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一種結(jié)構(gòu)緊湊的嵌入組合式美國(guó)ASCO電磁閥的研制

一種結(jié)構(gòu)緊湊的嵌入組合式美國(guó)ASCO電磁閥的研制
嵌入組美國(guó)ASCO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(guò)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(guò)了試驗(yàn)驗(yàn)證。
0、引言
美國(guó)ASCO電磁閥產(chǎn)品的可靠性提出越來(lái)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、美國(guó)ASCO電磁閥設(shè)計(jì)要求
(1)美國(guó)ASCO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?br> (4)開啟電壓≤12V。
(5)美國(guó)ASCO電磁閥開啟時(shí)間≤10ms。
2、美國(guó)ASCO電磁閥設(shè)計(jì)方案
2.1、美國(guó)ASCO電磁閥方案總體設(shè)計(jì)思路
美國(guó)ASCO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。
美國(guó)ASCO電磁閥應(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。
美國(guó)ASCO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
2.2、美國(guó)ASCO電磁閥鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
美國(guó)ASCO電磁閥鐵要設(shè)計(jì)的主要參數(shù)為電磁力。如果電磁力設(shè)計(jì)過(guò)小，則電磁力無(wú)法克服彈簧力，導(dǎo)致電磁閥無(wú)法打開;如果電磁力設(shè)計(jì)過(guò)大，則線圈組件外形尺寸又無(wú)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。
方程基礎(chǔ)上的有限元分析軟件，工程上主要用來(lái)對(duì)電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)、靜電場(chǎng)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(chǎng)分布、電磁力進(jìn)行仿真計(jì)算。
首先利用對(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(chǎng)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，得到電磁力范圍為13~18N。選取電磁力為值時(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)。
一種結(jié)構(gòu)緊湊的嵌入組合式電磁閥的研制
嵌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。
一種結(jié)構(gòu)緊湊的嵌入組合式電磁閥的研制
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(guò)大，則會(huì)導(dǎo)致關(guān)閉狀態(tài)下彈簧力無(wú)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(guò)小，與閥芯節(jié)流孔匹配不合適，則又會(huì)導(dǎo)致閥芯無(wú)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。
一種結(jié)構(gòu)緊湊的嵌入組合式電磁閥的研制
節(jié)流孔尺寸仿真計(jì)算
通過(guò)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。
接口尺寸
美國(guó)ASCO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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美國(guó)ASCO電磁閥接口尺寸圖
3、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。
一種結(jié)構(gòu)緊湊的嵌入組合式電磁閥的研制
由圖得知，美國(guó)ASCO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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