介紹了電磁閥在虹吸排水管路中建立系統(tǒng)真空或破壞真空的功能作用。分析了電磁閥的動作原理、結構性能及其應用特點。給出了虹吸排水系統(tǒng)或真空系統(tǒng)電磁閥的選用原則及控制方法。

1、概述

　　虹吸排水系統(tǒng)或真空系統(tǒng)具有工況系統(tǒng)壓差小的特點。在這種低壓差工作環(huán)境下并不是所有種類的電磁閥都能夠可靠密封或可靠動作。如果電磁閥選型錯誤，將直接導致系統(tǒng)不能完成或不能很好完成其預定的功能。由于電磁閥種類和結構的不同，所能適應的工況條件也不同。因此，應根據(jù)工況條件合理選擇電磁閥的種類和結構，以保證閥門具有可靠的密封性和完成規(guī)定的動作。

2、工況分析

　　在虹吸排水管路系統(tǒng)中( 圖1) ，電磁閥具有建立系統(tǒng)真空或破壞真空的作用。當虹吸排水系統(tǒng)運行時，將容器上電磁閥關閉，啟動真空泵和電磁閥，儲液容器內液體在真空作用下沿管路系統(tǒng)流出。當液體從主排水管路流出時，此時關閉電磁閥和真空泵，虹吸現(xiàn)象出現(xiàn)，上游容器中的液體照樣流淌不會終止。當虹吸排水系統(tǒng)需要停止運行時，開啟容器上方電磁閥使管路系統(tǒng)與大氣相通，虹吸現(xiàn)象消失，系統(tǒng)自動停止運行。電磁閥是一種依靠電磁力為動力源的自動閥門，它利用電磁線圈通電后產(chǎn)生的電磁力，驅動電磁閥屏蔽套內的導磁零部件作直線運動，帶動閥門運動部件實現(xiàn)其開啟、關閉或切換的功能。電磁閥具有體積小，質量輕，響應迅速，動作可靠，失效狀態(tài)確定，功耗低，控制簡便及易維護等特點。

　　用于建立虹吸排水管路系統(tǒng)真空時的最大壓力不會超過0.1MPa，即啟動真空泵時其吸程的最大壓力會小于0.1MPa。因此，電磁閥在小壓差下應可靠關閉和密封，否則真空不能建立，虹吸現(xiàn)象不會出現(xiàn)。當需要終止虹吸排水系統(tǒng)運行時，則需要破壞管路真空，此時電磁閥必須在小于0.1MPa 的工況條件下能夠開啟，將大氣排入管路中，管路系統(tǒng)的真空被破壞，虹吸排水系統(tǒng)停止運行。由此可以看到，電磁閥必須是在小壓差狀態(tài)下具有可靠密封和可靠動作的功能。

圖1 虹吸排水系統(tǒng)

　　由于電磁閥種類和結構的不同，所能適應的工況條件是千差萬別的，如果電磁閥選型錯誤，將直接導致系統(tǒng)不能完成或不能很好完成其預定的功能。在虹吸排水系統(tǒng)中，如果電磁閥類型選擇失誤，將直接導致虹吸排水系統(tǒng)無法實現(xiàn)虹吸現(xiàn)象。

3、閥門選用

　　電磁閥按動作原理可分為直動式電磁閥、先導式電磁閥和反沖式電磁閥三大類，其中直動式電磁閥有單座直動式電磁閥和雙座直動式電磁閥(以下稱雙向電磁閥) 兩種。先導式電磁閥和反沖式電磁閥都有膜片式和活塞式結構。分析三種電磁閥的基本結構形式及其工作原理和應用特點，可以確定適合于虹吸排水系統(tǒng)或真空系統(tǒng)的電磁閥。

