一種結(jié)構(gòu)緊湊的嵌入組合式電磁閥的研制

2015-10-31 仇立波 北京精密機電控制設(shè)備研究所

  嵌入組合式電磁閥應(yīng)用于多余度伺服閥上,主要實現(xiàn)對余度伺服閥的故障隔離功能。巧妙的閥芯內(nèi)部通油方式和嵌入組合式閥芯結(jié)構(gòu)設(shè)計,使得電磁閥具有結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)速度快、閥芯活動靈活不易卡滯、可靠性高等優(yōu)點。該文首先對嵌入組合式電磁閥進行方案設(shè)計,并通過AMESim、Ansoft軟件對該閥進行建模仿真,在此基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計并生產(chǎn)了電磁閥,并通過了試驗驗證。

0、引言

  隨著我國在航天領(lǐng)域的不斷拓展,對航天產(chǎn)品的可靠性提出越來越高的要求,多余度技術(shù)應(yīng)運而生。但當(dāng)某余度發(fā)生故障時,為保證其他余度對系統(tǒng)的正?刂乒δ懿皇芨蓴_,對故障余度實現(xiàn)隔離功能的元器件的優(yōu)化設(shè)計,也變得尤為重要。

  在這種背景下,某多余度伺服閥為實現(xiàn)故障隔離功能,提出設(shè)計一種適應(yīng)有限安裝空間需求、結(jié)構(gòu)緊湊、閥芯運動靈活,不易發(fā)生卡滯的用于故障隔離的電磁閥,高可靠的實現(xiàn)故障隔離功能。

1、電磁閥設(shè)計要求

  (1)電磁閥外形結(jié)構(gòu)緊湊,尺寸不大于ϕ40×120。

  (2)額定供油壓力24MPa。

  (3)給定額定電壓信號后,電磁閥打開,實現(xiàn)A、B兩路油腔的溝通;給定信號為零時,電磁閥關(guān)閉,實現(xiàn)A、B兩路油腔截斷。

  (4)開啟電壓≤12V。

  (5)電磁閥開啟時間≤10ms。

2、電磁鐵設(shè)計方案

  2.1、電磁閥方案總體設(shè)計思路

  電磁閥整體設(shè)計思路是:為實現(xiàn)小信號控制閥芯功率級的目的,采用電磁先導(dǎo)級、閥芯功率級兩級設(shè)計。同時為保證電磁閥有限安裝空間的需求,電磁閥整體擬采用圓柱形外形設(shè)計及插裝式安裝方式,(ϕ30~ϕ40)×116的外形尺寸設(shè)計,M22外螺紋安裝方式,達(dá)到緊湊化的設(shè)計目的。

  電磁先導(dǎo)級設(shè)計時,應(yīng)正確計算電磁力、彈簧力、節(jié)流小孔等設(shè)計參數(shù),且能實現(xiàn)電磁力方便可調(diào),保證電磁閥功能的實現(xiàn)。

  閥芯功率級設(shè)計時,為保證閥芯的靈活運動,巧妙設(shè)計內(nèi)部通油方式,閥芯巧妙的設(shè)計為嵌入組合式結(jié)構(gòu),實現(xiàn)閥芯在油路切換的同時能夠靈活運動,避免出現(xiàn)卡滯、運動不靈活等現(xiàn)象的發(fā)生。

  電磁閥的總體設(shè)計思路及原理見圖1所示。其具體工作原理為:液壓油從序號12(油濾組件)進入電磁閥。當(dāng)序號3(線圈組件)輸入信號為零時,液壓油作用到序號9(閥芯)上的合力向右,閥芯位于圖1中圖示位置,A、B兩腔截斷;當(dāng)序號3(線圈組件)輸入信號為額定電壓信號時,液壓油作用到序號9(閥芯)上的合力向左,閥芯向左移動,A、B兩腔溝通。

一種結(jié)構(gòu)緊湊的嵌入組合式電磁閥的研制

圖1 電磁閥結(jié)構(gòu)形式

  2.2、先導(dǎo)級電磁鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計

  先導(dǎo)級電磁鐵要設(shè)計的主要參數(shù)為電磁力。如果電磁力設(shè)計過小,則電磁力無法克服彈簧力,導(dǎo)致電磁閥無法打開;如果電磁力設(shè)計過大,則線圈組件外形尺寸又無法滿足要求,因此設(shè)計中應(yīng)選取合適電磁力。為此,利用Ansoft 軟件對電磁體部分進行建模仿真計算。

  Maxwell Ansoft 軟件主要是建立在Maxwell方程基礎(chǔ)上的有限元分析軟件,工程上主要用來對電磁場、溫度場、靜電場等進行有限元分析與參數(shù)仿真計算。本文以Maxwell Ansoft 軟件為平臺,對電磁閥磁場分布、電磁力進行仿真計算。

  首先利用Maxwell Ansoft 3D軟件對電磁鐵部分進行建模。根據(jù)Maxwell Ansoft 建模特點,需構(gòu)建電磁鐵旋轉(zhuǎn)剖面,該剖面表示電磁鐵繞其中心旋轉(zhuǎn)而成。旋轉(zhuǎn)剖面建模圖如圖2 a所示。

