(西華大學(xué)汽車與交通學(xué)院， 四川成都610039)

0 引言

電磁閥是流體自動化控制系統(tǒng)中的基礎(chǔ)原件，屬于控制器件，在液壓、氣壓系統(tǒng)中起著十分重要的作用[1]。但傳統(tǒng)的電磁閥產(chǎn)品有體積較大、質(zhì)量較重、能耗較高等問題。在電磁閥設(shè)計中,根據(jù)電磁力與磁動勢之間的關(guān)系[2]確定閥芯工作壓力與結(jié)構(gòu)尺寸，再通過數(shù)學(xué)方法分析各參數(shù)對整體的影響程度，從而確定一個合理的設(shè)計尺寸范圍使設(shè)計產(chǎn)品具有一個更高效的輸出性能，以滿足產(chǎn)品的輕量化和節(jié)能環(huán)保的要求。

1 參數(shù)分析方法

根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗可知，電磁閥閥芯驅(qū)動器部分的結(jié)構(gòu)尺寸包括：動鐵芯直徑D0、繞組直徑D1、繞組線徑d、繞組寬度L，這些參數(shù)會直接顯著影響設(shè)計的體積、結(jié)構(gòu)、功耗、精度、壽命等。首先尋找工作壓力、輸入功率與結(jié)構(gòu)參數(shù)和電性能參數(shù)之間的關(guān)系[3]。

1.1 通電螺線管內(nèi)磁極之間的電磁吸力

電磁閥閥芯驅(qū)動部分的結(jié)構(gòu)類似于用漆包線纏繞的螺線管結(jié)構(gòu)[4]，而驅(qū)動閥芯的磁場力由螺線管中鐵芯所產(chǎn)生。工程上常用的力學(xué)計算式[5]為：

(1)

式中，N為繞組匝數(shù)；I為電流強度,A;δ為氣隙長度，m;μ0為真空磁導(dǎo)率,4π·10-7·Wb·(A·m)-1；S為磁路截面積,m2;k為磁漏系數(shù)(根據(jù)經(jīng)驗一般取1.2～5.0)。

1.2 體積結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系

1.閥芯驅(qū)動器總成 2.閥體 3.緊固件D0.動鐵芯直徑 D1.繞組直徑 D2.閥口直徑P1.進(jìn)氣通道P2.出氣通道R.閥腔 d.繞組線徑 L.繞組寬度 δ.氣隙長度圖1 電磁閥的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of electromagnetic valve structure

圖1為某一氣動電磁閥總成的剖面視圖且設(shè)計方案已取得專利，電磁閥總成由閥芯驅(qū)動器[6]、閥體和緊固件組成。P1為流入R腔的進(jìn)氣通道，當(dāng)閥口打開時空氣通過D2上端的堵頭經(jīng)P2出氣通道流出電磁閥[7]。

此設(shè)計結(jié)構(gòu)中堵頭采取端面密封，只有在閥芯驅(qū)動力克服閥腔內(nèi)壓強差后閥口通路才可打開[8]。因此該款電磁閥的實際工作壓力由閥芯驅(qū)動力即電磁力決定。

電磁力和結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系[9-10]:

(2)

式中，F(xiàn)c為計算載荷；λ為載荷系數(shù)(取值根據(jù)工況環(huán)境的載荷大小選取，一般大于1.3)；U為輸入電壓，V;d為漆包線直徑，m；ρ為電阻率，Ω·m；η為繞組長度損耗系數(shù)(根據(jù)繞線工藝一般取0.6～1)。

電磁閥承受的工作壓強:

(3)

1.3 參數(shù)影響度計算

通過對數(shù)學(xué)模型中各參數(shù)的偏微分運算確定對輸出性能影響最大的因素，從而依次確定具體設(shè)計參數(shù)[11-12]。

(4)

(5)

(6)

(7)

工作壓強與輸入功率以及結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系：

(8)

1.4 輸入功率對設(shè)計體積的影響

(9)

通過式(9)，在滿足壓強的條件下要首先定線徑d，盡量選擇較小線徑來保證較小的功耗。在一定程度上η的提升也有助于功率的減小，所以繞線工藝對整機性能的影響也不可忽略[13]。

D0的確定要根據(jù)閥口處的尺寸結(jié)構(gòu)來輔助選定[14]，一般情況下D0要大于閥口直徑如圖1所示才能保證工作的穩(wěn)定性和滿足該設(shè)計的裝配工藝。

L的選定，通過功率計算式(9)發(fā)現(xiàn)L的增大對輸入功率起降低的作用，但對工作壓強沒有影響，所以此參數(shù)的確定與設(shè)計極限有關(guān)，在未超過設(shè)計極限尺寸和總質(zhì)量不過多增加的前提下，可適當(dāng)增加L的長度以保證較低的能耗。

