1．前言
我廠參照國外實(shí)物和圖紙?jiān)囍频南葘?dǎo)式天然氣電磁閥線圈額定直流電壓12V，閥門額定工作壓力20MPa，活門直徑10．5mm，動(dòng)鐵芯與定鐵芯之間的氣隙3～3.5mm，活門與隔磁導(dǎo)套之間的直徑間隙O.15～0.30mm。前期用空氣試驗(yàn)，氣源壓力8MPa以上活門打不開，按標(biāo)準(zhǔn)要求用直流電壓8V試驗(yàn)時(shí)，氣源壓力4MPa以上活門打不開。通過分析先導(dǎo)式電磁閥的工作原理，運(yùn)用氣體動(dòng)力學(xué)的理論，分析計(jì)算空氣流過先導(dǎo)閥小孔、流過活門與隔磁導(dǎo)套環(huán)形縫隙的流量，采取了加大小孔的直徑、減小活門與隔磁導(dǎo)套之間的環(huán)形縫隙、減小動(dòng)鐵芯與定鐵芯之間的氣隙等措施，仍然使用原有的線圈，即使電壓只有8V、氣源壓力20Mpa時(shí)，活門也能順利打開。
2．先導(dǎo)式電磁閥的工作原理
先導(dǎo)式天然氣電磁閥工作原理如圖1所示。20MPa的高壓氣體從進(jìn)口進(jìn)入閥體，經(jīng)過隔磁導(dǎo)套與活門的環(huán)形縫隙再經(jīng)過六角形的動(dòng)鐵芯進(jìn)入氣隙腔。電磁線圈不通電時(shí)，活門錐面在上部氣壓力與彈簧力的作用下壓緊閥體，閥門關(guān)閉P1=P0。電磁線圈通電，動(dòng)鐵芯在電磁力的作用下先向上抬起O.5mm左右，活門上的先導(dǎo)閥小孔打開，高壓氣體經(jīng)小孔流出到達(dá)出口(通大氣)，隨著氣體的不斷流出，氣隙腔的壓力由20MPa迅速下降，直到電磁鐵吸力大于活門上受到的氣壓不平衡力時(shí)活門打開，氣體直接由進(jìn)口經(jīng)活門錐面主閥孔進(jìn)入出口流出。
先導(dǎo)閥小孔打開時(shí)，隨著高壓氣體不斷從小孔流出，氣隙腔的壓力的不斷下降，進(jìn)口的氣源氣體與氣隙腔氣體的壓力差迅速加大，20MPa的高壓氣體迅速經(jīng)活門與導(dǎo)套的間隙向氣隙腔補(bǔ)充。如果先導(dǎo)閥小孔太小，或者活門與導(dǎo)套的間隙過大，經(jīng)活門與導(dǎo)套的間隙向氣隙腔補(bǔ)充的氣體大于或略小于氣隙腔從小孔流出的氣體，氣隙腔的氣體壓力P1難以降到使活門抬起的壓力，活門就打不開。活門抬起前受到向下和向上兩個(gè)作用力。向下的力其中一個(gè)是彈簧力，由于彈簧剛度很小，彈簧力可以忽略不計(jì)，其二是氣隙腔氣體的作用力F1（N）。
如果氣隙腔壓力降到P1<P1臨，活門可以在向上的氣壓力的作用下自動(dòng)抬起。從圖2看出，氣隙小到2mm時(shí)電磁鐵吸力只有4.4N，而氣壓力P1從P1臨=11.15MPa，上升僅O.1MPa到11.25MPa，活門受到的向下的力增加到8.25N。所以活門的抬起主要靠氣隙腔壓力P1的下降。活門在向上抬起時(shí)還受到活門與導(dǎo)套間的摩擦力的作用，由于氣體壓力高，活門與導(dǎo)套間的氣壓夾緊力大，摩擦力也大，所以活門要抬起，P1一定要遠(yuǎn)小于P1臨。
活門全部開啟以后，先導(dǎo)閥小孔關(guān)閉，氣隙腔壓力P1又等于氣源壓力P0，所以即使P1降到了活門可以自動(dòng)抬起的壓力，在活門全部打開后，電磁線圈還必須通電，才能使活門保持開啟狀態(tài)。
| P1Ma | 11.55 | 11.35 | 11.25 | 11.15 | 11.0 | 10.80 | 10.6 |
| △F(N) | 34.2 | 16.9 | 8.25 | 0 | -13.4 | -30.7 | -48.0 |
說明：△F為正值表示活門受到的合力向下、△F為負(fù)值表示活門受到的合力向上。
3．電磁閥先導(dǎo)閥小孔流量計(jì)算
| 直徑d(m) | 壓力p1(106Pa) | 20.1 | 16.1 | 12.1 | 8.1 | 4.1 | 0.1 |
| 壓差p1-p2(106Pa) | 20 | 16 | 12 | 8 | 4 | 0 | |
| 0.4×10-3 | 流量qvm3/s | 3.5578 | 2.2826 | 1.2893 | 0.5777 | 0.1479 | 0 |
| 0.5×10-3 | 8.686 | 5.5728 | 3.1476 | 1.4104 | 0.3612 | 0 |
4．活門與隔磁導(dǎo)套環(huán)形縫隙的流量計(jì)算
| 間隙 h×10-5(m) |
