提高雙組元電磁閥合格率技術措施研究

賈靜雅， 杜峻松， 劉暢， 邊浩， 丁琳， 段智勇

（首都航天機械有限公司，北京100076）

0 引 言

雙組元電磁閥是發動機關鍵件，其主要功能是對下游產品提供可靠快速開啟關閉，其特點是結構小巧，零件多，裝配復雜，試驗工況多，對密封性及各工況的響應時間要求嚴，不同工況下響應時間偏差不大于1 ms。由于受到總裝結構限制，該雙組元電磁閥設計要求較高，產品適應裕度小[1]，因此給裝配試驗帶來了很大難度，按常規裝配方法產品合格率低，同批產品合格率僅為20%，平均一臺雙組元電磁閥基本需返修3～5次，導致產品的生產周期過長。

1 工作原理

該雙組元電磁閥采用了小型化設計，由主閥腔和副閥腔組成。副閥腔主要由殼體、電磁鐵和副閥組成，主閥腔由殼體與活塞桿、兩個主閥芯組成。其中副閥腔的氣密由閥座和閥芯表面質量、配合間隙、蝶形彈簧壓縮量和圓柱彈簧壓縮量綜合決定，裝配試驗難度大；主閥腔通過活塞桿運動帶動支板，使兩個對稱的閥芯同步工作，實現兩路氣體的供氣動作。該雙組元電磁閥生產難點主要包括副閥密封部分裝配、線圈組件的裝配、活塞腔零件的裝配及兩個主閥腔的裝配，涉及約40多個零件，電磁閥實物圖如圖1所示。

圖1 雙組元電磁閥實物圖

2 問題定位

在該閥門裝配中存在以下3個主要問題：

1）副閥氣密性不合格。副閥主要是指與電磁鐵直接連接的閥門，副閥氣密性包括進氣和排氣密封性。其主要結構簡圖如圖2所示，其中球形閥門由進氣閥座、球形閥門頭和排氣閥座組成。

圖2 副閥結構簡圖

副閥氣密性包括進氣閥座和排氣閥座密封性。在副閥裝配中，通過調整最上端彈簧力保證進氣閥座處密封性，線圈吸力保證排氣閥座處密封性，但是由于線圈吸力設計值偏小，往往加大彈簧力保證進氣處密封合格后，會導致排氣處漏氣。兩個變量相互干涉，加大產品裝配難度。如進、排氣閥座中一個漏氣，需要將整個閥門分解，進一步返修相關零件，使產品裝配周期成倍增加。

2）電磁鐵響應時間不滿足設計要求。該雙組元電磁閥需在液流試驗中測試其響應性能，滿足在壓力分別為X1、X2和X3的3個工況下，開啟關閉響應時間均不大于設計要求值，任何一個工況不滿足即判定產品不合格。

該雙組元電磁閥的響應時間分別與圓柱彈簧力、線圈氣隙產生的吸力及蝶形彈簧安裝高度有關，為實現響應時間合格，又不影響副閥進、排氣處氣密性，需在調試過程中把握力值的分布，控制各個調節零件的位置。

3）主閥裝配中O形圈易被切傷。主閥腔大O形圈保證產品主閥氣密合格，不產生外泄漏，其結構簡圖如圖3所示。產品裝配后，約30%的產品從主閥螺塞螺紋處出現外泄漏，O形圈外圓被切傷，不僅造成了O形圈的浪費，而且會產生大量的重復性工作。

圖3 主閥腔結構簡圖（部分）

裝配時需將大O形圈先裝在主活塞上，然后再裝入殼體的主閥腔。在進行氣密試驗時發現氣密不合格，將產品分解后，對各零件及殼體相關配合尺寸進行測量，均滿足要求，無超差項。檢查殼體時發現，在對應殼體上為了避免尖角劃傷，有相應光滑過渡倒角，但是為減小整個電磁閥的總長，過渡角的導向長度僅為0.5 mm，角度約為20°，所以將O形圈被切的原因定位為殼體上O形圈裝配導向角的過渡段長度太小，沒有很好地起到光滑過渡的作用。

3 解決方案

針對該雙組元電磁閥在裝配試驗中頻繁出現的副閥進、排氣處密封不合格，響應時間不易滿足設計要求等主要問題，通過分析，除了針對精密零件在裝配前檢查外觀、密封面質量，避免無效裝配外，在常規裝配中運用了以下技巧，有效解決了問題。具體解決方案如圖4所示。

