以及使用操作不当造成系统杂污过多, 导致阀前过滤器被堵, 不能实现排污, 或电磁阀密封面脏而使电磁阀关闭不严。后来对阀前过滤器和电磁阀进行清洗并对排污系统进行了改进, 对用户进行了实操培训, 现工作状况良好。

试验和使用情况说明, 国产电磁阀可以满足高压空压机排污系统的需要, 完全可以取代进口电磁阀, 所以该电磁阀的国产化是成功的。

三、电磁阀国产化过程中出现的问题及解决

1. 控制阀动作不灵活

只有控制阀开关自如、灵敏可靠, 才能有效控制排污主阀打开或关闭, 实现定时排污, 保证压缩机正常工作。

在该阀国产化前期使用过程中, 有时出现电磁阀打开后, 关闭时密封不严。拆检后发现控制阀芯的导杆锈迹斑斑, 不能在铁心中自如滑动, 这是由于排污时有油、水等脏物随气一起进入导杆与铁心之间的间隙, 会使导杆产生锈蚀。

对控制阀部件结构进行改进 (见图2) , 在铁心的下部加一O形密封圈, 保证没有油、水等脏物进入导杆与铁心之间的间隙。从而达到控制阀芯在铁心中自如滑动, 保证了空压机排污可靠。

图2 控制阀部件结构改进前后对比

1.控制阀芯2.铁心3导杆4.复位弹簧

2. 整流二极管被击穿

该电磁阀为直流电磁阀, 220V交流电输入, 通过一桥式电路整流成20V直流作用于功率约30W的直流线圈上。通电后线圈产生电磁力作用到铁心上, 铁心带动控制阀芯推向阀座实现密封, 电磁阀关闭。

电磁阀失电的瞬间, 线圈上的电量要瞬时释放会产生峰值很高的反向电压, 该电压作用到整流二极管上有可能会击穿二极管。为此选用耐高压的二极管, 并对桥式整流电路进行了改进, 在桥式电路上与负载并联一型号P6KE600 CA的双向二极管, 用来释放上述峰值反向电压以保护整流二极管。很好地解决了整流二极管被击穿问题。

四、电磁阀使用注意事项

排污电磁阀质量再好, 如果使用不当, 也会产生故障, 甚至关闭不严或打不开, 使压缩机无法正常工作。根据CZS-100/15高压空压机排污电磁阀的结构特点和使用情况, 对该电磁阀的使用提出以下注意事项。

1) 压缩机排污系统设计合理。排污管路不得有堵塞;电磁阀前应装过滤器, 过滤精度要合适, 太高容易堵塞, 清洗频繁, 太低起不到过滤作用, 建议采用60~100目的滤网。

2) 压缩机电控系统设计合理可靠。压缩机每隔一段时间 (约30min) 排污一次, 排污持续时间15~30s;压缩机停机前必须排污卸载空转2~3min。

3) 电磁阀前的过滤器要经常进行清洗 (约每2月清洗一次) 。

4) 在船上不论压缩机运行与否, 建议每三个月对电磁阀维护保养一次, 对阀进行检测清洗, 更换损坏的密封件。

5) 在压缩机初次运行时, 要对电磁阀的工作情况进行检查, 有不正常者, 要对排污系统、控制电路和电磁阀本身进行检查。

五、结语

受设备安装及使用条件所限, 高压空压机电磁阀线圈故障较多, 密封面容易损坏, 配件甚至包括整阀进口渠道不畅, 为解决配件 (包括整阀) 及时供应, 对排污电磁阀进行国产化研制是必要的。

国产化研制的排污电磁阀, 在结构上完全借鉴了进口电磁阀的设计, 其连接尺寸和安装尺寸与进口阀完全一致, 并经过装机试验验证, 研制是成功的, CZS-100/15型高压空压机排污系统中可以采用国产电磁阀替代进口电磁阀。

