一種結(jié)構(gòu)緊湊的嵌入組合式HYDAC電磁閥的研制

HYDAC電磁閥應(yīng)用于多余度伺服閥上，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)余度伺服閥的故障隔離功能。巧妙的閥芯內(nèi)部通油方式和嵌入組合式閥芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得電磁閥具有結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)速度快、閥芯活動(dòng)靈活不易卡滯、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。該文首先對(duì)嵌入組合式電磁閥進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，并通過AMESim、Ansoft軟件對(duì)該閥進(jìn)行建模仿真，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計(jì)并生產(chǎn)了電磁閥，并通過了試驗(yàn)驗(yàn)證。

0、引言

　　HYDAC電磁閥可靠性提出越來越高的要求，多余度技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。但當(dāng)某余度發(fā)生故障時(shí)，為保證其他余度對(duì)系統(tǒng)的正常控制功能不受干擾，對(duì)故障余度實(shí)現(xiàn)隔離功能的元器件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，也變得尤為重要。

　　在這種背景下，某多余度伺服閥為實(shí)現(xiàn)故障隔離功能，提出設(shè)計(jì)一種適應(yīng)有限安裝空間需求、結(jié)構(gòu)緊湊、閥芯運(yùn)動(dòng)靈活，不易發(fā)生卡滯的用于故障隔離的電磁閥，高可靠的實(shí)現(xiàn)故障隔離功能。

1、HYDAC電磁閥設(shè)計(jì)要求

　　(1)電磁閥外形結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸不大于?40×120。

　　(2)額定供油壓力24MPa。

　　(3)給定額定電壓信號(hào)后，電磁閥打開，實(shí)現(xiàn)A、B兩路油腔的溝通;給定信號(hào)為零時(shí)，電磁閥關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)A、B兩路油腔截?cái)唷?/p>

　　(4)開啟電壓≤12V。

　　(5)HYDAC電磁閥開啟時(shí)間≤10ms。

2、HYDAC電磁閥設(shè)計(jì)方案

　　2.1、HYDAC電磁閥方案總體設(shè)計(jì)思路

　　HYDAC電磁閥整體設(shè)計(jì)思路是：為實(shí)現(xiàn)小信號(hào)控制閥芯功率級(jí)的目的，采用電磁先導(dǎo)級(jí)、閥芯功率級(jí)兩級(jí)設(shè)計(jì)。同時(shí)為保證電磁閥有限安裝空間的需求，電磁閥整體擬采用圓柱形外形設(shè)計(jì)及插裝式安裝方式，(?30~?40)×116的外形尺寸設(shè)計(jì)，M22外螺紋安裝方式，達(dá)到緊湊化的設(shè)計(jì)目的。

　　HYDAC電磁閥先導(dǎo)級(jí)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)正確計(jì)算電磁力、彈簧力、節(jié)流小孔等設(shè)計(jì)參數(shù)，且能實(shí)現(xiàn)電磁力方便可調(diào)，保證電磁閥功能的實(shí)現(xiàn)。

　　閥芯功率級(jí)設(shè)計(jì)時(shí)，為保證閥芯的靈活運(yùn)動(dòng)，巧妙設(shè)計(jì)內(nèi)部通油方式，閥芯巧妙的設(shè)計(jì)為嵌入組合式結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)閥芯在油路切換的同時(shí)能夠靈活運(yùn)動(dòng)，避免出現(xiàn)卡滯、運(yùn)動(dòng)不靈活等現(xiàn)象的發(fā)生。

　　HYDAC電磁閥的總體設(shè)計(jì)思路及原理見圖1所示。其具體工作原理為：液壓油從序號(hào)12(油濾組件)進(jìn)入電磁閥。當(dāng)序號(hào)3(線圈組件)輸入信號(hào)為零時(shí)，液壓油作用到序號(hào)9(閥芯)上的合力向右，閥芯位于圖1中圖示位置，A、B兩腔截?cái)?當(dāng)序號(hào)3(線圈組件)輸入信號(hào)為額定電壓信號(hào)時(shí)，液壓油作用到序號(hào)9(閥芯)上的合力向左，閥芯向左移動(dòng)，A、B兩腔溝通。

一種結(jié)構(gòu)緊湊的嵌入組合式電磁閥的研制

電磁閥結(jié)構(gòu)形式

　　2.2、先導(dǎo)級(jí)電磁鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　先導(dǎo)級(jí)電磁鐵要設(shè)計(jì)的主要參數(shù)為電磁力。如果電磁力設(shè)計(jì)過小，則電磁力無法克服彈簧力，導(dǎo)致電磁閥無法打開;如果電磁力設(shè)計(jì)過大，則線圈組件外形尺寸又無法滿足要求，因此設(shè)計(jì)中應(yīng)選取合適電磁力。為此，利用Ansoft 軟件對(duì)電磁體部分進(jìn)行建模仿真計(jì)算。

　　HYDAC電磁閥軟件主要是建立在Maxwell方程基礎(chǔ)上的有限元分析軟件，工程上主要用來對(duì)電磁場、溫度場、靜電場等進(jìn)行有限元分析與參數(shù)仿真計(jì)算。本文以Maxwell Ansoft 軟件為平臺(tái)，對(duì)電磁閥磁場分布、電磁力進(jìn)行仿真計(jì)算。

　　首先利用Maxwell Ansoft 3D軟件對(duì)電磁鐵部分進(jìn)行建模。根據(jù)Maxwell Ansoft 建模特點(diǎn)，需構(gòu)建電磁鐵旋轉(zhuǎn)剖面，該剖面表示電磁鐵繞其中心旋轉(zhuǎn)而成。旋轉(zhuǎn)剖面建模圖如圖2 a所示。

