一種大流量液路隔斷閥的研究

賈 玥，董 雪

（北京航天動力研究，北京，100076）

0 引 言

隨著對空間飛行器可靠性的要求越來越高，做好系統(tǒng)冗余設(shè)計非常重要。本文提出的一種大流量液路隔斷閥就是動力系統(tǒng)冗余設(shè)計的一個重要組件，安裝在動力系統(tǒng)發(fā)動機電磁閥與推進劑貯箱之間，其主要功能有：a）發(fā)動機工作時，液路隔斷閥處于打開狀態(tài)（通電打開并靠磁性自鎖[1]），滿足系統(tǒng)大流量工作時的流阻要求；b）發(fā)動機停止工作時，液路隔斷閥處于關(guān)閉狀態(tài)（通電關(guān)閉并靠磁性自鎖），在工作壓力范圍內(nèi)可靠密封，保證了發(fā)動機電磁閥的密封可靠性；c）下游發(fā)動機電磁閥出現(xiàn)故障導致推進劑泄漏時，關(guān)閉液路隔斷閥，防止推進劑泄漏，并開啟備份路推進系統(tǒng)。因此，該液路隔斷閥的性能好壞直接影響整個動力系統(tǒng)的工作可靠性。本文簡述了液路隔斷閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計、主要設(shè)計參數(shù)、仿真計算分析、該類帶永久磁鐵的自鎖類閥門在設(shè)計時的要點、計算漏磁系數(shù)[2]及對各個工作電壓下銜鐵的吸力性能[3]進行的仿真計算，以確保所設(shè)計的閥門可靠工作。

1 液路隔斷閥的工作原理和主要設(shè)計要求

1.1 工作原理

液路隔斷閥的工作原理是利用永久磁鐵的吸力，使銜鐵保持在開啟（或關(guān)閉）位置，通過給線圈接通脈沖電流，改變閥門的狀態(tài)。線圈在瞬間通電后，再給線圈斷電，液路隔斷閥保持通電后的狀態(tài)，從而達到閥門開關(guān)工況的要求。液路隔斷閥主要由位顯開關(guān)、電磁鐵、插座、鎖緊螺母和閥體等組成。鎖緊螺母將電磁鐵和閥體連接成一體。

1.2 設(shè)計要求

液路隔斷閥主要性能參數(shù)要求：工作溫度-40～60 ℃，工作壓力0～2.8 MPa，額定流量下的流阻不大于0.15 MPa，額定水流量301 g/s，驅(qū)動電壓21～29.5 V，閥門開關(guān)響應(yīng)時間小于100 ms，閥門絕緣電阻不小于20 MΩ，內(nèi)漏率不大于 1×10-5（Pa·m3）/s（2.8 MPa，He 檢），外泄漏不大于 1×10-7（Pa·m3）/s（2.8 MPa，He檢），循環(huán)工作壽命不少于2000次。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計和磁路分析計算

2.1 設(shè)計的液路隔斷閥結(jié)構(gòu)

所設(shè)計的液路隔斷閥是帶位顯的非直流式自鎖閥，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，三維外形如圖2所示。

圖1 液路隔斷閥結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of the Liquid

圖2 液路隔斷閥三維外形示意Fig.2 Three Dimension Shape of the Liquid Obstruct Valve

采用磁性自鎖（徑向永久磁鐵力[4]、彈簧力及液體壓力共同作用使液路隔斷閥斷電后保持在開位或關(guān)位)，隔斷閥打開和關(guān)閉共用一個線圈，正向通電閥門打開，反向通電閥門關(guān)閉。由于流量大且閥門流阻要求小，因此必須控制流速，所設(shè)計閥門流通直徑大的在閥門進口無須加裝過濾器。

由于殼體、擋鐵、銜鐵等導磁零件均采用高飽和磁感應(yīng)強度軟磁合金并經(jīng)表面處理，永磁零件（磁鋼）采用燒結(jié)釹鐵硼[5]輻向極化，線圈分兩個窗口同一方向串聯(lián)繞制，因此通過改變電流方向?qū)崿F(xiàn)閥門打開和關(guān)閉的動作。

