高頻高速大流量數字電磁閥多孔油嘴的研發

文紅武

(海軍裝備部,陜西 西安 710077)

高速數字電磁閥作為航空發動機電子控制系統的電液轉換裝置，是電子控制器的關鍵執行元件[1](見圖1)，在機電液一體化系統中是電子與機械液壓機構間理想的接口元件。其基本工作狀態是: 閥全開或閥全關兩種狀態。通過改變“單位時間”內的閥全開時間與閥全關時間的比例，即可實現對“單位時間”內的介質通過量進行控制[2-3]。其結構簡單，使用元件較少，對污染不敏感；工作平穩，響應迅速；驅動方式靈活，控制精度較高等優點，正是航天發動機調節系統所需。采用脈寬調制的數字電磁閥動作頻率高，每秒鐘開關40次。其運動行程短，它的油嘴與擋板間的開距一般只有0.2～0.25mm。在這種開距的情況下，油嘴的全開直徑只能有0.8～1.0mm，工作流量范圍受到極大限制。

圖1 數字電磁閥結構簡圖

1 傳統數字電磁閥所面臨的問題

由于脈寬調制式數字電磁閥油嘴開度很小，在要求大流量的電磁閥中必然會遇到一系列技術難題。

1.1 數字電磁閥所需的電磁力

例如：在6MPa壓差情況下，用電磁閥控制10L/min的油路，按流量公式(1)計算可得：

式中：

Q——容積流量(米3/秒)；

A——閥門通道面積(米2)；

△p——進出口油壓力差(MPa或公斤/米2)；

ρ——油液密度(公斤/米3)；

g——重力加速度(米/秒2)；

μ——流量系數，粗略計算時取μ=0.62。

則閥門的通道面積：

A=1.933mm2，

保證密封的擋板力：

F=Δp×S=11.6N，

但數字電磁閥開度只有0.2～0.25mm。為保證閥口通道面積，只能在0.2mm寬環縫處供油，其環縫周長L=A/0.2=9.665mm，所以油嘴直徑Φ=L/π=3.078mm，則受力面積變成S=7.44mm2，這時的封口力變成F=44.64N，密封力增大了3.85倍，由于電磁閥都對泄漏量有要求，一般為電磁閥最大壓力，所以彈簧的預緊力至少大于封口力，給電磁閥通電時，在沒有工作介質的情況下，電磁力應克服彈簧的預緊力。當油嘴面發生增大時，彈簧的預緊力增大，電磁力則通過增加線圈匝數的方法增大，產品的外形結構相應增大，也就是電磁閥的電磁力和產品結構需擴大4倍。

其實這種計算方法還不夠完全，因為大口徑小開度情況下，閥門和擋板間各質點的壓差不是宏觀壓差，而且是不均勻的，軸線上的壓差為零，向外逐漸增大，引出口邊沿才是宏觀壓差，所以油嘴直徑還需擴大。

1.2 流量精確性和穩定性

在電磁閥裝配調試中常常需用墊片調整閥門開度。目前，常用的最薄墊片為0.05mm，若大口徑小開度電磁閥的全開度只有0.2mm，那么更換一個墊片就會改變流量的12.5%。這是無法完成裝調流量指標要求的。即使個別電磁閥湊巧能滿足流量的指標要求，也不能同時保證穩定性。因為這種電磁閥運行一段時間后，油嘴與擋板高速撞擊，不可避免產生磨損，使油嘴開度發生變化，造成產品的流量指標出現嚴重的偏差。活門開度每變化0.01mm，流量就會變化5%，無法保證產品穩定的流量指標。