3.1、直動式電磁閥

　　直動式電磁閥是指用線圈電磁力直接作用于導磁的動鐵芯或閥芯組件上，帶有密封橡膠的動鐵芯或閥芯組件受磁場作用壓縮復位彈簧與屏蔽套上的靜鐵芯閉合，由于密封塊脫離閥座，實現(xiàn)了電磁閥開啟，管路系統(tǒng)介質流動。當電磁閥斷電，線圈電磁場消失，在復位彈簧的作用下，動鐵芯與靜鐵芯分離，密封膠塊封閉閥座，切斷管路介質的流動。

　　(1) 直動式單座電磁閥

　　從直動式單座電磁閥的結構分析，管路內的介質對其關閉或開啟影響是較大的。從圖2 中可以看出，作用在閥座上的力有介質密封力、復位彈簧作用力以及動鐵芯自重等，當然還有對開閥有稍微影響的摩擦力。由于摩擦力和自重力在小口徑電磁閥上作用較小，一般都可以忽略不計。影響單座直動式電磁閥開啟和關閉密封的主要因素是介質的壓力和彈簧力。作用在閥座上的介質壓力是閥座面積和介質壓差的乘積(3) ，即壓力差與閥座面積的積( ΔP ×S) 。當管路中工作介質壓力很大時，作用在閥座上的介質密封力也是很大的。如DN20 的電磁閥，閥座直徑一般為22mm，工作壓力是1.6MPa，則作用在閥座上的介質壓力為F = 2.22 × 16 × π/4 =6.079MPa。從計算的結果分析，很難有如此大的電磁鐵能拉起動鐵芯打開電磁閥。所以這種單座直動式電磁閥過去一般只用在低壓差或真空的場所，口徑一般在DN25 以內，電磁閥的電磁頭部分才能有合適的比例和比較好的經(jīng)濟性。

1. 靜鐵芯2. 外殼3. 復位彈簧4. 動鐵芯組件5. 線圈組6. 非磁管7. 閥蓋8. 閥體

圖2 直動式單座電磁閥

圖3 直動式單座電磁閥工作原理

　　直動式單座電磁閥在虹吸排水系統(tǒng)中過去是有應用的。由于電磁閥口徑比較小，一般只能用于小型的虹吸排水系統(tǒng)中，否則，即使電磁閥開啟，這樣小口徑的電磁閥也不足以破壞真空，使虹吸排水系統(tǒng)停止運行�；蚴怯捎陔姶砰y口徑小，電磁閥開啟很長時間，系統(tǒng)才能停止運行，影響虹吸排水系統(tǒng)的按時檢修。

　　直動式單座電磁閥在虹吸排水系統(tǒng)中的電磁力有限，電磁閥中的復位彈簧的剛度一般較小，標準大氣壓作用在閥座上的力也小，因此當受到外力撞擊或有振動的條件出現(xiàn)時，閥門會出現(xiàn)開閥或閥座處出現(xiàn)泄漏的狀態(tài)，使管路系統(tǒng)的真空度降低，嚴重時有可能出現(xiàn)管路系統(tǒng)真空被完全破壞的危險。

　　另外，電磁閥在系統(tǒng)安裝時，必須是進口端連接在真空泵的吸程上，如果反向安裝，管路系統(tǒng)的真空是無法建立的，因為電磁閥動鐵芯可在大氣壓下被自動吸起，閥座出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。

　　(2) 直動式雙向電磁閥

　�、俟ぷ鲏毫Ω�，一般工作壓力為1. 6MPa 以上。原單座電磁閥為了保持其經(jīng)濟性，一般通徑在DN25 以下，只能用于真空管路或壓力在0.1MPa 的低壓管路中，通徑增加或壓力增大這種電磁閥均不能可靠工作。而直動式雙向電磁閥的閥體內部有特殊的介質流道，通過采用雙閥座和雙密封閥瓣結構，消除了介質壓差對電磁閥啟閉的影響，因此這種電磁閥最高工作壓力可達4.0MPa 左右。

　�、诳梢詫崿F(xiàn)雙通雙向截止功能。直動式雙向電磁閥內部采用雙座雙密封的特殊結構，不用考慮工作介質對電磁閥開關的影響，同時電磁閥本身利用一個大剛度的彈簧為電磁閥提高必須的密封比壓，只要電磁閥的電磁力可以克服彈簧力和閥內部件自重，則電磁閥能可靠工作并能實現(xiàn)雙通雙向密封截止功能。