在实际使用过程中, 出现的一些问题 (主要由于系统或使用不当造成) , 也都能得到及时解决。国产化电磁阀的正常工作可以得到保证。配件和整阀供货畅通及时。

排污电磁阀的寿命除了和电磁阀本身的设计制造质量有关外, 还和排污系统的设计以及日常使用维护情况密切相关。

电磁阀的原理及其在工程设计中的应用探讨

1 引言

电磁阀在工业生产中应用十分广泛, 在石油化学工业中尤为普遍。它既可用于水、空气和中性气体以及其它与电磁阀材质相适宜的气体、液体的开关控制 (二通) , 又可作为安全联锁保护系统中不可缺少的一部分 (三通、四通、五通) 。

电磁阀由电磁部件、阀体组成。电磁部件由固定铁芯、动铁芯、线圈等部件组成;阀体部分由滑阀芯、滑阀套、弹簧底座等组成。当线圈通电或断电时, 磁芯的运转将导致流体通过阀体或被切断, 以达到开关或改变流体方向的目的。在安全联锁保护系统中应用的电磁阀主要有二位三通、二位四通和二位五通, 二位的含义为:对于电磁阀来说是带电或失电, 对于所控制的阀来说就是打开或关闭。

二位三通电磁阀由阀体、阀罩、电磁组件、弹簧及密封结构等部件组成, 动铁芯底部的密封块借助弹簧的压力将阀体进气口关闭。得电时, 线圈励磁, 电磁铁吸合, 动铁芯上部带弹簧的密封块把排气口关闭, 气流从进气口进入阀门, 起到控制作用;失电时, 电磁力消失, 动铁芯在弹簧力作用下离开固定铁芯向下移动, 将排气口打开, 堵住进气口, 阀门因失气而改变开关状态。

二位四通和五通电磁阀的原理相同, 只是四通有1个排气口, 五通有2个排气口。它们的工作原理:当有电流通过线圈时, 产生励磁作用, 固定铁芯吸合动铁芯, 动铁芯带动滑阀芯并压缩弹簧, 改变了滑阀芯的位置, 从而改变了流体的方向;当线圈失电时, 依靠弹簧的弹力推动滑阀芯, 顶回动铁芯, 使流体按原来的方向流动。

下面结合蓝星100kt/a有机硅单体工程的联锁控制系统, 介绍电磁阀在该项目中的设计应用。

2 电磁阀的功耗及允许传输距离

在实际的设计应用中, 电磁阀有两种供电形式:220VAC或24VDC。如果选用220VAC供电形式, 因为供电电压高, 传输ag刷水|官方造成的电压降不会影响到电磁阀能否正常工作, 不必考虑ag刷水|官方电阻损失的电压, 所以可以远距离传输。如果电磁阀的供电电压为24VDC, 就必须根据电磁阀的最低工作电压来进行ag刷水|官方的最大允许长度计算。

如果24VDC供电电磁阀的最小工作电压为20V, 那么线路上的最大允许压降为4V。假设所选电磁阀的额定功率为12W, 采用二芯2.5mm2的聚氯乙烯绝缘护套控制ag刷水|官方, 从ag刷水|官方样本可以查到ag刷水|官方的最大直流电阻为7.41Ω/km, 由此可以计算出ag刷水|官方的最大允许长度如下:

(1) 电磁阀的工作电流

式中:I为电磁阀工作电流, A; P为电磁阀额定功率, W; V为电磁阀工作电压, V。

(2) 允许ag刷水|官方长度的计算

式中:R为ag刷水|官方电阻, Ω; Ll为ag刷水|官方单芯距离, km; L2为ag刷水|官方双芯距离, m。

综上所述, 对于大功率且供电电压为24VDC的电磁阀, 为了保证电磁阀在不低于正常工作电压 (假设为20VDC) 的条件下动作, 可以通过选用较粗线径ag刷水|官方 (2.5mm2) 来降低线路上的压降, 这样信号允许的传输距离可以到达约500m。

3 电磁阀的联锁控制

为了避免因电源故障而导致电磁阀在联锁发生时动作失败, 通常电磁阀都为常闭型 (NC) , 即正常时带电, 联锁动作时失电:另外还有一种为通用型 (可以连成常闭或常开的任意一种) 。

