FESTO電磁閥設(shè)計(jì)要解決的主要問題是密封問題，必須通過對電磁力、彈簧力和氣體壓力的計(jì)算確保電磁閥斷電時(shí)氣路被隔斷，在通電時(shí)電磁力能夠克服彈簧力和氣體壓力迅速打開氣路。同時(shí)合理設(shè)計(jì)密封結(jié)構(gòu)，選用合適的材料保證電磁閥在高溫(+50℃)和低溫(-20℃)環(huán)境中正常工作。
1、FESTO電磁閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
要實(shí)現(xiàn)FESTO電磁閥密封要求，首先要保證主要密封件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，加工容易保證。參考進(jìn)口減壓閥的工作原理，進(jìn)行了如下改進(jìn)設(shè)計(jì)。
1.1、FESTO電磁閥閥桿的設(shè)計(jì)
進(jìn)口FESTO電磁閥的密封形式是利用閥桿兩端錐面，通過閥桿的移動(dòng)分別密封入口端和放氣口端。這種密封形式要求閥桿的加工精度很高，特別是閥桿兩端錐面的同軸度要求在0.01mm以內(nèi)。這兩錐面用一般數(shù)控機(jī)床加工必須經(jīng)過在兩次定位分別加工，錐面同軸度要求很難保證，因此進(jìn)口電磁閥在使用過程中性能很不穩(wěn)定，使用壽命較短，而國內(nèi)傳統(tǒng)電磁閥只能應(yīng)用于低壓工作范圍，圖2為閥桿工作原理圖。
在FESTO電磁閥的設(shè)計(jì)當(dāng)中，通過改變閥桿結(jié)構(gòu)形式，將原來閥桿兩端錐面密封形式改為一側(cè)端面密封，另一側(cè)保持錐面密封。這樣錐面的同軸度和端面的垂直度和跳動(dòng)度用普通數(shù)控機(jī)床可以在一次定位中加工出來，閥桿的設(shè)計(jì)精度就比較容易保證，同時(shí)降低了加工成本。圖3為閥桿改型設(shè)計(jì)簡圖。
1.2、密封力的設(shè)計(jì)
在FESTO電磁閥設(shè)計(jì)中，引進(jìn)氣動(dòng)密封力概念，即通過改變進(jìn)氣口兩端面的橫截面積S1、S2 ,使截面S1 > S2 ,在通入高壓氣體P0 時(shí)，作用在兩截面的氣體壓力分別是：
F′1 = P0 ·S1
F′2 = P0 ·S2
這樣，當(dāng)電磁閥閉合時(shí)，由于兩截面均密封，在截面兩端形成壓力差F′1 - F′2 ,產(chǎn)生氣動(dòng)密封 。此時(shí)電磁閥閉合時(shí)的密封力由氣體密封力和彈簧力共同提供，既保證了電磁閥閉合時(shí)所需要的密封力，同時(shí)可以降低了彈簧的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，延長彈簧的使用壽命。
FESTO電磁閥理論計(jì)算
電磁力計(jì)算
電磁鐵設(shè)計(jì)形式為Ⅲ型電磁鐵，具體外形見圖4。
FESTO電磁閥的電磁鐵簡化圖
FESTO電磁閥在該磁系統(tǒng)的磁路中，由于工作氣隙較小，故雖然存在漏磁通，但相對于主磁通來說可以忽略，故由《平衡力電磁鐵設(shè)計(jì)計(jì)算及實(shí)驗(yàn)研究》中電磁鐵對銜鐵的吸力F為：
所以，μ0 = 275.56 ×103 ;
由上代入公式(6)得： F = 1848.9N
以上計(jì)算結(jié)果從理論上證明了該電磁閥設(shè)計(jì)的合理性，同時(shí)這種高壓大流量電磁閥已應(yīng)用在某型號地面測試儀中，實(shí)踐證明使用可靠，性能穩(wěn)定。它的研制成功解決了以往產(chǎn)品依賴進(jìn)口的現(xiàn)象，并為同類產(chǎn)品的研制提供了可借鑒的方法。
為了避免因電源故障而導(dǎo)致電磁閥在聯(lián)鎖發(fā)生時(shí)動(dòng)作失敗，通常電磁閥都為常閉型(NC)，即正常時(shí)帶電，聯(lián)鎖動(dòng)作時(shí)失電;另外還有一種為通用型(可以連成常閉或常開的任意一種) 。
在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)工藝過程的安全保護(hù)需要，確定哪種形式能夠滿足的條件選用NC(常閉)或通用。下面以該項(xiàng)目工程設(shè)計(jì)中電磁閥的應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行說明。
1、FESTO電磁閥在氣動(dòng)切斷閥參與聯(lián)鎖時(shí)的應(yīng)用
FESTO電磁閥應(yīng)用在單作用氣開式切斷閥聯(lián)鎖時(shí)關(guān)閉及單作用氣關(guān)式切斷閥聯(lián)鎖時(shí)打開的場合。聯(lián)鎖過程：正常狀態(tài)下，電磁閥得電，進(jìn)氣口1 打開，排氣口2 關(guān)閉，氣路1 ,3 接通，切斷閥正常供氣，氣開式切斷閥打開，氣關(guān)式切斷閥則為關(guān)閉;聯(lián)鎖狀態(tài)下，電磁閥失電，進(jìn)氣口1 關(guān)閉，排氣口2 打開，氣路2 ,3 接通，切斷閥供氣中斷，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的彈簧復(fù)位，氣開式切斷閥關(guān)閉，氣關(guān)式切斷閥則為打開。
二位三通常閉型電磁閥的應(yīng)用
1 二位三通常閉型電磁閥的應(yīng)用
FESTO電磁閥應(yīng)用在單作用氣開式切斷閥聯(lián)鎖時(shí)打開及單作用氣關(guān)式切斷閥聯(lián)鎖時(shí)關(guān)閉的場合。聯(lián)鎖過程：正常狀態(tài)下，電磁閥得電，進(jìn)氣口1 關(guān)閉，排氣口2 打開，氣路2 ,3 接通，切斷閥不被供氣，氣開式切斷閥關(guān)閉，氣關(guān)式切斷閥則為打開;聯(lián)鎖狀下，電磁閥失電，電磁閥進(jìn)氣口1 打開，排氣口2 關(guān)閉，氣路1,3 接通，切斷閥供氣，氣開式切斷閥打開，氣關(guān)式切斷閥則為關(guān)閉。
由于通用型可以連成常開或常閉的任意一種，而且價(jià)格差別不大，所以為了方便起見，可以將上述兩種應(yīng)用中的電磁閥均選為通用型。
2 二位三通通用型FESTO電磁閥的應(yīng)用
3 為二位五通單線圈FESTO電磁閥應(yīng)用在切斷閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)為雙作用氣缸式的場合。
如果聯(lián)鎖發(fā)生時(shí)需要關(guān)閉切斷閥，則在正常操作時(shí)儀表空氣走向?yàn)? —4 ,切斷閥B 氣缸進(jìn)氣，A氣缸排氣，然后再經(jīng)電磁閥2 —3 端口放空;當(dāng)聯(lián)鎖發(fā)生時(shí)，儀表空氣走向?yàn)? —2 ,切斷閥A 氣缸進(jìn)氣，B 氣缸排氣，然后再經(jīng)電磁閥4 —5 端口放空，切斷閥達(dá)到關(guān)閉的目的。
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