　　③閥門端和出口端適合于無壓差和高真空的工況條件。這種電磁閥特殊的結構設計，閥門端口都能將工作介質壓力相互抵消，同時大剛度的復位彈簧，又能為雙密封閥瓣提高等同的密封力。這種電磁閥是打制雙向箭頭，閥門端口都可以作為進口。雙向電磁閥能滿足高真空的工況條件要求。

　�、茈姶砰y口徑較大，是單座電磁閥無法實現(xiàn)的�，F(xiàn)這種電磁閥已經(jīng)可以達到DN300 以上。

　�、萃瑯庸β实碾姶啪�圈，雙向電磁閥較單座電磁閥效率更高。雙向電磁閥因采用雙閥座結構，因此電磁閥的工作行程可縮短為單座電磁閥行程的一半，由于電磁鐵的拉力與工作行程關系極大( 直流型電磁鐵尤為明顯) ，因此雙向電磁閥的工作效率較單座電磁閥的工作效率高幾倍。

　　⑥雙向電磁閥的工作原理簡單。當電磁閥線圈通電時，產(chǎn)生電磁力，吸起動鐵芯克服彈簧力帶動閥桿組件向上運動開啟閥門，工作介質由一端流向另一端。當電磁線圈斷電時，電磁力消失，動鐵芯在彈簧力及自重的作用下推動閥桿組件向下運動關閉閥門。直動式雙向電磁閥( 圖4) 閥體內部通過閥瓣和閥座將閥體分離成左右兩部分，上下閥瓣和上下閥座共同起到密封作用。由于用于隔離和密封的上下閥座尺寸趨于一致，這種特殊的結構形式，保證了介質從閥門任一端進入，都能在上下閥瓣密封處形成大小相等方向相反的兩個力( 圖5) 。由于這兩個力是由介質壓力產(chǎn)生，并且大小相等方向相反，基本消除了工作介質對電磁閥開、關的影響，只要復位彈簧能給上下閥瓣提供必須的密封比壓，同時線圈保證能克服彈簧力，電磁閥即能實現(xiàn)可靠的啟閉功能。

1. 屏蔽套2. 復位彈簧3. 線圈組4. 動鐵芯5. 上閥瓣6. 上閥座7. 閥桿8. 下閥瓣9. 下閥座10. 閥體

圖4 直動式雙向電磁閥

　　由于雙向電磁閥的關閉狀態(tài)是依靠復位彈簧提供的密封力，不用考慮工作介質對其開關動作的影響，因此，這種電磁閥越是在低壓差和真空狀態(tài)下越能表現(xiàn)出獨特的優(yōu)越性，非常適合于工作壓力很低的核動力輻射防護系統(tǒng)和虹吸排水系統(tǒng)等特殊的真空場所的設計選用。雙向電磁閥采用線性密封結構，依靠強力的彈簧進行密封，可有效消除環(huán)境振動、沖擊和顆粒狀介質等不同工況和不同介質對電磁閥可靠運行的影響。因此閥門不會在工作壓力降低或減小時出現(xiàn)密封副落座對中不好導致閥座泄漏的現(xiàn)象，可以適用于低壓差和有一定振動的工況系統(tǒng)。

圖5 雙向電磁閥工作原理

3.2、反沖式電磁閥

　　反沖式電磁閥( 圖6，國外稱強制先導式或強制直動式) 是直動式電磁閥和先導式電磁閥的結合體，從原理上具有直動式電磁閥和先導式電磁閥的優(yōu)點，既可完成0 壓差啟閉，又可耐受高壓差的沖擊。反沖式電磁閥應用范圍廣泛。

　　反沖式電磁閥是由主閥和輔閥組成，電磁閥線圈電磁力先把輔閥拉起，將主閥腔內工作介質從主閥的先導口中排出，由于主閥的直徑大于閥座的直徑，在壓差的作用下，主閥被工作介質所浮起。電磁閥關閉時是輔閥先落座關閉主閥上先導口，在壓差作用下，主閥落座關閉電磁閥。