1.5 結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

通過式(3)可知，對工作壓強有影響的結(jié)構(gòu)因素有繞組線徑d、動鐵芯直徑DO、繞組直徑D1。由式(9)知，對輸入功率有影響的結(jié)構(gòu)因素有繞組線徑d、動鐵芯直徑DO、繞組直徑D1和繞組寬度L。為確定各參數(shù)對輸出性能的影響程度，據(jù)設(shè)計經(jīng)驗知結(jié)構(gòu)參數(shù)之間無顯著交互作用。因此，建立無交互作用的四因數(shù)三水平二指標(biāo)的正交試驗。表1中,A代表因素d、B代表因素D1、C代表因素D0、D代表因素L。

表1 試驗組合 Tab.1 Test combination

表2中，試驗指標(biāo)為工作壓強和輸入功率。表3中，kij為表2因素中第j列上水平號為i的各次試驗結(jié)果之和，Rj為第j列所對應(yīng)因數(shù)的極差。

表2 正交表L9(34)Tab.2 Orthogonal test table L9(34)

表3 極差表Tab.3 Range table

圖2 閥芯驅(qū)動器設(shè)計空間示意圖Fig.2 Schematic diagram ofvalve core driver design space

通過試驗可知，對工作壓強造成影響的因素按主次順序為ACBD, 對輸入功率造成影響的因素按主次順序為ABCD。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)可知，繞組d在結(jié)構(gòu)參數(shù)中對設(shè)計性能影響最大。D1在工作壓強計算環(huán)節(jié)對結(jié)果的影響程度雖然不及D0,但D0在設(shè)計過程中可由其他環(huán)節(jié)間接確定，D1在輸入功率計算環(huán)節(jié)為第二主要因素。綜上，參數(shù)d和D1為設(shè)計重點需討論其變化規(guī)律，而D0和L的取值只要能滿足工藝要求即可。通過正交試驗分析，繞組的線徑d對工作壓強和輸入功率的影響最大，其次是繞組直徑D1。設(shè)計原則要求在其他參數(shù)不變的條件下，盡可能降低輸入功率和盡可能提高工作壓強。

此款電磁閥技術(shù)要求是標(biāo)稱工作壓強0.3 MPa，功耗在3 W以內(nèi)，標(biāo)稱電壓為12 V,閥芯驅(qū)動器設(shè)計空間不超過Φ30 mm×40 mm的圓柱體空間，如圖2虛線所示。

正交試驗表L9(34)中，A1B3C3D3為最接近設(shè)計技術(shù)要求的試驗組合，又因為d對結(jié)果影響最大所以首先固定A1，則d的取值為0.22 mm。

通過編程對數(shù)組進(jìn)行比對，表4所示D1的取值范圍在19.5～22.5 mm均能滿足工作壓強和輸入功率。但為了產(chǎn)品的工作可靠性選取了21 mm作為繞組直徑的設(shè)計尺寸，此時的工作壓強較大、結(jié)構(gòu)尺寸較小、功率略有提升但均在設(shè)計要求范圍內(nèi)。

表4 壓強、功率隨直徑D1的變化Tab.4 Changes of pressure and power with diameter D1

由圖3可知壓強、功率隨直徑D1的變化趨勢，通過曲線直觀的判斷滿足設(shè)計技術(shù)要求的參數(shù)取值范圍。

圖3 壓強、功率隨直徑D1的變化曲線Fig.3 Variation curves of pressure and power with diameter D1

圖4直觀反映了線徑d變化對工作壓強和輸入功率的影響趨勢及參數(shù)的取值范圍，表5的數(shù)據(jù)組對比表明,線徑小于0.215 mm時無法滿足壓強要求，大于0.23 mm時無法滿足功率要求。繞組線徑為0.22 mm時,工作壓強為0.334 MPa,功率為2.48 W均滿足此設(shè)計結(jié)構(gòu)下的技術(shù)要求。而線徑為0.225 mm和0.23 mm時都滿足工作壓強和輸入功率的要求，但超出設(shè)計要求較多且能耗較高，不符合節(jié)能環(huán)保的原則，所以不作為優(yōu)先選擇。線徑為0.215 mm雖然也滿足設(shè)計要求但工作壓強接近設(shè)計的臨界條件可靠性較低，所以也不作優(yōu)先選擇。

表5 壓強、功率隨線徑d的變化Tab.5 Changes of pressure and power with Enameled wire diameter d

圖4 壓強、功率隨線徑d的變化曲線
Fig.4 Variation curves of pressure and power with Enameled wire diameterd

具體參數(shù)分析方法階段主要找到了重要參數(shù)的類別和如何先后確定各個參數(shù)之間的關(guān)系。在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中還要考慮零件的加工工藝，設(shè)計零件的之間的裝配工藝，還有整機的安裝和檢修的難易程度。此設(shè)計階段中有一定的經(jīng)驗設(shè)計參與。

