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一種結構緊湊的嵌入組合式美國ASCO電磁閥的研制

一種結構緊湊的嵌入組合式美國ASCO電磁閥的研制
嵌入組美國ASCO電磁閥應用于多余度伺服閥上，主要實(shí)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(dòng)靈活不易卡滯、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。該文首先對嵌入組合式電磁閥進(jìn)行方案設計，并通過(guò)AMESim、Ansoft軟件對該閥進(jìn)行建模仿真，在此基礎上優(yōu)化設計并生產(chǎn)了電磁閥，并通過(guò)了試驗驗證。
0、引言
美國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)應運而生。但當某余度發(fā)生故障時(shí)，為保證其他余度對系統的正?？刂乒δ懿皇芨蓴_，對故障余度實(shí)現隔離功能的元器件的優(yōu)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(shí)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(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)現故障隔離功能。
1、美國ASCO電磁閥設計要求
(1)美國ASCO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(kāi)，實(shí)現A、B兩路油腔的溝通;給定信號為零時(shí)，電磁閥關(guān)閉，實(shí)現A、B兩路油腔截斷。
(4)開(kāi)啟電壓≤12V。
(5)美國ASCO電磁閥開(kāi)啟時(shí)間≤10ms。
2、美國ASCO電磁閥設計方案
2.1、美國ASCO電磁閥方案總體設計思路
美國ASCO電磁閥整體設計思路是：為實(shí)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(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。
美國ASCO電磁閥應正確計算電磁力、彈簧力、節流小孔等設計參數，且能實(shí)現電磁力方便可調，保證電磁閥功能的實(shí)現。
閥芯功率級設計時(shí)，為保證閥芯的靈活運動(dòng)，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(shí)現閥芯在油路切換的同時(shí)能夠靈活運動(dòng)，避免出現卡滯、運動(dòng)不靈活等現象的發(fā)生。
美國ASCO電磁閥的總體設計思路及原理見(jiàn)圖1所示。其具體工作原理為：液壓油從序號12(油濾組件)進(jìn)入電磁閥。當序號3(線(xiàn)圈組件)輸入信號為零時(shí)，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(xiàn)圈組件)輸入信號為額定電壓信號時(shí)，液壓油作用到序號9(閥芯)上的合力向左，閥芯向左移動(dòng)，A、B兩腔溝通。
一種結構緊湊的嵌入組合式電磁閥的研制
2.2、美國ASCO電磁閥鐵結構設計
美國ASCO電磁閥鐵要設計的主要參數為電磁力。如果電磁力設計過(guò)小，則電磁力無(wú)法克服彈簧力，導致電磁閥無(wú)法打開(kāi);如果電磁力設計過(guò)大，則線(xiàn)圈組件外形尺寸又無(wú)法滿(mǎn)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(jìn)行建模仿真計算。
方程基礎上的有限元分析軟件，工程上主要用來(lái)對電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)、靜電場(chǎng)等進(jìn)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(chǎng)分布、電磁力進(jìn)行仿真計算。
首先利用對電磁鐵部分進(jìn)行建模。根據Maxwell Ansoft 建模特點(diǎn)，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(chǎng)進(jìn)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(mǎn)足電磁鐵外形設計的條件下，對電磁閥設計模型進(jìn)行優(yōu)化調整，在不同的結構尺寸下，分別對電磁力進(jìn)行仿真計算，得到電磁力范圍為13~18N。選取電磁力為值時(shí)電磁鐵結構尺寸，作為電磁鐵部分結構設計依據。
一種結構緊湊的嵌入組合式電磁閥的研制
嵌入組合式閥芯閥套結構設計
油路結構設計中，為實(shí)現閥芯靈活運動(dòng)，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(shí)閥芯、閥套節流小孔需設計合理。閥套節流小孔過(guò)大，則會(huì )導致關(guān)閉狀態(tài)下彈簧力無(wú)法克服液壓力，導致關(guān)閉時(shí)開(kāi)啟；閥套節流小孔設計過(guò)小，與閥芯節流孔匹配不合適，則又會(huì )導致閥芯無(wú)法正常開(kāi)啟，因此，閥芯閥套節流孔孔徑之間的相互協(xié)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(jìn)行仿真計算，如圖4所示。
一種結構緊湊的嵌入組合式電磁閥的研制
節流孔尺寸仿真計算
通過(guò)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(tài)，保證電磁閥可靠的開(kāi)啟、關(guān)閉功能。
接口尺寸
美國ASCO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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美國ASCO電磁閥接口尺寸圖
3、是基于液壓/機械系統的一種綜合力學(xué)分析軟件，為驗證電磁閥方案設計的正確性，本文以軟件為平臺，對電磁閥進(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(shí)，A、B腔溝通，B腔產(chǎn)生24MPa壓力油;當電磁鐵斷電時(shí)，A、B腔截斷，B腔壓力為0。
一種結構緊湊的嵌入組合式電磁閥的研制
由圖得知，美國ASCO電磁閥在接收12V脈沖信號時(shí)，能夠完成開(kāi)啟關(guān)閉功能，且其開(kāi)啟時(shí)間為2ms，滿(mǎn)足指標性能要求。

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