电磁阀的结构设计与理论计算

         电磁阀设计要解决的主要问题是密封问题,必须通过对电磁力、弹簧力和气体压力的计算确保电磁阀断电时气路被隔断,在通电时电磁力能够克服弹簧力和气体压力迅速打开气路。同时合理设计密封结构,选用合适的材料保证电磁阀在高温(+50℃)和低温(-20℃)环境中正常工作。

1、电磁阀结构设计

        要实现电磁阀密封要求,首先要保证主要密封件的结构设计合理,加工容易保证。参考进口减压阀的工作原理,进行了如下改进设计。

1.1、阀杆的设计

         进口电磁阀的密封形式是利用阀杆两端锥面,通过阀杆的移动分别密封入口端和放气口端。这种密封形式要求阀杆的加工精度很高,特别是阀杆两端锥面的同轴度要求在0.01mm以内。这两锥面用一般数控机床加工必须经过在两次定位分别加工,锥面同轴度要求很难保证,因此进口电磁阀在使用过程中性能很不稳定,使用寿命较短,而国内传统电磁阀只能应用于低压工作范围,图2为阀杆工作原理图。

图2　阀杆工作原理图

         在电磁阀的设计当中,通过改变阀杆结构形式,将原来阀杆两端锥面密封形式改为一侧端面密封,另一侧保持锥面密封。这样锥面的同轴度和端面的垂直度和跳动度用普通数控机床可以在一次定位中加工出来,阀杆的设计精度就比较容易保证,同时降低了加工成本。图3为阀杆改型设计简图。

图3　阀杆简图

1.2、密封力的设计

         在电磁阀设计中,引进气动密封力概念,即通过改变进气口两端面的横截面积S1、S2 ,使截面S1 > S2 ,在通入高压气体P0 时,作用在两截面的气体压力分别是:

F′1 = P0 ·S1

F′2 = P0 ·S2

         这样,当电磁阀闭合时,由于两截面均密封,在截面两端形成压力差F′1 - F′2 ,产生气动密封 。此时电磁阀闭合时的密封力由气体密封力和弹簧力共同提供,既保证了电磁阀闭合时所需要的密封力,同时可以降低了弹簧的设计强度,延长弹簧的使用寿命。

3.2、电磁阀理论计算

3.2.1、电磁力计算

           电磁铁设计形式为Ⅲ型电磁铁,具体外形见图4。

图4　电磁铁简化图

            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,故由《平衡力电磁铁设计计算及实验研究》中电磁铁对衔铁的吸力F为:

所以,μ0 = 275.56 ×103 ;

由上代入公式(6)得: F = 1848.9N

         以上计算结果从理论上证明了该电磁阀设计的合理性,同时这种高压大流量电磁阀已应用在某型号地面测试仪中,实践证明使用可靠,性能稳定。它的研制成功解决了以往产品依赖进口的现象,并为同类产品的研制提供了可借鉴的方法。