壓力p1(106Pa) | 20.1 | 16.1 | 12.1 | 8.1 | 4.1 | 0.1 |
| 壓差p1-p2(106Pa) | 0 | 4 | 8 | 12 | 16 | 20 | |
| 2.5 | 流量qvm3/s | 0 | 0.0192 | 0.0341 | 0.0448 | 0.0513 | 0.0535 |
| 5.0 | 0.1535 | 0.2729 | 0.3585 | 0.4103 | 0.5050 | ||
| 7.5 | 0.5178 | 0.9211 | 1.2100 | 1.3846 | 1.4446 | ||
| 10.0 | 1.2273 | 2.1835 | 2.8684 | 3.2820 | 3.4243 | ||
| 12.5 | 2.3971 | 4.2646 | 5.6022 | 6.4101 | 6.6881 | ||
| 15 | 4.1422 | 7.3689 | 9.6811 | 11.0770 | 11.5570 |
5．先導(dǎo)閥孔徑、環(huán)隙、氣隙對(duì)閥門開啟的影響
從圖3看出，對(duì)于同一小孔直徑、同一環(huán)形縫隙，相應(yīng)都存在某一氣隙腔壓力P1，在這個(gè)壓力下，氣隙腔從小孔流出的氣體與從環(huán)形縫隙流進(jìn)氣隙腔的氣體流量相等，這就是流量平衡點(diǎn)的壓力。對(duì)于同一小孔直徑，環(huán)形縫隙大，平衡點(diǎn)的壓力就高；環(huán)形縫隙小，平衡點(diǎn)的壓力就低。對(duì)于同一環(huán)形縫隙，小孔直徑大，平衡點(diǎn)的壓力就低；小孔直徑小，平衡點(diǎn)的壓力就高，根據(jù)表1可以看出，只有平衡點(diǎn)的壓力P1小于臨，也就是P1<11.15MPa，活門才能打開，考慮到活門與導(dǎo)套間的摩擦阻力，活門打開時(shí)的P1，還應(yīng)比11.15MPa小得多。結(jié)合表2和表3，從圖3看出，當(dāng)小孔直徑d=0.5mm，環(huán)形縫隙h=0.100mm時(shí)，流量平衡點(diǎn)的壓力P1=10.645MPa<11.15MPa，當(dāng)小孔直徑d=0.4mm環(huán)形縫隙h必須小于O.075mm時(shí)流量平衡點(diǎn)的壓力P1=10.766<11.15MPa，從上分析看出，國外圖紙上小孔直徑0.4mm，環(huán)狀縫隙0.15～0.30mm是不合理的。根據(jù)電磁鐵的吸力公式
可鐵的吸力Fx與氣隙δ成反比，所以要加大電磁鐵的吸力，應(yīng)該在確保活門開啟高度的前提下，盡可能減小氣隙δ。根據(jù)計(jì)算，先導(dǎo)式電磁閥活門的開啟高度H=1.34mm，所以活門氣隙還可以比原來減少1mm以上。電磁閥的先導(dǎo)閥孔徑、環(huán)隙和氣隙經(jīng)調(diào)整后，電磁閥在進(jìn)口氣源壓力20．0Mpa時(shí)，用8V直流電順利開啟，尺寸調(diào)整情況見表4。
| 試驗(yàn) 序號(hào) |
氣隙 δ(mm) |
環(huán)狀縫隙 H(mm) |
小孔直徑 d(mm) |
直流電壓 (V) |
進(jìn)氣壓力 (MPa) |
試驗(yàn)情況 |
| 1 | 3.5 | 0.15 | 0.5 | 8 | 4 | P0=4MPa可以打開；大于4MPa打不開 |
| 2 | 3.5 | 0.025 | 0.5 | 8 | 20 | P0=20MPa可以打開 |
| 3 | 2.4 | 0.025 0.15 |
0.5 | 8 | 20 | P0=20MPa可以打開 |
6．結(jié)論
在理論的指導(dǎo)下，我們采取了三項(xiàng)改進(jìn)措施，一是通過增加調(diào)整墊片的厚度減小氣隙；二是將先導(dǎo)閥小孔直徑由原O.4mm加大到O.5mm；三是減小活門與導(dǎo)套的環(huán)狀縫隙，這些改進(jìn)措施，效果相當(dāng)明顯，先導(dǎo)式電磁閥可以在額定20MPa氣源壓力，8V直流電壓下順利打開。所以對(duì)于從國外引進(jìn)的產(chǎn)品，不能照搬照抄，應(yīng)該在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，從理論上進(jìn)行分析研究，不斷加以改進(jìn)，才能有所創(chuàng)新。
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