0 引言

电磁阀是一种通电打开、断电关闭的流体控制阀,可多次反复开关和脉冲工作,具有结构简单、响应迅速等优点,广泛应用于火箭、导弹武器、卫星、飞船上的推进系统,特别是液体火箭姿控发动机系统^[1-3]。姿控发动机系统对电磁阀小型化、轻质化的要求严苛,设计时在满足系统性能要求的前提下,要求体积和质量最小,导致产品结构强度的设计裕度有限。

某直动式电磁阀产品在进行12 kg鉴定量级冲击试验时发生阀体根部断裂,如图1所示。电磁阀作为姿控发动机系统的重要产品,当出现结构性的破坏时,其通断控制功能丧失,导致推进剂外泄,甚至发生爆炸,从而影响发动机的工作可靠性。因此,亟需采用加强措施解决电磁阀阀体断裂的问题。

图1 电磁阀断裂部位照片
Fig.1 Fracture photos of solenoid valve

本文针对电磁阀阀体断裂的问题,开展了故障原因及断裂机理分析,计算了力学冲击条件下阀体的根部应力,提出了结构改进方案,并验证了改进措施的有效性。

电磁阀阀体由软磁合金1J116和不锈钢1Cr18Ni9Ti焊接而成,为提高软磁材料的磁性能,阀体机加后需进行真空磁性能热处理,但热处理后其力学性能会发生变化^[9-15],本文对4个批次软磁合金棒材进行了性能测试,结果如表1所示。可以看出热处理后软磁合金的抗拉强度、屈服强度、延伸率均有明显减小,软磁合金1J116热处理后实测抗拉强度为258～288 MPa。

表1 软磁合金1J116热处理前后的力学性能(实验实测值)
Tab.1 Mechanical properties of soft magnetic alloy 1J116 before or after heat treatment(measured values)

电磁阀线圈绕制在阀体外侧的矩形窗口内,外壳过盈压装在阀体上,构成电磁回路。由于结构设计和装配工艺的影响,外壳与阀体的过盈量会存在一定散差,导致两者的连接强度存在个体差异。当电磁阀处于高量级的力学冲击环境时,冲击会使外壳与阀体发生相对运动,减小了外壳对阀体的支撑作用,导致冲击时最大应力发生在阀体根部圆角处。当阀体根部倒圆角较小时,就会出现应力集中现象,从而发生脆性断裂。此外,阀体热处理后内部组织会发生再结晶的过程,表现为晶粒长大、晶界合并,晶粒粗大导致材料力学性能下降,进一步加剧了故障问题的发生^[16-18]。

采用软件 ABAQUS对电磁阀在力学冲击条件下的结构强度进行仿真计算,计算时按极限状态考虑,仿真模型按下端过盈处有无过盈分为过盈模型和无过盈模型,过盈模型表示外壳上、下两端与阀体可靠连接,即连接处为固支; 无过盈模型表示外壳上端与阀体可靠连接,下端过盈处为滑动接触。计算时取冲击响应谱条件作为冲击动力学仿真的输入,当频率50 Hz～1 kHz时,量级为125 g～12 kg; 频率1～10 kHz,量级为12 kg。

对原状态电磁阀结构强度进行仿真计算,得到两种模型在理想冲击响应谱激励下电磁阀阀体的应力分布,如图8所示,过盈模型在故障断裂位置附近的最大应力为345 MPa,而无过盈模型在故障断裂位置附近的最大应力为868 MPa。表明电磁阀外壳下端与阀体过盈状态,对阀体故障断裂位置的应力水平存在较大影响。原状态电磁阀在外壳与阀体可靠过盈并固定连接的情况下,其阀体根部最大应力超过了软磁材料1J116热处理后的实测抗拉强度258～288 MPa的范围,说明现有结构不能适应12 kg的冲击力学环境。

图8 原状态阀体应力分布
Fig.8 Stress distribution of existing solenoid valve body

对改进后电磁阀结构强度进行仿真计算,如图9所示,过盈模型最大应力为215 MPa,出现在电磁阀阀体与推力室对接法兰的根部位置,而故障断裂位置应力降低为146 MPa; 无过盈模型最大主应力为388 MPa,出现在故障断裂位置附近。表明改进后电磁阀能够适应12 kg的冲击量级,且有一定余量; 但外壳与阀体连接不可靠时,仍然出现断裂处超应力的情况。因此,电磁阀结构设计时应重点关注外壳与阀体的连接可靠性。

图9 改进后阀体应力分布
Fig.9 Stress distribution of solenoid valve body after improvement

目前改进后电磁阀经过了3个批次的生产,每批抽取一定数量的产品进行运输振动、随机振动、加速度、低频冲击和高频冲击等试验验证,所有试验项目均进行了3个方向的考核,考核情况如表2所示,其中高频冲击每个方向3次,量级均在12 kg以上,力学环境后电磁阀结构完好、内外漏气密合格,各项性能满足设计要求,同时改进后电磁阀经过了多次整机试车及飞行试验考核,工作可靠。改进后的结构极大提升了电磁阀的力学环境适应性,彻底解决了阀体断裂问题。

表2 改进后电磁阀力学环境考核情况
Tab.2 Mechanical environment examination of solenoid valve after improvement

利用仿真和试验相结合的方法,分析了电磁阀阀体断裂的故障机理,并提出结构改进措施,经过电磁阀多个批次的力学环境试验、整机试车及飞行试验考核,阀体结构抗力学冲击的能力得到极大提升,彻底解决了阀体断裂的问题,验证了改进措施的有效性。研究结果表明,当阀体结构存在应力集中时,在高量级冲击条件下极易出现开裂、断裂等问题,严重影响电磁阀的工作可靠性。因此,电磁阀结构设计时应避免应力集中,同时还应加强外壳与阀体的连接可靠性设计。