劉靜敏 董錟 劉德勝

摘 要：某發(fā)動(dòng)機(jī)使用的高溫電磁氣動(dòng)閥最高工作溫度為650 ℃，環(huán)境溫度為250 ℃，這兩個(gè)溫度對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)布局、材料的選取及電磁鐵的設(shè)計(jì)和制造帶來(lái)了很大的難度。本文通過(guò)流體仿真、溫度場(chǎng)仿真，為閥體部分設(shè)計(jì)了合適的結(jié)構(gòu)，保證閥體在650 ℃下能可靠工作。

關(guān)鍵詞：高溫電磁氣動(dòng)閥;仿真;隔熱

中圖分類號(hào)：TQ336.42文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）16-0039-03

Abstract： The highest working temperature of the high-temperature solenoid pneumatic valve used by an engine is 650 ℃， and the ambient temperature is 250 ℃. These two temperatures bring great difficulties to the structure layout， material selection and the design and manufacture of the electromagnet. Through fluid simulation and temperature field simulation， this paper designed a suitable structure for the valve body to ensure that the valve body can work reliably at 650 ℃.

Keywords： high temperature electromagnetic pneumatic valve;simulation;heat insulation

電磁氣動(dòng)閥常用于飛機(jī)環(huán)控引氣系統(tǒng)，在系統(tǒng)中起換向和開(kāi)關(guān)介質(zhì)通道的作用[1-3]。在高溫、高壓系統(tǒng)中，普通電磁氣動(dòng)閥已經(jīng)無(wú)法滿足環(huán)控引氣系統(tǒng)的要求。為了有效提高電磁氣動(dòng)閥的耐高溫性，本文依據(jù)ANSYS流體仿真和溫度場(chǎng)仿真，從執(zhí)行機(jī)構(gòu)和隔熱設(shè)計(jì)來(lái)探討高溫電磁氣動(dòng)閥的設(shè)計(jì)方法。

1 高溫電磁氣動(dòng)閥概述

1.1 功能

高溫電磁氣動(dòng)閥為某新型發(fā)動(dòng)機(jī)空氣系統(tǒng)配套的產(chǎn)品。通過(guò)閥芯的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的開(kāi)啟及關(guān)閉。

1.2 結(jié)構(gòu)及工作原理

高溫電磁氣動(dòng)閥主要由電磁鐵、支架、兩位三通閥、組合密封環(huán)、活塞、彈簧、密封墊、進(jìn)氣法蘭、殼體、電連接器等組成，如圖1所示。

當(dāng)進(jìn)氣口無(wú)壓力時(shí)，活塞在彈簧的作用下保持在關(guān)閉位置。當(dāng)電磁鐵不通電，進(jìn)氣口加壓時(shí)，活塞在空氣壓力的作用下克服彈簧力向左運(yùn)動(dòng)到全開(kāi)位置，打開(kāi)供氣通道向下游供氣;當(dāng)電磁鐵斷電時(shí)，高溫引氣進(jìn)入A腔，活塞在彈簧作用下向右運(yùn)動(dòng)到關(guān)閉位置，切斷下游供氣。

2 高溫氣動(dòng)電磁閥的設(shè)計(jì)

2.1 流阻仿真

流阻仿真輸入?yún)?shù)見(jiàn)表1。

通過(guò)仿真，初始設(shè)計(jì)的流道流阻達(dá)到31.8 kPa，滿足初始設(shè)計(jì)要求。綜合各因素，改進(jìn)方案如下：活塞行程增加2 mm;填充入口法蘭段小臺(tái)階，避免該處渦流的形成;對(duì)進(jìn)氣口進(jìn)行擴(kuò)口，增大流通截面。流道優(yōu)化后的高溫電磁氣動(dòng)閥截面壓力云圖見(jiàn)圖2。通過(guò)優(yōu)化流道，產(chǎn)品的流阻為18.22 kPa，減小了約40%，滿足技術(shù)要求。

2.2 溫度場(chǎng)仿真

在考慮熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流的情況下對(duì)該高溫電磁氣動(dòng)閥進(jìn)行熱固耦合仿真，產(chǎn)品入口腔流通壁面設(shè)置為介質(zhì)溫度923 K，高壓引氣管嘴內(nèi)壁面設(shè)置為介質(zhì)溫度923 K，活塞、A腔內(nèi)壁、電磁鐵等其余部位按自然傳導(dǎo)形成溫度，仿真時(shí)電磁鐵不通電，產(chǎn)品外部環(huán)境溫度為523 K，與空氣自然對(duì)流散熱，對(duì)流換熱系數(shù)設(shè)置為17 W/（m2·K），不同材料的屬性見(jiàn)表2。

截面溫度場(chǎng)仿真溫度分布如圖3所示。從仿真結(jié)果可以得出，隔熱墊下部活門(mén)殼體明顯高于電磁鐵區(qū)域溫度。

2.3 活塞運(yùn)動(dòng)計(jì)算和熱變形分析

2.3.1 活門(mén)關(guān)閉時(shí)摩擦力計(jì)算。進(jìn)口最大壓力為0.272 MPa，溫度為650 ℃，閥門(mén)流量為0.04 kg/s。摩擦力計(jì)算公式為[4-5]：