由于工作壽命在5000次以下的無需上下游支撐的撓性片，因此采用一般電磁閥的導向套，銜鐵兩端部位的導向套采用隔磁環(huán)與導磁體電子束焊接，以提高吸力。

閥芯采用如圖1所示的結(jié)構(gòu)，即通過磁鋼吸力和液壓力形成閥口密封，閥芯行程通過銜鐵可以隨意調(diào)節(jié)。

為了提高液路隔斷閥的可靠性，在頂部設(shè)有位置顯示，用來監(jiān)視液路隔斷閥處于打開或關(guān)閉位置。

2.2 液路隔斷閥磁路分析

液路隔斷閥的磁路由兩部分組成，一部分是永久磁鐵產(chǎn)生的并聯(lián)氣隙極化磁路，另一部分是控制線圈產(chǎn)生的串聯(lián)氣隙的控制磁路。這類磁路計算沒有現(xiàn)成公式可循，只能依據(jù)電磁基本原理，對其計算公式進行推導而得出計算公式，并初步確定磁路的參數(shù)和部分結(jié)構(gòu)尺寸，在此基礎(chǔ)上，用電磁仿真軟件AnsoftMaxwell[6，7]進行電磁場靜特性分析和吸力特性分析，通過分析結(jié)果判斷所設(shè)計的結(jié)構(gòu)和性能是否滿足設(shè)計要求，并且不斷完善修改，直到得到最優(yōu)結(jié)果。

對液路隔斷閥的電磁鐵進行如下靜特性磁場仿真計算分析（由于磁路軸對稱只分析磁路的1/4）：a）液路隔斷閥電磁鐵部分工作電壓VDC為27 V；b）將高飽和磁感應(yīng)強度軟磁合金的磁化曲線輸入AnsoftMaxwell仿真分析軟件；c）將銜鐵行程、線圈匝數(shù)、電磁鐵在關(guān)閉狀態(tài)（下氣隙和上氣隙）和打開狀態(tài)（下氣隙和上氣隙）等參數(shù)輸入 AnsoftMaxwell仿真分析軟件，計算得到磁力線和磁通密度分布，如圖3、圖4所示。

續(xù)圖3

從圖3和圖4中可以看出，線圈磁壓降主要集中在工作氣隙處，整個電磁鐵的磁感應(yīng)強度分布值在軟磁合金的最佳使用范圍內(nèi)，符合設(shè)計要求。從液路隔斷閥的磁力線分布圖可以看出，整個電磁鐵部分在通電過程中有輕微漏磁現(xiàn)象，但是漏磁很小。從電磁學原理可知，任何系統(tǒng)設(shè)計都存在漏磁，不存在絕對的不漏磁體，漏磁主要是看漏磁的比例，并結(jié)合吸力仿真計算結(jié)果看該閥磁路設(shè)計是否合理。

2.3 液路隔斷閥電磁鐵部分漏磁系數(shù)計算

用電磁原理計算的液路隔斷閥電磁鐵結(jié)構(gòu)的漏磁系數(shù)[8]為

式中 Rδ為氣隙磁阻；δh為氣隙長度；μ0為空氣的磁導率，μ0=0.4 π × 1 0-6H/m ；S為相對磁極面的面積，S =π?(R1')2=380.13mm2；H為磁導單位，亨利。

此計算中，最大的漏磁系數(shù)記為σ，由經(jīng)驗公式得到，即：

所以得出最大漏磁系數(shù)：σ = 1 .44，然后計算液路隔斷閥的磁感應(yīng)強度 Bs= 1 8248.4，該值遠遠小于隔斷閥所選用的高飽和軟磁合金材料的飽和磁感應(yīng)強度，故滿足設(shè)計要求。

2.4 液路隔斷閥打開和關(guān)閉時銜鐵的吸力特性

液路隔斷閥處于關(guān)閉狀態(tài)，將銜鐵行程、安匝數(shù)、銜鐵與線圈組件下氣隙等輸入仿真分析軟件，對液路隔斷閥電磁鐵銜鐵運動過程的二維靜特性磁場進行仿真計算。

為了得到液路隔斷閥銜鐵的吸力（電磁綜合吸力）隨工作電壓的變化曲線，需要對隔斷閥的銜鐵從關(guān)閉狀態(tài)到通電打開運動到打開狀態(tài)瞬間，然后反向通電使銜鐵從打開位置運動到關(guān)閉狀態(tài)瞬間/的過程進行吸力特性仿真計算，其中隔斷閥從關(guān)閉狀態(tài)打開瞬間銜鐵吸力的特性如圖5所示（取方向向上為力的正向）。

圖5 液路隔斷閥在打開瞬間的電磁吸力與安匝數(shù)的關(guān)系曲線Fig.5 Curve of Magnetic Suction and Ampere-turn when the Liquid Valve are Opened Instantly