在实际应用中, 应根据工艺过程的安全保护需要, 确定哪种形式能够满足最安全的条件选用NC (常闭) 或通用。下面以该项目工程设计中电磁阀的应用实例进行说明。

3.1 电磁阀在气动切断阀参与联锁时的应用

图1应用在单作用气开式切断阀联锁时关闭及单作用气关式切断阀联锁时打开的场合。联锁过程:正常状态下, 电磁阀得电, 进气口1打开, 排气口2关闭, 气路1、3接通, 切断阀正常供气, 气开式切断阀打开, 气关式切断阀则为关闭;联锁状态下, 电磁阀失电, 进气口1关闭, 排气口2打开, 气路2, 3接通, 切断阀供气中断, 执行机构的弹簧复位, 气开式切断阀关闭, 气关式切断阀则为打开。

图1 二位三通常闭型电磁阀的应用

图2应用在单作用气开式切断阀联锁时打开及单作用气关式切断阀联锁时关闭的场合。联锁过程:正常状态下, 电磁阀得电, 进气口1关闭, 排气口2打开, 气路2、3接通, 切断阀不被供气, 气开式切断阀关闭, 气关式切断阀则为打开;联锁状态下, 电磁阀失电, 电磁阀进气口1打开, 排气口2关闭, 气路1、3接通, 切断阀供气, 气开式切断阀打开, 气关式切断阀则为关闭。

图2 二位三通通用型电磁阀的应用

由于通用型可以连成常开或常闭的任意一种, 而且价格差别不大, 所以为了方便起见, 可以将上述两种应用中的电磁阀均选为通用型。

如图3所示为二位五通单线圈电磁阀应用在切断阀执行机构为双作用气缸式的场合。

图3 二位五能单线电磁阀的应用

如果联锁发生时需要关闭切断阀, 则在正常操作时仪表空气走向为1-4, 切断阀B气缸进气, A气缸排气, 然后再经电磁阀2m3端口放空;当联锁发生时, 仪表空气走向为1-2, 切断阀A气缸进气, B气缸排气, 然后再经电磁阀4-5端口放空, 切断阀达到关闭的目的。

如果联锁发生时需要打开切断阀, 则在正常操作时仪表空气走向为1-2, 切断阀A气缸进气, B气缸排气, 然后再经电磁阀4-5端口放空;联锁发生时, 仪表空气走向为1-4, 切断阀B气缸进气, A气缸排气, 然后再经电磁阀2-3端口放空, 切断阀达到打开的目的。

如图4所示为二位五通双线圈电磁阀应用在切断阀执行机构为双作用气缸式的场合。

图4 二位五通双线圈电磁阀的应用

通常可以根据联锁要求通过切断阀执行机构A、B气缸的进气、排气达到阀门的通断, 但是在一些工艺要求电源故障保持阀位EFL (Electrical Failure Last) 的场合, 可以选用双线圈电磁阀来实现在电源故障情况下阀位的保持。此类电磁阀磁芯的运转所导致阀门的通断分别由两个线圈来完成, 故称为双线圈。

如图4所示, 当电磁阀线圈S1接收联锁信号1时仪表空气走向为1-4, 切断阀B气缸进气, A、B气缸排气, 然后再经电磁阀2-3端口放空, 切断阀达到打开的目的, 如果此时发生电源故障, 只要电磁阀线圈S2未收到联锁信号2, 切断阀依然保持打开位置, 直到S2接收到联锁信号2时, 仪表空气走向为1-2, 切断阀A气缸进气, B气缸排气, 然后再经电磁阀4-5端口放空, 切断阀达到关闭的目的。

总而言之, 双线圈电磁阀可以实现当电源故障时切断阀不会因为失电而动作, 仍然保持在电源故障前的位置, 在实际的设计应用中, 单线圈或双线圈电磁阀的选用必须根据工艺流程的需要, 满足联锁要求。