式中：[F2]為作用在活塞上的摩擦力，N;[P2]為作用在第一層活塞環(huán)上（進(jìn)氣口端）的引氣壓力，如活塞一側(cè)有壓力，按等級(jí)均分的原理應(yīng)該取值為0.180 MPa，活塞開(kāi)始關(guān)閉時(shí)活塞兩側(cè)同時(shí)供氣，故取最大值，為0.272 MPa;[P3]為作用在第二層活塞環(huán)上（活塞端）的引氣壓力，如活塞一側(cè)有壓力，按等級(jí)均分的原理應(yīng)該取值為0.090 MPa，活塞開(kāi)始關(guān)閉時(shí)活塞兩側(cè)同時(shí)供氣，故取最大值，為0.272 MPa;[A2]為單個(gè)密封槽中密封環(huán)的內(nèi)圓柱面積，約為226.2 mm2;[F彈]為單個(gè)彈簧片的彈力，約為2 N;[μ]為密封環(huán)高溫下的摩擦系數(shù)，廠內(nèi)同類產(chǎn)品在500 ℃時(shí)的摩擦系數(shù)為0.06～0.08，本產(chǎn)品的工作溫度為650 ℃，故增加一定裕度，按0.09～0.11。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，最大壓力下作用在活塞環(huán)上的摩擦力約為14 N。

2.3.2 動(dòng)壓對(duì)活塞作用力的計(jì)算。氣體密度公式為：

式中：[ρ]為壓縮氣體密度，kg/m3;[Pr1]為涵道引氣壓力設(shè)計(jì)點(diǎn)，為0.272×106 Pa（絕壓）;[R]為熱力學(xué)常數(shù)，取287.1 J/kg·K;[Tr1]為涵道引氣溫度，取744 K。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（2），可得出壓縮氣體密度[ρ]為1.273 kg/m3。

活塞受力面積的公式為：

式中：A3為活塞受力面積，mm2;[D]為活塞直徑，mm，為22 mm。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（3），可得A3為380 mm2。

計(jì)算流速：

式中：[v]為氣體流速，m/s;[G]為氣體流量，取0.04 kg/s。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（4），得出[v]為82.7 m/s。

動(dòng)壓對(duì)活塞作用力：

式中：[F3]為動(dòng)壓對(duì)活塞的作用力。將其他數(shù)據(jù)代入式（5），可得出[F3]為5.5 N。

2.4 彈簧設(shè)計(jì)

彈簧預(yù)壓力在30～32 N。彈簧設(shè)計(jì)參考《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》（單行本）第七篇[4]，故不在列出。

2.5 電磁鐵的隔熱降額設(shè)計(jì)技術(shù)

該產(chǎn)品設(shè)計(jì)為斷電打開(kāi)，通電關(guān)閉，可以避免電應(yīng)力和熱傳導(dǎo)同時(shí)對(duì)電磁鐵造成溫升。電磁鐵不通電，產(chǎn)品打開(kāi)，只有熱傳導(dǎo)造成電磁鐵溫升;通電關(guān)閉，產(chǎn)品成為盲腔，只有電應(yīng)力造成電磁鐵溫升。螺釘連接處通過(guò)耐高溫隔熱墊將電磁鐵與殼體分離，其余部位為空氣隙，可以有效減少熱傳導(dǎo)。通過(guò)以上措施，能盡可能地減少高溫空氣對(duì)電磁鐵的溫升影響。

2.6 高溫電磁鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

銜鐵、殼體等磁性材料選擇耐溫高的軟磁合金1J22，其居里溫度高。線圈架、殼體等與線圈接觸的部位噴涂陶瓷，保證殼體、線圈架的絕緣性能。線圈選用噴涂陶瓷的銀導(dǎo)線，其耐溫達(dá)到500 ℃，抗高溫氧化性好。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

2019年8月至2020年4月，生產(chǎn)了3套產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)物試驗(yàn)驗(yàn)證。3套試驗(yàn)件流阻均符合仿真預(yù)計(jì)要求，不大于19.5 kPa;在室溫下，入口壓力為表壓為35 kPa，產(chǎn)品能夠正常打開(kāi)、關(guān)閉;溫度為650 ℃，壓力為表壓為272 kPa，產(chǎn)品通電關(guān)閉，斷電打開(kāi)。打開(kāi)時(shí)間、關(guān)閉時(shí)間均為1 s;電流均不大于1.8 A。

4 結(jié)論

本文提出了一種高溫電磁氣動(dòng)閥的設(shè)計(jì)方法，對(duì)同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。在設(shè)計(jì)高溫電磁氣動(dòng)閥時(shí)，需要進(jìn)行以下工作：進(jìn)行流體仿真，便于優(yōu)化介質(zhì)流道;進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真，便于產(chǎn)品材料選取及電磁鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);進(jìn)行氣動(dòng)性能計(jì)算，保證產(chǎn)品能正常開(kāi)關(guān);進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品的可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉洪武.基于流體仿真軟件對(duì)電磁鐵的溫升分析[J].低壓電器，2013（5）：8-11.

[2]楊世忠，邢麗娟.調(diào)節(jié)閥流量特性分析及應(yīng)用選擇[J].閥門(mén)，2006（5）：33-36.

[3]楊紀(jì)偉.調(diào)節(jié)閥流量調(diào)節(jié)理論研究[J].流體機(jī)械，2003（2）：24-26.

[4]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002：7-13.

[5]張冠生，陸儉國(guó).電磁鐵與自動(dòng)電磁元件[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982：23-45.