1.3 節流與沖蝕

大口徑小開度的油嘴存在嚴重的節流問題，在小開度下，閥內流體與過流部件發生高速相對運動，極易產生空化現象，破壞流體的連續性，使流場特征更加復雜[4]。此外，空化形成的氣泡在流經壓力恢復區時，會發生潰滅，引發諸如材料損傷、振動、噪聲等問題[5]。它會造成強烈的沖擊力，阻礙擋板的正常運動，無法保證產品的基本功能。在節流口，介質高速流動，具有強大動能，它可以很快將閥芯、閥座沖出流線型的細槽。尤其在小開度時，節流間隙小，節流速度達到最大值，巨大的沖刷作用會破壞鈍化型金屬的表面鈍化膜，并妨礙其再鈍化，使金屬處于表面鈍化膜不完善或者不存在的狀態，腐蝕速度急劇增加，所以這種電磁閥使用壽命較短。

2 解決方案

上述諸多問題使大流量數字電磁閥的研發受阻。為解決這一問題，針對小開度大流量的油嘴提出“多孔”結構，并預估目前和今后需要的壓差和流量要求范圍，給出多孔油嘴結構尺寸的具體設計資料，以解決實際使用過程中的裝配尺寸要求。根據具體不同的壓差、流量要求只要改變基孔孔徑和基孔數量，不必修改其他結構數據就可以與電磁殼體配套，滿足用戶需求。

圖2 多孔油嘴結構示意圖

多孔結構油嘴(如圖2)是否會出現如圖所示，兩出孔軸線及其附近壓差小、排油等問題。為此一方面設置了總流量三分之一的中心輸油孔，解決主要問題。至于兩孔之間輸油不均，其實在單孔油嘴的中心，也存在中心輸油小的問題，具體產品僅需用墊片進行裝配調整修正即可。

具體多孔油嘴結構尺寸如圖3所示。

圖3 多孔油嘴基本尺寸

油嘴的基本尺寸：

基孔Φ0.8mm；密封帶寬0.3mm；

Nmax=12；面積Smax=6.03mm2；

基孔排布周長：

L=13.2mm；

Φ基=4.2mm；

Φ內=2.8mm；

Φ外=5.6mm；

外部尺寸不變，按所需壓差和流量改變均布的孔數和孔徑即可。

擋板的基本尺寸如圖4所示。

擋板的基本尺寸：

擋板的封口直徑：

Φd=Φ外+0.3=5.9mm；

圖4 擋板基本尺寸

這個主孔再分成4個側孔，孔徑為Φck=0.8mm。

3 計算結果

為方便使用，將油嘴不同基孔數以及對應的通道面積在不同壓差下的最大流量分別按公式計算，結果見表1。

表1 計算結果

運用AMESim仿真軟件，建立仿真模型，如圖5所示。

圖5 基孔數不同時的多孔油嘴模型

仿真結果見圖6所示。

圖6 基孔數不同時的多孔油嘴仿真結果

仿真結果列表如表2所示。

從表1和表2可以看出，在不改變數字電磁閥外部接口和主要零件的前提下，僅通過改變油嘴基孔數量，進而改變通道面積，就可以對數字電磁閥流量最大供油量進行靈活、大幅度的改變，達到產品使用需求。

表2 仿真結果

4 結論

數字電磁閥在電控液壓系統中應用日益廣泛，由于其結構簡單，使用元件較少，對污染不敏感；工作平穩，響應迅速；驅動方式靈活，控制精度較高，在航空航天發動機調節系統中大量采用。通過使用“多孔油嘴”可以有效解決數字電磁閥流量不夠等技術難點，實現靈活調節，滿足產品使用需求。

[1] 王秋霞，樊丁，彭凱，等. 航空發動機高速電磁閥控制模式分析研究[J].計算機仿真，2013，30(1):145-150.

[2] 彭凱，樊丁，樸振鵬，等．航空發動機燃油分布器故障分析與參數優化[J]．推進技術，2011，32(2) :276-281．

[3] 蘇明，陳倫軍．基于AMESim 的電磁高速開關閥動靜態特性研究[J]．液壓與氣動，2010(2):68-72．

[4] 沙寶森.黎明的曙光——盤點2011[J].液壓氣動與密封,2012(1):1-3.

[5] 王長江.中國液壓氣動行業當前態勢與對策——2011年液壓液力氣動密封行業工作會議匯報[J].液壓氣動與密封,2012(1)：4-8.