圖4 解決方案

1）預判進氣閥座密封性。為了提高電磁閥進、排氣密封性，通過分析產品副閥原理可知，閥芯密封性受到零件加工質量、線圈吸力和密封彈簧力的共同影響。該雙組元電磁閥進氣處密封力由圓柱彈簧力控制，線圈吸力用于克服彈簧力（包括圓柱彈簧和蝶形彈簧），但由于線圈吸力裕度較小，為了保證進氣密封性，需提高圓柱彈簧力，但線圈吸力偏小，會影響運動件（銜鐵）的運動行程，使銜鐵行程小于副閥芯行程，即副閥芯不能有效貼合排氣閥座，排氣閥座處有縫隙或者密封力不夠，導致排氣閥座不滿足密封要求。

為解決副閥氣密性不合格的問題，除需保證密封面質量以外，需解決如何保證副閥運動件運動到位的問題。

首先將副閥進、排氣閥座、球體閥門頭3個零件完成裝配后，先進行進氣閥座氣密檢查。進口通入壓縮空氣，通過指壓自制頂桿對密封件進行來回多次工作。這樣多次工作后，可在進、排氣非金屬零件密封面上產生較明顯的壓痕，可提前預判進、排氣密封性能，通過這種措施，可對零件質量進行篩選，避免后續裝配試驗中由于氣密性不合格導致產品反復拆裝試驗，進氣閥座氣密性預判合格的產品在完成最終裝配后，合格率可達到90%左右。

2）有效控制副閥運動件（包括副閥芯和銜鐵）的運動行程，確保排氣閥座處氣密性合格。為解決副閥運動件運動到位后排氣閥座易漏氣的問題，裝配中副閥芯的行程應按設計要求的下限進行初裝配，然后使副閥芯多次工作，消除其由于彈性模量帶來的變形，確保副閥芯在后續多次工作后行程不會超過設計要求值。在后續裝配線圈組件過程中，滿足設計要求值的同時，根據副閥芯的行程調整銜鐵行程，確保其值不小于副閥芯行程。在完成副閥裝配及進、排氣閥座密封試驗后，再次從上端測試銜鐵行程，確保所測值不小于副閥芯的行程，即可確保副閥芯完全運動到位。

在控制好球體閥門頭（即副閥芯）及銜鐵的行程后，排氣閥座的密封性由入口控制氣的壓力決定，不受上端彈簧力的影響。通氣閥座處篩查出氣密性不合格零件，且不受后續調整圓柱彈簧力的影響。通過上述裝配過程中的初試，雙組元電磁閥的進氣閥座處密封合格率得到了顯著提升。

3）將中間工況定為響應時間調試工況。雙組元電磁閥完成裝配后，進行性能調試，該雙組元電磁閥具備調節功能，進氣處密封力由圓柱彈簧力控制，為了提高電磁閥關閉能力，在銜鐵工作運動一段行程后，蝶形彈簧力開始加力，銜鐵運動過程中受力平衡情況直接影響開啟關閉響應時間。通過多次調試總結出，要滿足壓力分別為X1、X2和X3的3種工況均小于設計要求值，最佳調節方式是將中間工況X2作為調試點，且在該工況下響應時間控制在某個范圍，才能在高、低工況下均滿足。調試中，蝶形彈簧的安裝高度是一個重要控制點，確保蝶形彈簧在銜鐵運動到位后，蝶形彈簧的變形量在總變形量的75%左右，蝶形彈簧高度由端蓋和副彈簧座確定，初調試時，使簧處于自由狀態，手動將端蓋螺紋往下擰，直至感受到接觸到自由蝶形彈簧的頂部，根據端蓋螺紋的螺距和銜鐵預留空行程，算出反向擰動角度，再將端蓋螺紋反向擰至預設角度，采用該項措施，確保了銜鐵受力的精準一致性，保證響應時間符合3種工況要求。

通過將中間工況定為調試工況，并結合零件相關尺寸，控制蝶形彈簧腔高度的措施，產品性能合格率達到了95%以上。

4）設計導向工裝解決O形圈被切問題。通過研究產品結構，發現殼體與大O形圈配合的上端有外螺紋，與配合腔的尺寸有約0.5 mm的間隙，可將該螺紋作為定位，在裝配中增加一個導向工裝，增加O形圈的導向長度，安裝方法如圖5所示。

圖5 導向工裝安裝方法

增加工裝后，O形圈裝配導向長度由原來的0.5 mm 增加至8 mm，采用定位導向工裝后，主閥O形圈裝配合格率達到了100%，從根本上解決了O形圈外圓被切的問題。4 結果及效益分析

發動機所用雙組元電磁閥，是動力系統的關鍵零件，其性能的好壞直接關系到動力系統的工作成敗。該雙組元電磁閥經過了4個階段的研制，在生產實踐中，根據該雙組元電磁閥特有結構總結的裝配方法，有效提高了產品的合格率，縮短了裝配試驗周期。希望該雙組元電磁閥的裝配方法，能為其它類似產品的裝配試驗提供參考。