飞机除冰车先导电磁阀的研制

□ 江晓春

航天十一所西安航天远征流体控制股份有限公司 西安 710100

1 研制背景

飞机除冰车是寒冷地区机场必备的飞机运行安全保障车辆。电磁阀是飞机除冰车喷射系统的关键管道附件,主要用于喷射除冰液的开关控制,通电时保证可靠、迅速开启,断电时保证密封,确保系统无泄漏[1]。除冰液的主要成分是乙烯乙二醇和丙烯乙二醇,都属于有机溶剂,因此电磁阀的密封件材料选择相当重要。笔者研制了一款先导电磁阀,用于飞机除冰车喷射系统的控制。

2 工作原理

这一先导电磁阀采用先导常闭型式。通电时,线圈产生电磁力,衔铁在电磁力的作用下,克服锥弹簧力向上运动。先导阀座被打开,活塞上腔的介质瞬间通过先导阀座排出,压力迅速下降,在活塞上下形成上低下高的压差。向上的介质力克服复位弹簧力、活塞自身重力和摩擦力,推动活塞向上移动,阀门打开。断电时,线圈电磁力消失,衔铁在锥弹簧力及自身重力的作用下关闭先导阀座,入口介质迅速通过节流孔流入活塞上腔,在活塞上下形成下低上高的压差。活塞在向下介质力、复位弹簧力和自身重力的作用下向下移动,阀门关闭。通电、断电各一次,电磁阀完成一个工作循环[2]。

3 结构特点

先导电磁阀由线圈、衔铁、先导阀座、主阀座、活塞、阀体、密封件、锥弹簧、复位弹簧等组成,如图1所示。先导电磁阀可以减小电磁线圈的尺寸,保证在大通径下结构紧凑、功耗低[3]。为了保证密封件在除冰液中的使用寿命,确保密封的可靠性,密封件的材质选用三元乙丙橡胶,这一橡胶对有机溶剂的抵抗性极佳[4]。在对接形式上,采用管螺纹连接,可以方便先导电磁阀在除冰车喷射系统中的连接。

▲图1 先导电磁阀结构

4 技术参数

笔者研制的先导电磁阀技术参数见表1。

表1 先导电磁阀技术参数

5 设计计算

笔者首先对先导电磁阀工作过程中的液压不平衡力、启动力,以及线圈的各相关尺寸参数进行计算设计[5-7],然后对主要相关参数进行校核[8-10]。

液压不平衡力FY为:

启动力Fq为:

Fq=KL(FY+FT)

(1)

式中:KL为摩擦过载因数,取1.4。

由式(1)计算得到Fq为21.1 N。

衔铁直径D为:

(2)

式中:Bδ为工作气隙磁密,取0.9 T。

由式(2)计算得到D为0.92 cm,取D为1 cm。

线圈磁势FΣH为:

FΣH=Bδδ0Kj/μ0

(3)

式中:μ0为空气磁导率,取0.4π×10-4T ·cm/A;Kj为磁势降因数,取1.1。

由式(3)计算得到FΣH为669.98 At。

发热状态下的最大磁势FΣHmax为:

FΣHmax=UmaxFΣH/Umin=861.40 At

结构系数K1为:

线圈窗口长度lk为:

(4)

ε=lk/hk

(5)

式中:ε为线圈长厚比;hk为线圈厚度;θω为线圈温升,取75 ℃;k为散热系数,取1.22×10-3W·cm/℃;fk为填充因数,取0.6;ρθ为电阻系数。

ρθ=ρ20[1+α20(θmax-20)]

=2.26×10-2Ω·mm2/m

式中:ρ20为20 ℃时铜导线电阻系数,取1.72×10-2Ω·mm2/m;α20为20 ℃时铜导线温度系数,取0.395×10-2℃-1;θmax为吸合电压为24 V时线圈允许的最高温度,取100 ℃。

由式(4)计算得到lk为4.19 cm,因窗口两端各垫两层薄膜,因此取lk为4.3 cm。

线圈窗口厚度hk为:

hk=lk/ε=0.9 cm

漆包线直径dq为:

(6)

R1=R+δ1

(7)

h′k=hk-b-4δ2

(8)

式中:R1为导向筒外圆半径;R为衔铁半径,取0.5 cm;δ1为导向筒壁厚,取0.15 cm;δ2为薄膜厚度,取0.004 cm;h′k为漆包线厚度;b为考虑引出线直径所留的空隙,取0.1 cm。

由式(6)、式(7)计算得到dq为0.246 mm,根据标准GB 6109.1—1990《漆包圆绕组线 第1部分:一般规定》,选取漆包线直径dq为0.25 mm,漆包线最大外径dw为0.281 mm。

线圈层数N1为:

N1=h′k/dw=27.9

取N1为28层。

每层匝数N2为:

N2=0.97(lk-4δ2)/dw-1=146.9

取N2为147匝。

线圈匝数ω为:

ω=N1N2=4 116

线圈平均半径Rp为:

Rp=R1+2δ2+h′k/2=1.05 cm

漆包线长度l为:

l=2πRpω=27 140.9 cm

线圈电阻R20为:

R20=ρ20l/qM

(9)

式中:qM为漆包线截面积。

由式(9)计算得到R20为95.1 Ω,取R20为95±2 Ω。

各种温度下线圈电阻Rt为:

Rt=R20[1+0.395×10-2(t-20)]

(10)

式中:t为温度。

由式(10)计算得到各种温度下的线圈电阻值,见表2。

表2 各种温度下线圈电阻值

各种温度下线圈电流It为:

It=Vt/Rt

(11)

式中:Vt为不同温度时的线圈电压。

由式(11)计算得到各种温度、不同电压下的线圈电流值,见表3。

表3 各种温度及不同电压下线圈电流值

各种温度下线圈磁势FΣHt为:

FΣHt=Itω

(12)

由式(12)计算得到各种温度、不同电压下的线圈磁势,见表4。

表4 各种温度及不同电压下线圈磁势

各种温度下线圈功率Pt为:

Pt=ItVt

(13)

由式(13)得到各种温度、不同电压下的线圈功率,见表5。

表5 各种温度及不同电压下线圈功率

6 校核

校核填充因数f′k为:

可见,f′k约等于fk。

校核温升θ′ω为:

(14)

式中:R2为外壳组件内半径;τ为通电持续率,取0.8。

R2=R1+hk=1.55 cm

由式(14)计算得到θ′ω为50.2 ℃,θ′ω小于θω,满足设计要求。

线圈电感L0为:

L0=ω2μ0S/Lg

(15)

式中:S为衔铁面积;Lg为初始工作气隙和非工作气隙之和。

S=πD2×10-4/4=0.785×10-4m2

Lg=δ0+δ=0.095 cm

由式(15)计算得到L0为1.76 H。

校核吸力F为:

(16)

式中:I0为电压21 V、温度100 ℃时的电流。

由表3得I0为0.168 0 A。

由式(16)计算得到F为26.1 N,F大于Fq,满足设计要求。

7 结束语

笔者研制的先导电磁阀具有低电流、微功耗、耐腐蚀、长使用寿命等特点,长期在飞机除冰车上使用,性能稳定,满足用户的使用要求。