2 結(jié)構(gòu)效驗

圖5(a)和圖5(b)所表示的分別是閥芯驅(qū)動器和電磁閥的總成示意圖，閥芯驅(qū)動器與閥體之間通過緊固件連接，配合面有相應(yīng)的密封措施。

(a) 閥芯驅(qū)動器總成

(b) 電磁閥總成

表6 有限元仿真的機械性能參數(shù)Tab.6 Mechanical performance parameters of finite element simulation

設(shè)計在滿足電性能條件和力學(xué)條件后進(jìn)行零件的強度效驗[15]，以檢驗設(shè)計結(jié)構(gòu)的有效性和尋找危險截面以便在設(shè)計過程中對設(shè)計尺寸進(jìn)行修正。將關(guān)鍵零件動鐵芯和安裝座的三維模型導(dǎo)入workbench中建立模型的靜力學(xué)仿真[16]，材料機械性能參數(shù)如表6所示。

根據(jù)其工作原理，在workbench環(huán)境下施加約束和載荷。圖6中零件的承載面為動鐵芯的小端面，且該零件在0.3 MPa環(huán)境下進(jìn)行靜力學(xué)仿真如圖6所示。

(a) 動鐵芯應(yīng)變云圖

圖6 動鐵芯模型的有限元計算結(jié)果
Fig.6 Finite element calculation results of moving iron core model

圖6(a)所示為零件的應(yīng)變云圖，最大應(yīng)變區(qū)域為零件端部。最大應(yīng)變量為0.000 100 19 mm，材料應(yīng)變極小對其正常工作不產(chǎn)生影響。圖6(b)所示為根據(jù)摩爾強度理論[17]得出的Mises應(yīng)力云圖，圖中形狀尺寸發(fā)生變化的危險區(qū)域最大應(yīng)力為1.401 3 MPa。材料屈服極限為98 MPa，強度裕量充足。通過上圖分析，該零件的強度剛度均滿足極限條件且有較大裕量，設(shè)計零件滿足技術(shù)要求[18]。

安裝座是與閥體配裝的關(guān)鍵零件，承載情況較為復(fù)雜。兩端對稱孔為安裝孔，分別沿Z軸方向施加60 N的均布載荷于孔的端面圓周部位。裝配完成后零件中部的結(jié)構(gòu)表面將暴露在氣壓為0.3 MPa的閥腔內(nèi)如圖1所示，零件正常工作時將同時承受這兩種載荷的作用[19-20]。

圖7(b)和圖7(d)是安裝座的應(yīng)變云圖，圖7(a)和圖7(c)是應(yīng)力云圖。

(a) 安裝座正面的應(yīng)力云圖

(b) 安裝座正面的應(yīng)變云圖

(c) 安裝座背面的應(yīng)力云圖

(d) 安裝座背的應(yīng)變云圖

圖7 安裝座模型的有限元計算結(jié)果
Fig.7 Finite element calculation results of mounting block model

安裝座應(yīng)變云圖的最大應(yīng)變?yōu)?.000 351 89 mm，加載后的應(yīng)變極小不會對裝置正常工作造成影響。Mises應(yīng)力云圖可知零件最大應(yīng)力處在零件中部突起的結(jié)構(gòu)處且最大應(yīng)力為32.076 MPa已經(jīng)達(dá)到了屈服強度的1/3，但零件的強度要求均在安全范圍之內(nèi)，滿足設(shè)計要求。

圖8(a)為根據(jù)設(shè)計方案試制的測試電磁閥。由于設(shè)計方案的閥體不便于對閥芯驅(qū)動器總成進(jìn)行測試，另設(shè)計檢測工裝與閥芯驅(qū)動器相裝配，且保證與原設(shè)計方案的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)一致。實物圖如圖8(a)、圖8(b)所示為閥芯驅(qū)動器總成。

(a) 試制測試電磁閥總成

(b) 試制閥芯驅(qū)動器總成

試制樣機的測試數(shù)據(jù)見表7。

表7 測試電磁閥的實測性能Tab.7 Measurement of electromagnetic valve performance

如表7所示，測試電磁的極限工作壓強0.340 MPa理論計算壓強為0.334 MPa。試制樣機性能與理論設(shè)計基本吻合，而輸入功率為2.48 W小于電性能要求3 W的標(biāo)準(zhǔn),所以試制的電磁閥的關(guān)鍵性能均滿足設(shè)計要求。

3 結(jié)論

在設(shè)計產(chǎn)品過程中通過結(jié)構(gòu)分析來獲得最優(yōu)參數(shù)，從而確定了產(chǎn)品的最優(yōu)尺寸和最佳性能，相比先前相似類型的電磁閥在體積、零件總數(shù)、裝配工藝、輸出性能等方面都得到了顯著的提升。優(yōu)化設(shè)計后的產(chǎn)品克服了普通電磁空氣流量控制器能耗較大，效率較低，壽命較短，控制精度低，體積質(zhì)量較大，噪聲震動較大等不利因數(shù)對整體性能的影響。