蔣小波 袁金魁 甘嬋芳
(廣東萬和熱能科技有限公司 佛山 528300)
在燃氣熱水器中,控制燃氣通斷/調節(jié)的燃氣比例閥有各種結構形式,在中國目前市場上使用最多的是帶關閉功能的動永磁式燃氣比例閥,該閥由于性價比高、制造工藝簡單、燃氣質量容納度高等特點,廣受各整機廠的選用。
燃氣熱水器在市場上表現點火失敗的故障原因很多,在確認是燃氣比例閥故障導致時,除了出口壓力偏小,基本是控制閥門不開閥導致。然而在故障處理時,由于售后人員的基本上是通過更換新閥體或拆開開關閥,故障消除,所以大多數售后的反饋的數據都是閥門粘閥。由于售后人員的專業(yè)水平及關注度不一樣,從而使技術人員沒有識別到真正的不良原因。市場上因不開閥導致點火失敗現象并沒有得到很好的改善。
帶關閉功能的動永磁式燃氣比例閥,由一個閥體組件、開關閥、比例調節(jié)閥(帶穩(wěn)壓裝置)三大部分組成。如圖1。
圖1 燃氣比例閥結構示意圖
工作原理:在未工作時,二個閥門皆處于關閉狀態(tài),當燃氣從進氣口進入閥體后,給開關閥電磁線圈通電產生吸力拉起閥門,實現開閥,燃氣穿過一道閥體進入第二道閥門,比例調節(jié)閥電磁線圈通電產生與永磁相同極性的排斥力推動氣門組件開閥,進入燃燒室。開關閥實現燃氣通斷,保證燃氣進氣燃燒用具的第一道密封;比例調節(jié)閥內設有調壓裝置、穩(wěn)壓裝置,實現出口壓力的大小調節(jié)、穩(wěn)定控制及第二道密封要求。
帶關閉功能的動永磁式燃氣比例閥不開閥現象,檢測線圈電阻值正常、通入額定電壓/電流測試,開關閥、比例調節(jié)閥都不能正常開閥?;旧峡梢耘卸橐弧⒍篱y間有負壓,吸住閥門無法開閥。
確認閥腔內部負壓方法:打開比例調節(jié)裝配的比例線圈組件及閥蓋,觀察膜片形變:膜片弧度凸起部分向閥體內腔凹進去(如真空現象),如圖2所示;此時用鋼絲挑起膜片邊緣(閥蓋壓縮位置),使內腔與大氣壓連通,膜片恢復凸起。裝回比例線圈組件及閥蓋,測試開關閥、比例調節(jié)閥電壓/電流應能正常開閥。
圖2 負壓氣門形變示意圖
如圖3,比例閥在關閥時的受力情況: F磁+F簧+F2=F重+ F1+F+F支(其中 F=0);給線圈通電 F增大到一定值時,克服F磁、F簧,實現開閥,此時受力關系式可寫成:F磁+F簧+F2? F重+ F1+F+F支(其中F支=0)。在關閥時負壓產生并不斷增大,穩(wěn)壓作用的橡膠膜片由于厚度薄且結構細長,形變量相對較大; 使負壓作用在膜片的受力面積變小,從而使F1變小;此時F2大于F1, F不變的情況下,更不利于開閥。
圖3 氣門組件受力分析示意圖
目前實驗及反饋證明:在通過液化石油氣后燃氣比例閥一、二道閥門間產生負壓,負壓超過一定值后,導致閥門無法開閥。負壓產生的真正原因相對復雜且較難分析到根本原因,故設法在結構上進行改良,將負壓值控制在一定范圍內,避免負壓增大,從而解決不開閥的問題。
比例閥在關閥并有負壓產生時的受力簡寫為:F磁+F簧+F2=F重+ F1+F支(線圈不通電F=0),由于F磁+F簧、F重+F支是一對平衡力,只有變量F1、F2; 負壓在閥腔內各處的壓強相同,故可通過改變F1、F2的壓力面積關系來保證開閥條件,使其滿足:F2?F1;因F=P·S,故關系式變成:S2?S1;也就是說滿足負壓作用在膜片上有效受力面積大于閥口受力面積,可實現自動泄壓。
