一种航空系统用两位三通电磁阀的设计

凯迈（洛阳）气源有限公司 王方方 王 抓 江 澎



一种航空系统用两位三通电磁阀的设计

凯迈（洛阳）气源有限公司 王方方 王 抓 江 澎

【摘要】介绍了一种两位三通常开式电磁阀的组成及主要部件的设计参数确定方法，并通过验证及实际应用，取得了良好的实用效果。该电磁阀具有结构紧凑、体积小、重量轻、响应快、环境适应性强等优点，已应用于某航空装置气动系统。

【关键词】电磁阀；线圈；电磁吸力

0　引言

电磁阀是用电磁控制的工业设备，是用于控制流体的自动化基础元件。应用于航空领域的电磁阀，性能要求高于普通行业电磁阀，常应具有快速响应、体积小、重量轻、环境适应性强、可靠性高、使用寿命长等特点。本文着重介绍一种航空系统用两位三通常开式电磁阀的设计和应用。

1　技术指标要求

1）工作介质：氮气；

2）工作压力：20MPa；

3）工作电压：27V DC；

4）外形尺寸：≤Ф32mm×70mm；

5）重量：≤350g；

6）使用温度：-55℃～+70℃；

7）15ms内完成对气缸（容积2mL）的充气或者放气。

2　设计方案

2.1组成及工作原理

电磁阀的组成结构示意见图1。主要由阀体、阀芯、复位弹簧、密封接头、线包等部分组成。

图1　电磁阀结构示意图

如图1所示，电磁阀的工作原理为：电磁阀为常开状态，当不通电时，氮气从电磁阀入口经出口给气缸充气，放空处密封，气体无法通过；当电磁阀通电时，阀芯在电磁力的作用下向左移动，入口与出口气路断开，出口与放空处连通，气体从放空处流出。

2.2设计参数确定

2.2.1阀体设计

阀体是电磁阀的主要载体，同时决定着电磁阀的承压能力。材料宜选用矫顽力低、高导磁率的软磁不锈钢，其强度计算按第一强度理论分析，一般采用薄壁公式计算。

图2　阀体结构示意图

分析阀体的受力情况，阀体受到气体作用在阀体内部的气体压力，其薄弱环节内径为D1，阀体最小外径为D2。电磁阀的工作压力为P，阀体最薄弱部位能够承受的压力Pb可按以下公式进行计算：

其中，σb为阀体材料的抗拉强度，S为壁厚。

一般应满足Pb≥2.5P，以保证使用的安全性。

2.2.2阀芯设计

阀芯的材料可选用电工纯铁，其具有磁导率高、矫顽力小，磁饱和感应强度高（Bm≥1.8T）的特点。高压气体电磁阀一般工作在磁饱和的工况下，选用电工纯铁能够获得较大的电磁吸力。

2.2.3线包设计

根据线圈的额定功率P和额定工作电压U，能够得到线圈的工作电流I和直流电阻R，在电流I一定的情况下，需保证足够的线圈匝数N，以使电磁阀工作磁隙处的磁感应强度大于阀芯的磁饱和感应强度1.8T，线圈匝数N从下式得出：

式中：μ0── 空气磁导率μ0=1.25×10-6（H/m）

线圈的厚度H和线圈漆包线直径d0可用以下公式计算：

式中：ρ20──ρ20=1.754×10-5Ωmm2/mm（铜漆包线20℃时电阻率）

线圈漆包线长度L1可从轴向结构尺寸、经济性、散热面积等方面进行综合考虑，一般情况下取L1=（7～15）H。

2.2.4电磁吸力计算

在该磁系统的磁路中，由于工作气隙较小，故虽然存在漏磁通，但相对于主磁通来说可以忽略，故电磁铁对阀芯的吸力F为：

其中：μ0——线圈磁势（Wb/A·m）；

δ——气隙长度，m

N——线圈匝数

I——电流，A

S——磁路截面积，m2

Kf——漏磁系数，1.2～5

2.2.5充气时间计算

根据已知气路通径d，向气缸充气时，气缸内的压力由P0升至Ps，充气时间t1可由下式计算。

式中，τ为充气、放气时间常数（s），P0为容器中初始绝对压力（MPa）；Ps为气源绝对压力（MPa）；τ值可用以下公式计算。

式中，V为气缸的容积（L）；A为有效截面积（mm²）；κ为等熵指数（氮气取1.4），T1=293K（20℃）。

2.2.6复位弹簧设计

当电磁阀未通电时，复位弹簧给阀芯一个合适的预压紧力，使阀芯的密封面与密封接头紧密接触，起到良好的密封作用。当电磁阀通电后再断电时，复位弹簧给阀芯一个复位力，使阀芯快速复位密封。

弹簧的外形尺寸、刚度、预压缩量与电枢结构尺寸、工作压力、流量、最小开启电压、释放电压等因素都有关联，因此在设计时需综合考虑。

由图1分析，弹簧作用力和气压作用力方向一致，使阀芯密封面与密封接头紧密接触，线包通电时，电磁吸力大于弹簧作用力和气压作用力之和，阀芯与阀体吸合，出气口与放空口气路接通。

由工作状况，电磁吸力FD、气压作用力FQ、弹簧作用力FK、密封力取FM，为保证电磁阀在通电时能阻断进气，必须满足

为保证电磁阀在低压时的气密性，根据工程经验：密封力FM应保证阀芯密封面和接头接触应力大于10MPa。故密封力FM=10SM，SM为阀芯与接头密封处环形区域面积。

气压作用力要考虑最不利的工作状况，应按最高工作压力Pb（1.5倍工作压力）来计算，气压作用面积为密封面与密封接头平面接触处直径d的面积。

气压作用力：

根据阀体结构、电枢结构尺寸、弹簧作用力大小等因素，参考GB/T2089-1994圆柱螺旋压缩弹簧进行弹簧的设计。选定弹簧的材料，可得材料的弹性模量G，选择弹簧线径d1，确定弹簧中径D，以及弹簧的有效圈数n，则弹簧的刚度K可由下式得出。

根据阀体结构尺寸及电枢结构尺寸，得出弹簧工作时的最大压缩量x，则：

代入式（1）校核，应满足要求。

3　设计结果验证

按照上述工作原理及参数，设计加工了电磁阀样机，经过验证电磁阀的性能指标达到情况见表1。

表1　技术指标达到情况

4　结束语

本文介绍了一种两位三通常开式电磁阀的组成及主要部件的设计参数确定方法，并通过验证及实际应用，取得了良好的实用效果。该电磁阀具有结构紧凑、体积小、重量轻、响应快、环境适应性强等优点，已应用于某航空装置气动系统。

参考文献

[1]娄路亮,王海洲.电磁阀设计中电磁力的工程计算方法[J].导弹与航天运载技术,2007(1).

[2]李奋勇.高压气体电磁阀设计[J].液压与气动,2011(1).

[3]张正原,胡娓.电磁阀设计中电磁力自动计算方法[J].现代机械,2001(3).

[4]金代中.电工速查速算手册[M].机械工业出版社,2002.

王方方（1986—），女，大学本科，助理工程师，主要从事高压气动控制器件制造技术方面的工作。

作者简介：