高压气动电磁阀方案改进及仿真分析

李新英 贾坤

摘 要：该文利用CFD仿真分析软件，针对高压气动电磁阀内流场进行分析计算，得到电磁阀泄压过程中压力损失，通过分析提出多种改进方案，并对各方案进行仿真计算，最终得到最优改进方案，使电磁阀压力损失最小。在考虑压力损失的同时该文还利用ANSYS结构分析软件通过流固耦合的方法对方案的静强度进行校核，在保证压力损失最小的情况下同时保证强度满足技术要求。

关键词：电磁阀；压力损失；仿真分析

中图分类号：TH138 文献标志码：A

0 引言

高压气动电磁阀主要用于排出空气增压装置中过滤器过滤出的微粒、水等杂质，同时可将分离器腔体中的气体排出，降低腔体压力以利于压缩机的正常启动。当高压气体流过动衔铁压力损失如果过大，就会造成弹簧力小于动衔铁两侧产生的压力，使电磁阀在此工况下无法正常关闭。由于增压装置中的气体压力较高到达35 MPa左右，此类型电磁阀在设计时由于气体流速较高会造成较大压力的损失，使电磁阀闭合时间延长影响阀的性能，如何降低压力损失成为产品设计的关键技术。

1 初始结构及计算结果

1.1 初始结构及工作原理

电磁阀初始结构示意图如图1所示。

高压气体由气压电磁阀的进气口进入，当电磁阀断电时，动衔铁由于弹簧力的作用，将密封垫压死在阀座上，此时进气口与排气口断开，电磁阀处于关闭位置；当电磁阀的线圈通电后，动衔铁在电磁吸力和气体压力的共同作用下，克服弹簧力并使动衔铁保持在吸合位置，此时，密封垫将阀座松开，电磁阀进气与排气接通，电磁阀处于开启位置。其中弹簧力大小为20.82 N，原始模型中动衔铁进气孔只有2个通孔，孔径1.5 mm，动衔铁后端留有缝隙。在电磁阀持续通高压气体情况断电动衔铁前后压力不等，可能造成前后压强产生的压力大于弹簧力，在此工况下不能正常关闭。现对原始模型进行计算分析。

1.2 计算结果

應用流体动力学分析软件CFD，提取电磁阀原始结构的内部流场，网格划分采用多面体网格技术，采用理想气体模型，由于气体压力较高，过流孔径较小，流速必然会相当大，因此模型的流动状态为湍流，采用湍流k-ε模型，入口为压力边界条件35 MPa，出口压力设置为0，采用simple算法，迭代步数设置为5 000。计算动衔铁前后的压力，前端平均压力为615 076 Pa，后端平均压力为95 772 Pa，因此压差为5.193 kPa。动衔铁面积为1 131 mm2，压差在动衔铁上产生的力为56.59 N，其产生的压差力大于弹簧力，因此原始模型在此设计结构中电磁阀不能正常关闭，现在对原始结构设计进行改进优化使压力损失降低，压差变小。由于其他结构及空间限制，只能将动衔铁模型进行改进。

2 改进方案及仿真结果

2.1 改进方案及流场分析

考虑温度对压力损失的影响，温度主要影响流体的黏度，黏度越大压力损失越大，黏度越小压力损失越小。气体的黏度随着温度的升高而增加，因此温度越高压力损失越大。此关系同样可以体现在局部压力损失系数上，即雷诺数与系数关系。

通过分析可知要减小动衔铁前后端的压力损失应从两方面进行改进：1）减小气体流速；2）减小局部压力损失系数，选择局部损失系数较小的结构形状。

按照以上的改进思路，同时考虑结构强度限制，制定以下3种方案：

（1）在动衔铁内增加一个通孔，增加为3个，并将孔径增加为2 mm；

（2）将动衔铁通孔个数增加至4个，并将孔径增加为2 mm；

（3）在方案2的基础上将衔铁径向及切向方向开0.5 mm的槽，减小流速。

提取修改后各模型的流体域，如图2（a）所示，3种模型按照2.2节中的设置进行仿真计算，得到各方案下的压力分布云图如图2（b）所示。

图2中可以看出动衔铁前后两端的压力损失在逐渐减小，方案1、2气体进入衔铁后压力分布梯度较大，由于气体流速较大故损失相比较方案3大。方案3中动衔铁前后压力分基本比较均匀一致，流速比较前2个方案中小。提取各个方案中衔铁前后端受力大小见表1。

弹簧力大小为20.82，表1中方案3的差值只有1.09 N，远远小于弹簧力，满足要求。

2.2 静强度校核结果

考虑到方案3中修改后动衔铁的孔较多，出现应力集中的可能性较大，对衔铁进行静强度校核计算，采用流固耦合的方法，将方案3中流体计算结果作为输入载荷加载在动衔铁上，并在衔铁底部固定约束，同时施加弹簧力。通过仿真分析并提取动衔铁的最大当量应力为44.36 MPa，出现位置在动衔铁侧边开凹槽处。应用仿真计算结果进行强度校核，动衔铁采用材料为AMS5630，屈服强度为1 280 MPa，动衔铁静强度校核结果及安全系数计算见表2。

通过计算分析方案3动衔铁静强度安全系数为28.85>1.5满足静强度要求。

3 结论

通过对沿程阻力损失和局部阻力损失定义，对原始结构模型进行改进，并利用流体分析软件和结构分析软件及流固耦合技术对电磁阀多个方案进行计算分析，得到最优方案，使动衔铁前后两端力的差值为1.09 N，静强度安全系数大于1，在保证压力损失满足要求的同时也保证了静强度满足结构强度要求。

参考文献

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