一種結構緊湊的嵌入組合式HYDAC電磁閥的研制

HYDAC電磁閥應用于多余度伺服閥上，主要實現對余度伺服閥的故障隔離功能。巧妙的閥芯內部通油方式和嵌入組合式閥芯結構設計，使得電磁閥具有結構緊湊、響應速度快、閥芯活動靈活不易卡滯、可靠性高等優點。該文首先對嵌入組合式電磁閥進行方案設計，并通過AMESim、Ansoft軟件對該閥進行建模仿真，在此基礎上優化設計并生產了電磁閥，并通過了試驗驗證。

0、引言

　　HYDAC電磁閥可靠性提出越來越高的要求，多余度技術應運而生。但當某余度發生故障時，為保證其他余度對系統的正常控制功能不受干擾，對故障余度實現隔離功能的元器件的優化設計，也變得尤為重要。

　　在這種背景下，某多余度伺服閥為實現故障隔離功能，提出設計一種適應有限安裝空間需求、結構緊湊、閥芯運動靈活，不易發生卡滯的用于故障隔離的電磁閥，高可靠的實現故障隔離功能。

1、HYDAC電磁閥設計要求

　　(1)電磁閥外形結構緊湊，尺寸不大于?40×120。

　　(2)額定供油壓力24MPa。

　　(3)給定額定電壓信號后，電磁閥打開，實現A、B兩路油腔的溝通;給定信號為零時，電磁閥關閉，實現A、B兩路油腔截斷。

　　(4)開啟電壓≤12V。

　　(5)HYDAC電磁閥開啟時間≤10ms。

2、HYDAC電磁閥設計方案

　　2.1、HYDAC電磁閥方案總體設計思路

　　HYDAC電磁閥整體設計思路是：為實現小信號控制閥芯功率級的目的，采用電磁先導級、閥芯功率級兩級設計。同時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計及插裝式安裝方式，(?30~?40)×116的外形尺寸設計，M22外螺紋安裝方式，達到緊湊化的設計目的。

　　HYDAC電磁閥先導級設計時，應正確計算電磁力、彈簧力、節流小孔等設計參數，且能實現電磁力方便可調，保證電磁閥功能的實現。

　　閥芯功率級設計時，為保證閥芯的靈活運動，巧妙設計內部通油方式，閥芯巧妙的設計為嵌入組合式結構，實現閥芯在油路切換的同時能夠靈活運動，避免出現卡滯、運動不靈活等現象的發生。

　　HYDAC電磁閥的總體設計思路及原理見圖1所示。其具體工作原理為：液壓油從序號12(油濾組件)進入電磁閥。當序號3(線圈組件)輸入信號為零時，液壓油作用到序號9(閥芯)上的合力向右，閥芯位于圖1中圖示位置，A、B兩腔截斷;當序號3(線圈組件)輸入信號為額定電壓信號時，液壓油作用到序號9(閥芯)上的合力向左，閥芯向左移動，A、B兩腔溝通。

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電磁閥結構形式

　　2.2、先導級電磁鐵結構設計

　　先導級電磁鐵要設計的主要參數為電磁力。如果電磁力設計過小，則電磁力無法克服彈簧力，導致電磁閥無法打開;如果電磁力設計過大，則線圈組件外形尺寸又無法滿足要求，因此設計中應選取合適電磁力。為此，利用Ansoft 軟件對電磁體部分進行建模仿真計算。

　　HYDAC電磁閥軟件主要是建立在Maxwell方程基礎上的有限元分析軟件，工程上主要用來對電磁場、溫度場、靜電場等進行有限元分析與參數仿真計算。本文以Maxwell Ansoft 軟件為平臺，對電磁閥磁場分布、電磁力進行仿真計算。

　　首先利用Maxwell Ansoft 3D軟件對電磁鐵部分進行建模。根據Maxwell Ansoft 建模特點，需構建電磁鐵旋轉剖面，該剖面表示電磁鐵繞其中心旋轉而成。旋轉剖面建模圖如圖2 a所示。

　　建模完成后，對電磁鐵磁場進行仿真分析，從而計算電磁力，計算模型磁感應強度分析云圖如圖2b 所示。然后在電磁滿足電磁鐵外形設計的條件下，對電磁閥設計模型進行優化調整，在不同的結構尺寸下，分別對電磁力進行仿真計算，最終得到電磁力范圍為13~18N。選取電磁力為最大值時電磁鐵結構尺寸，作為電磁鐵部分結構設計依據。

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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構設計

　　油路結構設計中，為實現閥芯靈活運動，消除傳統電磁閥閥芯卡滯故障，采用閥芯內部通油及嵌入式組合閥芯的結構方式，如圖3所示。

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 閥芯內部通油方式及嵌入組合式結構示意圖

　　同時閥芯、閥套節流小孔需設計合理。閥套節流小孔過大，則會導致關閉狀態下彈簧力無法克服液壓力，導致關閉時開啟；閥套節流小孔設計過小，與閥芯節流孔匹配不合適，則又會導致閥芯無法正常開啟，因此，閥芯閥套節流孔孔徑之間的相互協調設計非常重要。為保證節流小孔直徑尺寸設計合理，利用AMESim軟件對閥芯、閥套兩小節流孔尺寸進行仿真計算，如圖4所示。

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HYDAC電磁閥節流孔尺寸仿真計算

　　通過仿真計算，使電磁力、彈簧剛度、節流小孔的直徑達到配合狀態，保證電磁閥可靠的開啟、關閉功能。

　　2.4、接口尺寸

　　HYDAC電磁閥外形尺寸及機械安裝接口如圖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/機械系統的一種綜合力學分析軟件，為驗證電磁閥方案設計的正確性，本文以AMESim軟件為平臺，對電磁閥進行仿真建模。仿真建模如圖6所示。其中輸入信號為12V，電磁閥A腔通入24MPa壓力油，B腔接回油，當電磁鐵通電時，A、B腔溝通，B腔產生24MPa壓力油;當電磁鐵斷電時，A、B腔截斷，B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脈沖信號時，能夠完成開啟關閉功能，且其開啟時間為2ms，滿足指標性能要求。

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仿真試驗結果

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電磁鐵開啟時間仿真結果

4、試驗驗證

　　通過仿真計算結果，確定出電磁閥的主要參數，并據此設計出嵌入組合式電磁閥。電磁閥的實物圖及調試設備見圖9所示。

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嵌入組合式電磁閥的實物圖及調試試驗

　　首先對伺服閥功能進行驗證。輸入12V 階躍信號，觀測試驗臺B腔壓力表變化，嵌入組合式電磁閥能夠實現相應功能。對電磁閥開啟電壓進行試驗驗證，測試數據見表1所示。

電磁閥開啟壓力測試數據

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　　HYDAC電磁閥開啟電壓在8.9～9.7V之間，滿足指標≤12V開啟電壓要求。然后對電磁閥開啟時間進行測試，測試結果見表1。由測試數據可見，電磁閥開啟時間滿足指標≤10ms要求。

5、結論

　　通過采用HYDAC電磁閥通油的結構方式，實現了電磁閥的緊湊型設計;通過HYDAC電磁閥等仿真軟件進行分析計算，確定了電磁閥中電磁力、節流小孔等諸多重要設計參數，成功地完成了嵌入組合式電磁閥的設計、加工和性能測試，通過測試說明，電磁閥能夠達到各項指標要求，滿足設計要求。