從圖5可以看出：

a）隔斷閥的銜鐵受力（Y軸）不隨供給電壓的增大而增大（X軸為電磁鐵的安匝數(shù)，線圈匝數(shù)為420匝，因此只是電流變化），與螺管式電磁閥的吸力特性不同。螺管式電磁閥的銜鐵吸力在磁路不飽和時隨著電壓的增大而增大，因此設(shè)計點只考慮在最低工作電壓的銜鐵吸力能滿足設(shè)計要求即可。而這種帶磁鋼電磁鐵的銜鐵吸力隨著電壓的增大會先增大到最大值然后變小，因此在設(shè)計時一定要選擇好設(shè)計點，保證閥門在最高溫度環(huán)境下的最低電壓和最高電壓內(nèi)電磁鐵銜鐵的綜合吸力滿足設(shè)計要求。

b）銜鐵最初只受磁鋼吸力作用，方向向下（圖5所示為負值），約為115 N，滿足液路隔斷閥的磁鋼吸力設(shè)計為不小于100 N。

c）給隔斷閥電磁鐵供電后，銜鐵在電磁吸力的作用下克服磁鋼吸力向上運動，在安匝數(shù)為800 A時吸力達到最大150 N，此時對應(yīng)的電壓值為21.9 V。

d）從設(shè)計要求給的工作電壓VDC為24～30 V、考慮工作環(huán)境最高溫度為65 ℃時，該結(jié)構(gòu)液路隔斷閥工作的安匝數(shù)區(qū)域在840～1080之間，從圖5可以看出磁鋼吸力為115 N（大于100 N），電磁鐵的綜合吸力為 130～150 N，滿足設(shè)計要求的電磁綜合吸力大于120 N。

液路隔斷閥在同樣的行程和氣隙下進行了打開狀態(tài)時的吸力特性仿真計算。計算所得的隔斷閥從打開狀態(tài)到關(guān)閉瞬間銜鐵吸力的特性如圖6所示。

圖6 液路隔斷閥在關(guān)閉瞬間的電磁吸力與安匝數(shù)的關(guān)系曲線Fig.6 Curve of Magnetic Suction and Ampere-turn when the Liquid Valve are Closed Instantly

從圖6中可知，磁鋼吸力為115 N（大于100 N），電磁吸力工作的安匝數(shù)區(qū)域在 840～1080時的吸力值為130～150 N，因此，滿足設(shè)計要求的電磁綜合吸力不小于120 N。

2.5 液路隔斷閥測試結(jié)果

液路隔斷閥的性能測試結(jié)果如表1所示。

表1 液路隔斷閥主要性能實測數(shù)據(jù)Tab.1 Main Performance Test Data of the Liquid Obstruct Valve

通過液路隔斷閥實測吸力數(shù)據(jù)與仿真計算結(jié)果比較，實測磁鋼吸力值和電磁吸力值均偏大，主要原因是在仿真計算時磁鋼的取值為矯頑力Hc=-836 000 A/m和剩磁Br=0.85 T，而實際磁鋼的矯頑力Hc=-880 000 A/m和剩磁Br=1.18 T，即實際磁鋼的充磁比初始仿真計算的磁鋼充磁高。后續(xù)將實際的磁鋼參數(shù)輸入仿真分析軟件進行重新計算，得出的磁鋼吸力值和電磁吸力值基本與實測值一致（或通過磁鋼適當祛磁而和仿真一致）。

此外，通過仿真分析計算與實測數(shù)據(jù)相比較，驗證了帶磁鋼的電磁鐵線圈仿真計算的準確性。因此，在進行磁鋼設(shè)計時，可以根據(jù)所需要的磁鋼參數(shù)進行仿真計算合格后，直接對磁鋼生產(chǎn)單位提出要求，避免傳統(tǒng)的磁鋼反復調(diào)整充磁量的工作，也可避免設(shè)計余量過大導致整個閥的質(zhì)量過大。

3 結(jié) 論

通過液路隔斷閥的整個研制過程，得出如下結(jié)論：

a）帶磁鋼結(jié)構(gòu)的磁性自鎖類閥門設(shè)計時要合理選取安匝數(shù)，使銜鐵在工作溫度范圍內(nèi)的吸力在工作電壓范圍內(nèi)的吸力達到最大，并保證閥門在整個電壓范圍內(nèi)銜鐵的吸力都能滿足設(shè)計要求；

b）合理設(shè)計銜鐵的氣隙和行程，使磁鋼吸力和電磁吸力都能滿足設(shè)計要求；

c）帶磁鋼結(jié)構(gòu)的磁性自鎖類閥門可以按照電磁閥的漏磁系數(shù)計算公式初步進行計算，然后再用磁場仿真分析軟件進行仿真分析，確保漏磁系數(shù)盡量小或所有的磁力線都穿過工作氣隙；

d）通過AnsoftMaxwell軟件對帶磁性自鎖類閥門的電磁鐵進行磁感應(yīng)強度、磁力線分布圖及電磁綜合吸力特性曲線分析，可以優(yōu)化磁鋼設(shè)計，保證了設(shè)計的閥門可靠、質(zhì)量輕、性能好。