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℃)環境中正常工作。

1、電磁閥結構設計

        要實現電磁閥密封要求,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定,使用壽命較短,而國內傳統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,性能穩定。它的研制成功解決了以往產品依賴進口的現象,并為同類產品的研制提供了可借鑒的方法。