在氣門組件膜片底部增加一個限位裝置,如圖4,氣門組件在封閥條件下負壓產生并開始增大后,橡膠膜片由于厚度薄且結構細長,凸起的孤面開始向閥腔內發(fā)生形變,當形變使其接觸限位裝置時,此時負壓作用在膜片的壓強由于受力面積S1變成S1′,使F1增大,當其克服F2作用在氣門組件上,推動閥門開閥,從而實現泄壓。
圖4 帶限位裝置負壓氣門形變示意圖
此結構通過限位裝置增大負壓壓強的受力面積,使作用在橡膠膜片上的力增大,實現負壓達到一定值時自動泄壓。這個結構簡單、可制造性高,正壓不影響閥門封閥,負壓達到一定值后橡膠膜片壓迫限位結構,限位結構推動氣門開閥,使閥腔內外壓強平衡,從而實現負壓自動泄壓。
制作氣門組件A、B、C、D四個樣件(如圖5),樣A:膜片下無限位、樣B/C/D:限位高度X分別為1H 。
圖5 氣門組件樣件示意圖
將4個樣件分別裝在同一個燃氣比例閥總成上。按圖6方法連接,在燃氣比例閥一、二道閥門間采壓,并使一、二道閥門保持關閉狀態(tài),用注射器以50 Pa/S的速度往外抽空氣,控制燃氣比例閥一、二道閥門間負壓大小,繼續(xù)抽空氣直到水柱壓力不再上升,記錄水柱壓力最大值、穩(wěn)定值。
圖6 負壓驗證連接方法
由表1可以看出,當燃氣比例閥橡膠膜片無限位時,閥體內負壓一直增加;當燃氣比例閥有限位時,閥體內負壓增加到某值后,會自動下降并穩(wěn)定在一定值,這一過程可稱作為泄壓;且隨限位高度的增加負壓泄壓值越低。也就論證了:氣門組件橡膠膜片的限位結構,可以有效的實現閥腔內部負壓自動泄壓。
表1 負壓泄壓值測試
對于帶關閉功能的比例調節(jié)閥,其調節(jié)作用的氣門組件在橡膠膜片下設置限位結構,可有效解決燃氣比例閥內腔負壓問題。使得燃氣比例閥的對燃氣選擇性、燃氣成份的容忍度更高,從而擴寬了其使用的范圍。對于材料成本不斷攀升的今天,制造成本的提升將直接影響到產品的競爭力,所以在設計限位結構就顯得十分關鍵。以圖3為例,對比二種設計方案優(yōu)缺點。
在膜片下直接設置一個限位墊。此結構相對原有結構,修改一下氣門軸上部裝配高度尺寸,增加一個限位墊片。通過打樣確認可實現負壓自動泄壓,如圖8所示。
圖7 原氣門組件結構
圖8 氣門分體結構
優(yōu)點:改動小,原材可采用金屬或塑料成型;
缺點:增加一個部件帶入厚度公差帶,不利于燃氣穩(wěn)壓一致性的控制;增加的裝配工序不利于生產成本控制及增加自動化設備生產成本。
將限位墊與氣門套集成一個零件,使氣門套即可實現固定密封環(huán)又可起到膜片因負壓形變的限位。通過打樣確認可實現負壓自動泄壓,如圖9所示。
圖9 氣門連體結構
優(yōu)點:裝配簡單,未增加零件及裝配工序,更有利于成本控制及自動化設備生產。
缺點:模具改進相對較大。
氣門組件結構設計直接影響燃氣比例閥比例特性、穩(wěn)壓性、二級氣密性等關鍵性能指標。對比方案二不但有利于生產成本控制、在自動化設備上生產兼容性更強,也利于產品質量的穩(wěn)定性控制。
本文從燃氣比例閥著手,分析了燃氣比例閥的結構及工作原理,閥腔產生負壓后內部結構的變化特點,分析了負壓解決方案及驗證方法;樣件實驗驗證燃氣比例閥在優(yōu)化結構后,能有效的解決閥腔負壓導致無法開閥的問題。并得出以下結論:
1)在燃氣比例閥的氣門組件的膜片下設置限位裝置,可使閥體內腔負壓達一定值后自動泄壓,從而解決燃氣比例閥負壓不開閥的問題。
2)限位高度與膜片高度差越小,負壓泄壓值越小。
3)氣門組件中改善負壓的限位裝置、密封件固定裝置集成,更有利于成本控制及自動化生產。