　�、匐姶砰y開啟和關閉應有最小壓差，否則電磁閥不能保證可靠的動作。從原理上分析，這種電磁閥是可以在0 壓差下工作，但由于受到主閥與缸套之間的摩擦力、主閥和輔閥的密封情況、彈簧力和電磁力的大小等因素的影響，真正在零壓差時電磁閥的可靠性會有一定的影響，一般來說，選用這種閥門是根據(jù)其耐高壓的性能，而不是針對其弱項耐低壓的性能。因此，在真空系統(tǒng)選用這類電磁閥時必須引起高度注意。

圖6 反沖式電磁閥

　　②電磁閥即使在0 壓差下能工作，其流量也不能達到規(guī)定要求。反沖式電磁閥在設計時，將輔閥與閥桿、動鐵芯與閥桿連接處增加了一定的空行程，目的是電磁閥開啟瞬間可以提供一定量的沖能，有利于電磁閥的開啟。同時這種閥的主閥原則上是依靠介質的壓差浮起，只有當介質壓力很小時線圈的電磁力才能拉動主閥，但由于輔閥上有一定的空行程，因此，動鐵芯和靜鐵芯閉合后，主閥可以開啟正常開啟高度的1/3 左右，介質通過電磁閥的能力將大大受到影響。

　�、鄯礇_式電磁閥主要應用其綜合的性能。在彈簧力的選擇上一般偏弱，電磁閥的密封力主要是依靠介質壓力作用在主閥上，壓力越大密封力就越強，因此，反沖閥在低壓差時，彈簧力提供的必須比壓有限，很容易在介質低壓力時出現(xiàn)閥座泄漏現(xiàn)象。

3.3、先導式電磁閥

　　先導式電磁閥( 圖7) 的電磁力只作用于電磁閥上的先導閥，只能拉動先導閥并將其打開，而電磁閥的主閥則完全依靠介質壓差實現(xiàn)其浮起和落座關閉。

圖7 先導式電磁閥結構

　　先導式電磁閥由兩大部件組成，上部件為先導閥，下部件為主閥。先導閥和主閥之間通過在閥蓋上的管道相聯(lián)系，并通過這種聯(lián)系用先導閥的動作控制主閥的開關。

　　先導式電磁閥應用廣泛的原因是同樣通徑、同樣工作壓力的工況條件，先導式電磁閥要較其他類電磁閥結構簡單緊湊、外形小、線圈功率小及耗能低等。另外，由于電磁力只開啟先導閥，而不用電磁力拉動主閥，因此先導式電磁閥可適用于大通徑閥門，現(xiàn)在先導式電磁閥的公稱通徑已經(jīng)達到500mm 以上，因此先導式電磁閥在自動控制系統(tǒng)中的應用很廣泛。但先導式電磁閥的主閥完全是依靠介質的壓差開啟或關閉，因此，如果管路系統(tǒng)中沒有最小的介質壓力，這種電磁閥不能實現(xiàn)其功能。一般情況下，最小壓差不能小于0. 03MPa。

4、結語

　　電磁閥的種類較多，其應用范圍較廣，各類電磁閥又具有鮮明的特點。因此，在選用電磁閥時一定要了解各類電磁閥的特性，掌握其基本的結構特點。由于電磁閥的種類不同，如果電磁閥選型錯誤，將直接導致系統(tǒng)不能完成或不能很好完成其預定的功能。反沖式電磁閥適用于高壓差、耐高溫的工況條件，不適合用于低壓差特別是真空的場所，否則，將會給設計的真空系統(tǒng)帶來極不穩(wěn)定的因素，影響系統(tǒng)的可靠運行。先導式電磁閥不能設計和用于真空系統(tǒng)。

參考文獻

　　〔1〕陸培文. 實用閥門設計手冊〔M〕. 北京: 機械工業(yè)出版社，2007.