3.2 电磁阀在控制阀参与联锁时的应用

图5中2台电磁阀分别接收同一个工艺参数 (压力) 的不同值 (高和低) 引起的联锁信号。控制阀在正常状态下为打开状态, 电磁阀S1、S2都处于得电状态, 电磁阀S1进气口1关闭, 排气口2打开, 气路2、3接通, 电磁阀S2进气口1打开, 排气口2关闭, 气路1、3接通, 控制阀不被供气, 气关式控制阀打开;当电磁阀S1接收到联锁信号1 (压力低联锁) 时, 电磁阀S1失电, 此时由于联锁信号2 (压力高联锁) 不发生, 电磁阀S2仍处于得电状态, 电磁阀S2的进气口1打开, 排气口2关闭, 气路1、3接通, 电磁阀S2仍然为进气口1打开, 旁通口2关闭, 气路1, 3接通, 即电磁阀S1、S2的1-3均为通路, 控制阀由电气阀门定位器调节;当电磁阀S2接收到联锁信号2 (压力高联锁) 时, 电磁阀S2失电, 此时由于联锁信号1 (压力低联锁) 不发生, 电磁阀S1处于得电状态, 电磁阀S1的进气VI 1关闭, 排气口2打开, 气路2、3接通, 电磁阀S2的进气口1关闭, 排气口2打开, 气路2、3接通, 气关式控制阀关闭。

图5 双电磁阀的应用

4 电磁阀应用时的注意事项

在应用电磁阀的过程中, 电磁阀的故障将直接影响到切断阀或控制阀的动作, 常见的故障为电磁阀发生拒动现象, 遇到此类问题时, 应从以下几方面排查。

(1) 电磁阀接线头松动或线头脱落, 电磁阀不得电, 应紧固线头。

(2) 电磁阀线圈烧坏, 可拆下电磁阀的接线, 用万用表测量, 如果开路, 则电磁阀烧坏;可能因线圈受潮引起绝缘不好而漏磁, 造成线圈内电流过大而烧毁, 因此要防止雨水进入电磁阀。此外, 弹簧过硬、反作用力过大、线圈匝数太少、吸力不够也可使得线圈烧毁。

(3) 电磁阀卡住。电磁阀的滑阀套与阀芯的配合间隙很小 (小于8μm) , 一般都是单件装配, 当有机械杂质带人或润滑油太少时, 很容易卡住。可用钢丝从头部小孔插入, 使其弹回。根本的解决方法是将电磁阀拆下, 取出阀芯及阀芯套进行清洗, 使得阀芯在阀套内动作灵活。

此外在选用电磁阀时还应考虑温度、压力、防爆区域划分等。

总之在设计选用电磁阀时一方面应根据工艺的实际联锁保护需要, 另一方面还需从电磁阀的可靠性及经济性考虑。经济性必须建立在安全、适用、可靠的基础上, 经济性不单是考虑产品的售价, 更要优先考虑其功能和质量以及安装维修等费用, 是产品的性能价格比。

海水液压电磁阀的研制

引言

潜水器是运载科学家、工程技术人员和相关设备快速、准确地到达各种海洋复杂环境, 进行高效勘探、科学考察和水下作业的重要工具, 是开发利用海洋资源与战略价值的重要技术手段。浮力调节系统则是潜水器的重要组成部分, 用于补偿潜水器在上下过程中产生的剩余浮力, 确保潜水器在某一深度具有相对稳定的作业姿态。

目前海水液压浮力调节系统由于其结构简单, 环保安全、可靠性高等优点而被广泛采用, 其系统原理如图1所示。它由海水泵、海水电磁阀、海水溢流阀以及海水压力平衡阀等组成。

在该系统中, 有4个海水电磁阀组成桥路, 是控制海水注入或排出系统的交通枢纽。通过调节不同电磁阀通断电状态, 系统可完成两个功能:向深潜器水舱注水;将水舱中的海水排入到海洋。在这两个过程中, 潜器所受浮力几乎没有变化, 但其重量发生改变, 通过改变潜器浮力和重量的比重, 就可以调整潜器在海水中的位置。