  建模完成后,對電磁鐵磁場進行仿真分析,從而計算電磁力,計算模型磁感應(yīng)強度分析云圖如圖2b 所示。然后在電磁滿足電磁鐵外形設(shè)計的條件下,對電磁閥設(shè)計模型進行優(yōu)化調(diào)整,在不同的結(jié)構(gòu)尺寸下,分別對電磁力進行仿真計算,最終得到電磁力范圍為13~18N。選取電磁力為最大值時電磁鐵結(jié)構(gòu)尺寸,作為電磁鐵部分結(jié)構(gòu)設(shè)計依據(jù)。

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圖2 電磁鐵Ansoft 建模圖及磁場分析圖

  2.3、嵌入組合式閥芯閥套結(jié)構(gòu)設(shè)計

  油路結(jié)構(gòu)設(shè)計中,為實現(xiàn)閥芯靈活運動,消除傳統(tǒng)電磁閥閥芯卡滯故障,采用閥芯內(nèi)部通油及嵌入式組合閥芯的結(jié)構(gòu)方式,如圖3所示。

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圖3 閥芯內(nèi)部通油方式及嵌入組合式結(jié)構(gòu)示意圖

  同時閥芯、閥套節(jié)流小孔需設(shè)計合理。閥套節(jié)流小孔過大,則會導(dǎo)致關(guān)閉狀態(tài)下彈簧力無法克服液壓力,導(dǎo)致關(guān)閉時開啟;閥套節(jié)流小孔設(shè)計過小,與閥芯節(jié)流孔匹配不合適,則又會導(dǎo)致閥芯無法正常開啟,因此,閥芯閥套節(jié)流孔孔徑之間的相互協(xié)調(diào)設(shè)計非常重要。為保證節(jié)流小孔直徑尺寸設(shè)計合理,利用AMESim軟件對閥芯、閥套兩小節(jié)流孔尺寸進行仿真計算,如圖4所示。

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圖4 AMESim 節(jié)流孔尺寸仿真計算

  通過仿真計算,使電磁力、彈簧剛度、節(jié)流小孔的直徑達(dá)到最優(yōu)配合狀態(tài),保證電磁閥可靠的開啟、關(guān)閉功能。

  2.4、接口尺寸

  電磁閥外形尺寸及機械安裝接口如圖5所示。電磁閥電氣接口為:輸入電壓9~12V。

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圖5 電磁閥接口尺寸圖

3、嵌入組合式電磁閥AMESim仿真

  AMESim軟件是基于液壓/機械系統(tǒng)的一種綜合力學(xué)分析軟件,為驗證電磁閥方案設(shè)計的正確性,本文以AMESim軟件為平臺,對電磁閥進行仿真建模。仿真建模如圖6所示。其中輸入信號為12V,電磁閥A腔通入24MPa壓力油,B腔接回油,當(dāng)電磁鐵通電時,A、B腔溝通,B腔產(chǎn)生24MPa壓力油;當(dāng)電磁鐵斷電時,A、B腔截斷,B腔壓力為0。

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圖6 電磁閥AMESim 仿真建模

  仿真試驗結(jié)構(gòu)見圖7、圖8所示。由圖得知,電磁閥在接收12V脈沖信號時,能夠完成開啟關(guān)閉功能,且其開啟時間為2ms,滿足指標(biāo)性能要求。

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圖7 仿真試驗結(jié)果

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圖8 電磁鐵開啟時間仿真結(jié)果

4、試驗驗證

  通過仿真計算結(jié)果,確定出電磁閥的主要參數(shù),并據(jù)此設(shè)計出嵌入組合式電磁閥。電磁閥的實物圖及調(diào)試設(shè)備見圖9所示。

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圖9 嵌入組合式電磁閥的實物圖及調(diào)試試驗

  首先對伺服閥功能進行驗證。輸入12V 階躍信號,觀測試驗臺B腔壓力表變化,嵌入組合式電磁閥能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)功能。對電磁閥開啟電壓進行試驗驗證,測試數(shù)據(jù)見表1所示。

表1 電磁閥開啟壓力測試數(shù)據(jù)

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  由表1可見,電磁閥開啟電壓在8.9~9.7V之間,滿足指標(biāo)≤12V開啟電壓要求。然后對電磁閥開啟時間進行測試,測試結(jié)果見表1。由測試數(shù)據(jù)可見,電磁閥開啟時間滿足指標(biāo)≤10ms要求。

5、結(jié)論

  通過采用嵌入組合式閥芯通油的結(jié)構(gòu)方式,實現(xiàn)了電磁閥的緊湊型設(shè)計;通過Ansoft、AMESim等仿真軟件進行分析計算,確定了電磁閥中電磁力、節(jié)流小孔等諸多重要設(shè)計參數(shù),成功地完成了嵌入組合式電磁閥的設(shè)計、加工和性能測試,通過測試說明,電磁閥能夠達(dá)到各項指標(biāo)要求,滿足設(shè)計要求。