　　建模完成后，對(duì)電磁鐵磁場進(jìn)行仿真分析，從而計(jì)算電磁力，計(jì)算模型磁感應(yīng)強(qiáng)度分析云圖如圖2b 所示。然后在電磁滿足電磁鐵外形設(shè)計(jì)的條件下，對(duì)電磁閥設(shè)計(jì)模型進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，在不同的結(jié)構(gòu)尺寸下，分別對(duì)電磁力進(jìn)行仿真計(jì)算，最終得到電磁力范圍為13~18N。選取電磁力為最大值時(shí)電磁鐵結(jié)構(gòu)尺寸，作為電磁鐵部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)。

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圖2 電磁鐵Ansoft 建模圖及磁場分析圖

　　2.3、入組合式閥芯閥套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　油路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為實(shí)現(xiàn)閥芯靈活運(yùn)動(dòng)，消除傳統(tǒng)電磁閥閥芯卡滯故障，采用閥芯內(nèi)部通油及嵌入式組合閥芯的結(jié)構(gòu)方式，如圖3所示。

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 閥芯內(nèi)部通油方式及嵌入組合式結(jié)構(gòu)示意圖

　　同時(shí)閥芯、閥套節(jié)流小孔需設(shè)計(jì)合理。閥套節(jié)流小孔過大，則會(huì)導(dǎo)致關(guān)閉狀態(tài)下彈簧力無法克服液壓力，導(dǎo)致關(guān)閉時(shí)開啟；閥套節(jié)流小孔設(shè)計(jì)過小，與閥芯節(jié)流孔匹配不合適，則又會(huì)導(dǎo)致閥芯無法正常開啟，因此，閥芯閥套節(jié)流孔孔徑之間的相互協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)非常重要。為保證節(jié)流小孔直徑尺寸設(shè)計(jì)合理，利用AMESim軟件對(duì)閥芯、閥套兩小節(jié)流孔尺寸進(jìn)行仿真計(jì)算，如圖4所示。

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HYDAC電磁閥節(jié)流孔尺寸仿真計(jì)算

　　通過仿真計(jì)算，使電磁力、彈簧剛度、節(jié)流小孔的直徑達(dá)到配合狀態(tài)，保證電磁閥可靠的開啟、關(guān)閉功能。

　　2.4、接口尺寸

　　HYDAC電磁閥外形尺寸及機(jī)械安裝接口如圖5所示。電磁閥電氣接口為：輸入電壓9～12V。

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圖5 電磁閥接口尺寸圖

3、入組合式電磁閥AMESim仿真

　　AMESim軟件是基于液壓/機(jī)械系統(tǒng)的一種綜合力學(xué)分析軟件，為驗(yàn)證電磁閥方案設(shè)計(jì)的正確性，本文以AMESim軟件為平臺(tái)，對(duì)電磁閥進(jìn)行仿真建模。仿真建模如圖6所示。其中輸入信號(hào)為12V，電磁閥A腔通入24MPa壓力油，B腔接回油，當(dāng)電磁鐵通電時(shí)，A、B腔溝通，B腔產(chǎn)生24MPa壓力油;當(dāng)電磁鐵斷電時(shí)，A、B腔截?cái)啵珺腔壓力為0。

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圖6 電磁閥AMESim 仿真建模

　　HYDAC電磁閥所示。由圖得知，電磁閥在接收12V脈沖信號(hào)時(shí)，能夠完成開啟關(guān)閉功能，且其開啟時(shí)間為2ms，滿足指標(biāo)性能要求。

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仿真試驗(yàn)結(jié)果

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電磁鐵開啟時(shí)間仿真結(jié)果

4、試驗(yàn)驗(yàn)證

　　通過仿真計(jì)算結(jié)果，確定出電磁閥的主要參數(shù)，并據(jù)此設(shè)計(jì)出嵌入組合式電磁閥。電磁閥的實(shí)物圖及調(diào)試設(shè)備見圖9所示。

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嵌入組合式電磁閥的實(shí)物圖及調(diào)試試驗(yàn)

　　首先對(duì)伺服閥功能進(jìn)行驗(yàn)證。輸入12V 階躍信號(hào)，觀測試驗(yàn)臺(tái)B腔壓力表變化，嵌入組合式電磁閥能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)功能。對(duì)電磁閥開啟電壓進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，測試數(shù)據(jù)見表1所示。

電磁閥開啟壓力測試數(shù)據(jù)

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　　HYDAC電磁閥開啟電壓在8.9～9.7V之間，滿足指標(biāo)≤12V開啟電壓要求。然后對(duì)電磁閥開啟時(shí)間進(jìn)行測試，測試結(jié)果見表1。由測試數(shù)據(jù)可見，電磁閥開啟時(shí)間滿足指標(biāo)≤10ms要求。

5、結(jié)論

　　通過采用HYDAC電磁閥通油的結(jié)構(gòu)方式，實(shí)現(xiàn)了電磁閥的緊湊型設(shè)計(jì);通過HYDAC電磁閥等仿真軟件進(jìn)行分析計(jì)算，確定了電磁閥中電磁力、節(jié)流小孔等諸多重要設(shè)計(jì)參數(shù)，成功地完成了嵌入組合式電磁閥的設(shè)計(jì)、加工和性能測試，通過測試說明，電磁閥能夠達(dá)到各項(xiàng)指標(biāo)要求，滿足設(shè)計(jì)要求。