本文首先对该阀的国内外现状及所面临的关键技术问题进行介绍, 重点则是介绍所研制的一种四合一的海水电磁阀。

1 国内外现状

丹麦Danfoss公司较早从事水压传动技术研究, 从1989年起开始与丹麦理工 (DTU) 合作, 并于1994年研制出Nessie系列轴向柱塞泵以及水压控制阀。其研制的插装式的三位四通水压电磁阀采用了先导式结构, 如图2所示。

该阀采用不锈钢和工程塑料, 流量有30 L/min和60 L/min, 最高工作压力为14 MPa。图3为该阀的流量与压力损失特性曲线。该阀为陆地上应用设计, 对水质要求很严 (过滤精度小于或等于10μm) ;压力损失大, 通过额定流量时的压力损失2.5 MPa;最低有效工作压力为0.5 MPa, 低压时 (小于1 MPa时) 实现不了完全密封;因此难以满足海水浮力调节装置的要求。

德国Hauhinco公司以生产煤矿液压元件而着称, 创建于1908年, 并具有100多年的悠久历史, 水压元件产品包括液压泵和阀。其生产的电磁截止阀采用直动球阀型, 如图4所示, 电磁铁的输出力通过杠杆机构放大直接驱动球形阀芯, 提高了可靠性, 降低了对水质的要求 (过滤精度要求25μm) 。目前该类型阀有三种规格, 即为:DN3、DN6和DN10, 流量分别为8 L/min、30 L/min和60 L/min。该阀的优势是压力高, 但造成的压力损失也很大, 额定流量时阀的损失甚至达到3~5 MPa。

德国GSR阀门技术公司是德国另外一家生产水压电磁阀的公司。图5为其生产的常闭型强制先导式电磁阀。在阀门入口与出口压差较小的情况下, 电磁线圈产生的电磁力足以提起主阀芯和先导阀芯等运动部件, 从而使得阀门开启;断电时, 弹簧把主阀芯和先导阀芯压在阀座上, 阀门关闭。该阀的先导式操作部件与主阀芯连接在一起, 在入口压力接近出口压力, 甚至压差为0时, 阀门也能正常操作, 从而提高了先导式电磁阀的可靠性和适用范围。

图6所示为德国Müller公司生产的M15型二位二通直动式同轴阀外观图与内部结构简图。该阀结构型式新颖独特, 选择合适的材料可以耐高温以及腐蚀等, 可靠性高, 环境适应性强, 且过阀口压力损失小。但不足的是, 当反向通流介质压力高于正向压力1.6 MPa以上时, 反向压力会克服弹簧力而打开阀门。

近几年来国内一些公司也在从事水压电磁开关阀的研发, 但相对于国外的研究其技术水平仍然存在着一定的差距, 如西安汇源阀门有限公司生产的水压电磁开关阀采用了直动式结构, 如图7所示。该阀工作压力为0~10 MPa, 流量为40 L/min, 可靠性与国外相比有较大差距, 突出表现在电-机械转换装置发热严重, 易失效, 阀口关闭不严, 如图7所示。

从上述分析可得, 现有电磁阀不适用于浮力调节特殊工况环境的原因主要有以下几个方面:

(1) 进出水口具有严格的方向要求, 即不能接反;

(2) 压力超过4 MPa时, 多采用先导结构, 存在最小工作压差, 装在泵入口严重影响吸入性能;

(3) 结构复杂, 对水质过滤精度要求高;

(4) 低压时阀口关闭不严, 存在泄漏等;

(5) 电磁-机械转换装置无密封、不耐压, 不能裸露于海洋环境。

2 插装式海水电磁阀

2.1 结构原理

所研制海水电磁阀外观如图8所示, 单个阀组件结构如图9所示。

该阀的主要特点为:

1) 采用直动式结构, 简单可靠, 拆装维护方便, 无对污染敏感的阻尼小孔, 抗污染能力强;采用插装阀结构, 压力损失小, 通流能力强, 响应迅速, 同时也很好地控制了泄漏。

