Bang-Bang电磁阀为常闭电磁阀,通电打开,断电关闭,其主要性能参数如表1所示。

表1 Bang-Bang电磁阀的主要性能参数表
Tab.1 Main performance parameters of Bang-Bang solenoid valve

为了满足阀门轻质、长寿命的要求,设计了“弹簧+单簧片”结构的Bang-Bang电磁阀,设计方案如图1所示。主要特点:采用“弹簧+单簧片”结构。弹簧加工性能稳定,用来提供一定的密封比压,同时增加结构的稳定性; 簧片用于固定阀芯组件,阻止阀芯组件在壳体内腔的转动,同时减少磨损产生的多余物。

图1 电磁阀的工作原理图
Fig.1 Working principle of Bang-Bang solenoid valve

在电磁阀未通电时,靠工作介质的压力、弹簧力和簧片力将阀芯组件压紧在阀座上,在电磁阀内腔流道上形成密封副,工作介质被截断。当给线圈通以开启电压时,由软磁合金材料构成的磁回路被磁化,对阀芯组件产生轴向吸力,吸引阀芯部件向右运动,直至电磁吸力克服弹簧力、簧片力和工作介质压力,使电磁阀完全开启,实现工作介质的供给^[4-6]。

Bang-Bang电磁阀关键技术主要有两个:

1)低刚度长寿命簧片设计。与普通电磁阀相比,Bang-Bang电磁阀引入了簧片用来夹持衔铁,要求簧片刚度小、寿命大于100万次。已成熟应用的簧片由于刚度大,不适用于本电磁阀,因此需要重新设计簧片^[7]。目前,簧片的设计没有可依据的公式,需要根据经验初步设计簧片的形状和参数,并通过ANSYS软件计算得到的应力和刚度结果进行调整,确定簧片的形状以及参数,并通过后续的试验进行考核,以最终确定簧片的技术状态。

2)低磨损结构设计,满足100万次寿命要求。普通阀门由于密封副的相对转动和磨损严重不能满足寿命要求,双簧片电磁阀完全无摩擦,但尺寸及重量方面不能满足系统要求,因此新型Bang-Bang电磁阀采用“弹簧+单簧片”的方案,但如何选取合适的配合间隙、行程等参数,以最大限度地减小摩擦仍是一个很大的难点。

需要根据阀门的包络尺寸、阀门吸力及响应时间等设计簧片形状以及性能参数。簧片厚度0.2 mm,簧片外形以及通过ANSYS软件计算得到的应力分布情况如图2所示^[8],应力和刚度计算结果如表2所示。

图2 簧片结构以及应力分布图
Fig.2 S-spring structure and its stress distribution

表2 簧片参数计算结果
Tab.2 Main calculation results of S-spring

阀门密封副设计为软密封,非金属采用F46,为防止百万次工作后阀门行程过大,设计上选用了较低的密封比压以及阀座圆弧刃口。考虑到零件的加工性能,阀门通径为0.5 mm,弹簧力为1.17 N,密封比压为5.70～6.72 MPa,满足F46的需用密封比压,也可满足阀门的密封要求。在刃口设计上,根据以往经验,相比平面刃口,圆弧刃口具有更好的密封效果以及长寿命的行程稳定性,因此,电磁阀刃口采用圆弧刃口。

由于Bang-Bang电磁阀的主要作用是保持缓冲气瓶的压力稳定,因此对启动时间和关闭时间的要求比较低。根据工作电压的要求以及选取的弹簧力和簧片力,通过软件仿真进行修正^[9-10],确定阀门的电磁场。计算得到阀门开启时间为5.8 ms,关闭时间为8.4 ms^[11],满足使用要求,且有一定的工作裕度。阀门响应特性仿真曲线如图3所示。

图3 阀门响应特性仿真曲线
Fig.3 Response characteristic curve of valve

阀门的配合间隙是影响磨损的关键性因素,Bang-Bang电磁阀只有一片簧片,主要起夹持作用,防止因阀芯组件的转动造成压痕错位导致产品漏率超差,不能阻止阀芯组件与内孔的摩擦,因此依然是有摩擦的阀门。阀门通电后,由于簧片刚度较小,不能克服圆周方向上分布不均匀的电磁吸力,因此,阀芯组件会向侧向吸力较大的方向偏移。如果产品行程大,配合间隙小,阀芯组件先与内孔侧面吸合,再被轴向电磁吸力拖拽至阀芯组件与内孔底部接触。配合间隙大、行程小时,阀芯组件直接与内孔底部吸合,吸合时速度更快、接触面积更小,磨损更严重。因此,Bang-Bang电磁阀选用较小配合间隙,约0.12～0.14 mm。后期的试验也证明,此配合间隙产生的磨损多余物最少。

对簧片进行了簧片力测试,分别测试位移为0.2 mm,0.4 mm和0.6 mm下的簧片力,得到簧片刚度数据,如表3所示。簧片刚度实测值1.45～1.62 N/mm,与仿真计算结果相符合。

对Bang-Bang电磁阀的常规性能数据进行测试,主要包括响应时间、动作裕度、漏率及单件质量等,实测性能数据如表4所示,满足使用要求。

表3 簧片性能参数
Tab.3 Performance data of S-spring

表4 Bang-Bang电磁阀的实测性能
Tab.4 Measured performance results of Bang-Bang solenoid valve

Bang-Bang电磁阀顺利通过了振动、冲击、加速度、热真空和热循环等环境试验考核。其中,正弦振动试验量级:9.375 mm(7～20 Hz),15 g(20～100 Hz),随机振动量级:0.2(20～1 000 Hz),-6 dB/oct(1 000～2 000 Hz),最大冲击量级1 600 g,加速度20 g,热循环-10～+75 ℃(10.5次),热真空10～75 ℃(6.5次),试验前后阀门性能参数稳定,漏率合格,如表5所示。

表5 环境试验后性能参数
Tab.5 Performance data after environmental test

阀门负载0.5 MPa氮气、15 V DC,以每秒工作次数不超过4次连续工作100万次,试验过程中复测产品在0.2 MPa和0.5 MPa下的内漏率。试验后复测产品响应时间。3台Bang-Bang电磁阀均通过了100万次寿命试验考核。试验数据如表6和表7所示。试验前后3台产品的漏率稳定,均在1E-7量级,证明了配合间隙及簧片参数选取合理,寿命试验前后的响应时间基本无变化,证明了密封结构以及响应时间选取合理。

表6 寿命试验漏率数据
Tab.6 Leak rate of life test(Pa3·m3·s-1)

表7 寿命试验前后响应时间数据
Tab.7 Response time before and after life test ms

对试验后的产品进行分解,检查零组件的磨损及多余物等情况,分解结果如图4所示。图9中分别为F46密封面、阀芯组件外圆以及线圈内腔的照片。从分解结果来看,100万次寿命试验后,阀门磨损产生的多余物较少,仅阀芯压痕中有一点状多余物,证明单簧片结构、0.12～0.14 mm的配合间隙的Bang-Bang电磁阀产品可满足100万次气体介质的工作要求。

图4 试验后阀门分解情况
Fig.4 Disassembled valve after life test