電磁閥設計要解決的主要問題是密封問題,必須通過對電磁力、彈簧力和氣體壓力的計算確保電磁閥斷電時氣路被隔斷,在通電時電磁力能夠克服彈簧力和氣體壓力迅速打開氣路。同時合理設計密封結構,選用合適的材料保證電磁閥在高溫(+50℃)和低溫(-20℃)環(huán)境中正常工作。

1、電磁閥結構設計

        要實現(xiàn)電磁閥密封要求,首先要保證主要密封件的結構設計合理,加工容易保證。參考進口減壓閥的工作原理,進行了如下改進設計。

1.1、閥桿的設計

         進口電磁閥的密封形式是利用閥桿兩端錐面,通過閥桿的移動分別密封入口端和放氣口端。這種密封形式要求閥桿的加工精度很高,特別是閥桿兩端錐面的同軸度要求在0.01mm以內。這兩錐面用一般數(shù)控機床加工必須經過在兩次定位分別加工,錐面同軸度要求很難保證,因此進口電磁閥在使用過程中性能很不穩(wěn)定,使用壽命較短,而國內傳統(tǒng)電磁閥只能應用于低壓工作范圍,圖2為閥桿工作原理圖。

圖2　閥桿工作原理圖

         在電磁閥的設計當中,通過改變閥桿結構形式,將原來閥桿兩端錐面密封形式改為一側端面密封,另一側保持錐面密封。這樣錐面的同軸度和端面的垂直度和跳動度用普通數(shù)控機床可以在一次定位中加工出來,閥桿的設計精度就比較容易保證,同時降低了加工成本。圖3為閥桿改型設計簡圖。

圖3　閥桿簡圖

1.2、密封力的設計

         在電磁閥設計中,引進氣動密封力概念,即通過改變進氣口兩端面的橫截面積S1、S2 ,使截面S1 > S2 ,在通入高壓氣體P0 時,作用在兩截面的氣體壓力分別是:

F′1 = P0 ·S1

F′2 = P0 ·S2

         這樣,當電磁閥閉合時,由于兩截面均密封,在截面兩端形成壓力差F′1 - F′2 ,產生氣動密封 。此時電磁閥閉合時的密封力由氣體密封力和彈簧力共同提供,既保證了電磁閥閉合時所需要的密封力,同時可以降低了彈簧的設計強度,延長彈簧的使用壽命。

3.2、電磁閥理論計算

3.2.1、電磁力計算

           電磁鐵設計形式為Ⅲ型電磁鐵,具體外形見圖4。

圖4　電磁鐵簡化圖

            在該磁系統(tǒng)的磁路中,由于工作氣隙較小,故雖然存在漏磁通,但相對于主磁通來說可以忽略,故由《平衡力電磁鐵設計計算及實驗研究》中電磁鐵對銜鐵的吸力F為:

所以,μ0 = 275.56 ×103 ;

由上代入公式(6)得: F = 1848.9N

         以上計算結果從理論上證明了該電磁閥設計的合理性,同時這種高壓大流量電磁閥已應用在某型號地面測試儀中,實踐證明使用可靠,性能穩(wěn)定。它的研制成功解決了以往產品依賴進口的現(xiàn)象,并為同類產品的研制提供了可借鑒的方法。