2) 采用集成布置方式, 电磁阀组的四个电磁截止阀按桥路连接形式集成在一起, 结构紧凑, 体积小。

3) 每个电磁阀可以独立控制启闭动作, 通过电磁铁控制不同阀的开关, 可以完成三位四通阀的功能, 而且可以实现不同的中位机能。

4) 阀体和阀芯等零部件分别采用了高强度耐腐蚀的不锈钢材料以及工程塑料, 能承受内压和外压作用, 且能适应各种较恶劣的使用环境。

5) 阀芯采用压力平衡方式, 压力水作用在阀芯的上下两端, 不依靠进口或出口的压力作用在阀芯上, 形成所需的密封比压, 因而具有双向密封性能, 即该阀对进出口的方向性没有要求, 进出口可以任意切换, 且两个方向的各项性能基本相同, 适应海水浮力调节系统的特殊工况要求;同时采用压力平衡原理保证了在低压时的可靠密封。

6) 阀芯和阀座采用分体结构, 避免了整体结构安装时密封圈容易被阀体上的通孔切割的危险, 方便阀芯装入到阀套;同时阀座和阀套内孔径相同, 保证水介质正反向流动时阀芯所受液压力均可以平衡。

7) 电机械转换装置由密封罩密封, 使得该阀可以直接应用于海洋环境。

该阀的功能简图及进出水口编号的定义如图10所示。

2.2 实验

1) 密封实验

表1所示为海水电磁阀密封性能测试实验结果。可以看出, 对于A、B、C、D这4个阀, 当阀口压力为2.4 MPa时, 无论从正向口还是从反向口加压, 都能保证零泄漏, 从而克服了现有电磁阀对进出口有严格限制 (进口压力高压出口压力) 的问题, 从而满足了海水液压浮力调节系统特殊工况的要求。

表1 密封性能实验数据

2) 压力流量特性实验

表2所示为海水电磁阀的压力流量特性实验数据。

表2 电磁阀阀口压力流量特性实验数据

从表中数据可以看出:

(1) 每个阀口的压力损失特性不相同, 但均随着流量的增大而增大, 这是由于阀块设计中, 不同的流向会经过不同的流道, 流道的长短有差别, 并且经过的直角转弯数也不尽相同, 引起的沿程压力损失以及局部压力损失不一样。

(2) 有些流道路径长短不一样, 却有相同的压力损失, 这说明了, 在该结构中沿程压力损失在整个阀口压力损失中占的比重很小。

(3) 经过同一个阀口的正反向压力损失相差不大, 在误差允许范围内可以认为正反向压力损失相同。

阀口的压力流量特性曲线如图11所示。

2.3 吸入性能实验

图12所示为海水电磁阀的吸入性能实验原理图。首先在不安装被测阀的条件下, 测量在一定转速下泵的输出流量, 观察并记录。再将被测阀放置于泵与水源之间, 其他环境等条件保持不变, 测量在相同转速下泵的输出流量, 观察并记录。将后者记录的输出流量值除以前面记录的输出流量值, 获得吸入能力效率值。表3所示为吸入性能试验的数据。

表3 吸入性能实验数据

从表3中数据可以看出, 每个阀的吸入能力不一样, 但同一个阀口的正反向结果大致相同。表3中最高的效率值出现在过C阀的两个流向, 其吸入效率约为85%~87%, 因此选择C阀与泵入口相连, 提高泵与阀的整体吸入能力。经过D阀的两个流向的效率值最低, 约为72%~73%, 因此将该阀放置于泵出口。

3 结语

本文介绍了一种插装式的海水电磁阀, 能完成三位四通阀的功能, 可直接以海水作为工作介质, 满足海水液压浮力调节系统的特殊工况要求;同时, 该阀也可以淡水作为工作介质, 应用于陆地其它不同的场合。


参与评论请加群!
校验码:ee9f1b7f1056295207d0a3d9be9b3a47