飛機除冰車先導電磁閥的研制

□ 江曉春

航天十一所西安航天遠征流體控制股份有限公司 西安 710100

1 研制背景

飛機除冰車是寒冷地區機場必備的飛機運行安全保障車輛。電磁閥是飛機除冰車噴射系統的關鍵管道附件,主要用于噴射除冰液的開關控制,通電時保證可靠、迅速開啟,斷電時保證密封,確保系統無泄漏[1]。除冰液的主要成分是乙烯乙二醇和丙烯乙二醇,都屬于有機溶劑,因此電磁閥的密封件材料選擇相當重要。筆者研制了一款先導電磁閥,用于飛機除冰車噴射系統的控制。

2 工作原理

這一先導電磁閥采用先導常閉型式。通電時,線圈產生電磁力,銜鐵在電磁力的作用下,克服錐彈簧力向上運動。先導閥座被打開,活塞上腔的介質瞬間通過先導閥座排出,壓力迅速下降,在活塞上下形成上低下高的壓差。向上的介質力克服復位彈簧力、活塞自身重力和摩擦力,推動活塞向上移動,閥門打開。斷電時,線圈電磁力消失,銜鐵在錐彈簧力及自身重力的作用下關閉先導閥座,入口介質迅速通過節流孔流入活塞上腔,在活塞上下形成下低上高的壓差?；钊谙蛳陆橘|力、復位彈簧力和自身重力的作用下向下移動,閥門關閉。通電、斷電各一次,電磁閥完成一個工作循環[2]。

3 結構特點

先導電磁閥由線圈、銜鐵、先導閥座、主閥座、活塞、閥體、密封件、錐彈簧、復位彈簧等組成,如圖1所示。先導電磁閥可以減小電磁線圈的尺寸,保證在大通徑下結構緊湊、功耗低[3]。為了保證密封件在除冰液中的使用壽命,確保密封的可靠性,密封件的材質選用三元乙丙橡膠,這一橡膠對有機溶劑的抵抗性極佳[4]。在對接形式上,采用管螺紋連接,可以方便先導電磁閥在除冰車噴射系統中的連接。

▲圖1 先導電磁閥結構

4 技術參數

筆者研制的先導電磁閥技術參數見表1。

表1 先導電磁閥技術參數

5 設計計算

筆者首先對先導電磁閥工作過程中的液壓不平衡力、啟動力,以及線圈的各相關尺寸參數進行計算設計[5-7],然后對主要相關參數進行校核[8-10]。

液壓不平衡力FY為:

啟動力Fq為:

Fq=KL(FY+FT)

(1)

式中:KL為摩擦過載因數,取1.4。

由式(1)計算得到Fq為21.1 N。

銜鐵直徑D為:

(2)

式中:Bδ為工作氣隙磁密,取0.9 T。

由式(2)計算得到D為0.92 cm,取D為1 cm。

線圈磁勢FΣH為:

FΣH=Bδδ0Kj/μ0

(3)

式中:μ0為空氣磁導率,取0.4π×10-4T ·cm/A;Kj為磁勢降因數,取1.1。

由式(3)計算得到FΣH為669.98 At。

發熱狀態下的最大磁勢FΣHmax為:

FΣHmax=UmaxFΣH/Umin=861.40 At

結構系數K1為:

線圈窗口長度lk為:

(4)

ε=lk/hk

(5)

式中:ε為線圈長厚比;hk為線圈厚度;θω為線圈溫升,取75 ℃;k為散熱系數,取1.22×10-3W·cm/℃;fk為填充因數,取0.6;ρθ為電阻系數。

ρθ=ρ20[1+α20(θmax-20)]

=2.26×10-2Ω·mm2/m

式中:ρ20為20 ℃時銅導線電阻系數,取1.72×10-2Ω·mm2/m;α20為20 ℃時銅導線溫度系數,取0.395×10-2℃-1;θmax為吸合電壓為24 V時線圈允許的最高溫度,取100 ℃。

由式(4)計算得到lk為4.19 cm,因窗口兩端各墊兩層薄膜,因此取lk為4.3 cm。

線圈窗口厚度hk為:

hk=lk/ε=0.9 cm

漆包線直徑dq為:

(6)

R1=R+δ1

(7)

h′k=hk-b-4δ2

(8)

式中:R1為導向筒外圓半徑;R為銜鐵半徑,取0.5 cm;δ1為導向筒壁厚,取0.15 cm;δ2為薄膜厚度,取0.004 cm;h′k為漆包線厚度;b為考慮引出線直徑所留的空隙,取0.1 cm。

由式(6)、式(7)計算得到dq為0.246 mm,根據標準GB 6109.1—1990《漆包圓繞組線 第1部分:一般規定》,選取漆包線直徑dq為0.25 mm,漆包線最大外徑dw為0.281 mm。

線圈層數N1為:

N1=h′k/dw=27.9

取N1為28層。

每層匝數N2為:

N2=0.97(lk-4δ2)/dw-1=146.9

取N2為147匝。

線圈匝數ω為:

ω=N1N2=4 116

線圈平均半徑Rp為:

Rp=R1+2δ2+h′k/2=1.05 cm

漆包線長度l為:

l=2πRpω=27 140.9 cm

線圈電阻R20為:

R20=ρ20l/qM

(9)

式中:qM為漆包線截面積。

由式(9)計算得到R20為95.1 Ω,取R20為95±2 Ω。

各種溫度下線圈電阻Rt為:

Rt=R20[1+0.395×10-2(t-20)]

(10)

式中:t為溫度。

由式(10)計算得到各種溫度下的線圈電阻值,見表2。

表2 各種溫度下線圈電阻值

各種溫度下線圈電流It為:

It=Vt/Rt

(11)

式中:Vt為不同溫度時的線圈電壓。

由式(11)計算得到各種溫度、不同電壓下的線圈電流值,見表3。

表3 各種溫度及不同電壓下線圈電流值

各種溫度下線圈磁勢FΣHt為:

FΣHt=Itω

(12)

由式(12)計算得到各種溫度、不同電壓下的線圈磁勢,見表4。

表4 各種溫度及不同電壓下線圈磁勢

各種溫度下線圈功率Pt為:

Pt=ItVt

(13)

由式(13)得到各種溫度、不同電壓下的線圈功率,見表5。

表5 各種溫度及不同電壓下線圈功率

6 校核

校核填充因數f′k為:

可見,f′k約等于fk。

校核溫升θ′ω為:

(14)

式中:R2為外殼組件內半徑;τ為通電持續率,取0.8。

R2=R1+hk=1.55 cm

由式(14)計算得到θ′ω為50.2 ℃,θ′ω小于θω,滿足設計要求。

線圈電感L0為:

L0=ω2μ0S/Lg

(15)

式中:S為銜鐵面積;Lg為初始工作氣隙和非工作氣隙之和。

S=πD2×10-4/4=0.785×10-4m2

Lg=δ0+δ=0.095 cm

由式(15)計算得到L0為1.76 H。

校核吸力F為:

(16)

式中:I0為電壓21 V、溫度100 ℃時的電流。

由表3得I0為0.168 0 A。

由式(16)計算得到F為26.1 N,F大于Fq,滿足設計要求。

7 結束語

筆者研制的先導電磁閥具有低電流、微功耗、耐腐蝕、長使用壽命等特點,長期在飛機除冰車上使用,性能穩定,滿足用戶的使用要求。