一种结构紧凑的嵌入组合式电磁阀的研制
嵌入组合式电磁阀应用于多余度伺服阀上，主要实现对余度伺服阀的故障隔离功能。巧妙的阀芯内部通油方式和嵌入组合式阀芯结构设计，使得电磁阀具有结构紧凑、响应速度快、阀芯活动灵活不易卡滞、可靠性高等优点。该文首先对嵌入组合式电磁阀进行方案设计，并通过AMESim、Ansoft软件对该阀进行建模仿真，在此基础上优化设计并生产了电磁阀，并通过了试验验证。
0、引言
随着我国在航天领域的不断拓展，对航天产品的可靠性提出越来越高的要求，多余度技术应运而生。但当某余度发生故障时，为保证其他余度对系统的正常控制功能不受干扰，对故障余度实现隔离功能的元器件的优化设计，也变得尤为重要。
在这种背景下，某多余度伺服阀为实现故障隔离功能，提出设计一种适应有限安装空间需求、结构紧凑、阀芯运动灵活，不易发生卡滞的用于故障隔离的电磁阀，高可靠的实现故障隔离功能。
1、电磁阀设计要求
(1)电磁阀外形结构紧凑，尺寸不大于ϕ40×120。
(2)额定供油压力24MPa。
(3)给定额定电压信号后，电磁阀打开，实现A、B两路油腔的沟通;给定信号为零时，电磁阀关闭，实现A、B两路油腔截断。
(4)开启电压≤12V。
(5)电磁阀开启时间≤10ms。
2、电磁铁设计方案
2.1、电磁阀方案总体设计思路
电磁阀整体设计思路是：为实现小信号控制阀芯功率级的目的，采用电磁先导级、阀芯功率级两级设计。同时为保证电磁阀有限安装空间的需求，电磁阀整体拟采用圆柱形外形设计及插装式安装方式，(ϕ30~ϕ40)×116的外形尺寸设计，M22外螺纹安装方式，达到紧凑化的设计目的。
电磁先导级设计时，应正确计算电磁力、弹簧力、节流小孔等设计参数，且能实现电磁力方便可调，保证电磁阀功能的实现。
阀芯功率级设计时，为保证阀芯的灵活运动，巧妙设计内部通油方式，阀芯巧妙的设计为嵌入组合式结构，实现阀芯在油路切换的同时能够灵活运动，避免出现卡滞、运动不灵活等现象的发生。
电磁阀的总体设计思路及原理见图1所示。其具体工作原理为：液压油从序号12(油滤组件)进入电磁阀。当序号3(线圈组件)输入信号为零时，液压油作用到序号9(阀芯)上的合力向右，阀芯位于图1中图示位置，A、B两腔截断;当序号3(线圈组件)输入信号为额定电压信号时，液压油作用到序号9(阀芯)上的合力向左，阀芯向左移动，A、B两腔沟通。
图1 电磁阀结构形式
2.2、先导级电磁铁结构设计
先导级电磁铁要设计的主要参数为电磁力。如果电磁力设计过小，则电磁力无法克服弹簧力，导致电磁阀无法打开;如果电磁力设计过大，则线圈组件外形尺寸又无法满足要求，因此设计中应选取合适电磁力。为此，利用Ansoft 软件对电磁体部分进行建模仿真计算。
Maxwell Ansoft 软件主要是建立在Maxwell方程基础上的有限元分析软件，工程上主要用来对电磁场、温度场、静电场等进行有限元分析与参数仿真计算。本文以Maxwell Ansoft 软件为平台，对电磁阀磁场分布、电磁力进行仿真计算。
首先利用Maxwell Ansoft 3D软件对电磁铁部分进行建模。根据Maxwell Ansoft 建模特点，需构建电磁铁旋转剖面，该剖面表示电磁铁绕其中心旋转而成。旋转剖面建模图如图2 a所示。
建模完成后，对电磁铁磁场进行仿真分析，从而计算电磁力，计算模型磁感应强度分析云图如图2b 所示。然后在电磁满足电磁铁外形设计的条件下，对电磁阀设计模型进行优化调整，在不同的结构尺寸下，分别对电磁力进行仿真计算，最终得到电磁力范围为13~18N。选取电磁力为最大值时电磁铁结构尺寸，作为电磁铁部分结构设计依据。
图2 电磁铁Ansoft 建模图及磁场分析图
2.3、嵌入组合式阀芯阀套结构设计
油路结构设计中，为实现阀芯灵活运动，消除传统电磁阀阀芯卡滞故障，采用阀芯内部通油及嵌入式组合阀芯的结构方式，如图3所示。
图3 阀芯内部通油方式及嵌入组合式结构示意图
同时阀芯、阀套节流小孔需设计合理。阀套节流小孔过大，则会导致关闭状态下弹簧力无法克服液压力，导致关闭时开启；阀套节流小孔设计过小，与阀芯节流孔匹配不合适，则又会导致阀芯无法正常开启，因此，阀芯阀套节流孔孔径之间的相互协调设计非常重要。为保证节流小孔直径尺寸设计合理，利用AMESim软件对阀芯、阀套两小节流孔尺寸进行仿真计算，如图4所示。
图4 AMESim 节流孔尺寸仿真计算
通过仿真计算，使电磁力、弹簧刚度、节流小孔的直径达到最优配合状态，保证电磁阀可靠的开启、关闭功能。
2.4、接口尺寸
电磁阀外形尺寸及机械安装接口如图5所示。电磁阀电气接口为：输入电压9～12V。
图5 电磁阀接口尺寸图
3、嵌入组合式电磁阀AMESim仿真
AMESim软件是基于液压/机械系统的一种综合力学分析软件，为验证电磁阀方案设计的正确性，本文以AMESim软件为平台，对电磁阀进行仿真建模。仿真建模如图6所示。其中输入信号为12V，电磁阀A腔通入24MPa压力油，B腔接回油，当电磁铁通电时，A、B腔沟通，B腔产生24MPa压力油;当电磁铁断电时，A、B腔截断，B腔压力为0。
图6 电磁阀AMESim 仿真建模
仿真试验结构见图7、图8所示。由图得知，电磁阀在接收12V脉冲信号时，能够完成开启关闭功能，且其开启时间为2ms，满足指标性能要求。
图7 仿真试验结果
图8 电磁铁开启时间仿真结果
4、试验验证
通过仿真计算结果，确定出电磁阀的主要参数，并据此设计出嵌入组合式电磁阀。电磁阀的实物图及调试设备见图9所示。
图9 嵌入组合式电磁阀的实物图及调试试验
首先对伺服阀功能进行验证。输入12V 阶跃信号，观测试验台B腔压力表变化，嵌入组合式电磁阀能够实现相应功能。对电磁阀开启电压进行试验验证，测试数据见表1所示。
表1 电磁阀开启压力测试数据
由表1可见，电磁阀开启电压在8.9～9.7V之间，满足指标≤12V开启电压要求。然后对电磁阀开启时间进行测试，测试结果见表1。由测试数据可见，电磁阀开启时间满足指标≤10ms要求。
5、结论
通过采用嵌入组合式阀芯通油的结构方式，实现了电磁阀的紧凑型设计;通过Ansoft、AMESim等仿真软件进行分析计算，确定了电磁阀中电磁力、节流小孔等诸多重要设计参数，成功地完成了嵌入组合式电磁阀的设计、加工和性能测试，通过测试说明，电磁阀能够达到各项指标要求，满足设计要求。
