油气多路控制阀设计可靠性研究.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／2 0 1 5年 第 1 2期 d o i l O ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 8 0 8 1 3 ． 2 0 1 5 ． 1 2 ． 0 1 2 油气 多路控制阀设计可靠性研究 赵文峰 ， 叶昌楠 ， 周华波， 钟小艳 ， 王二强 湖北三江航天红峰控制有限公司 ， 湖北 孝感4 3 2 0 0 0 摘要 油气多路控制阀是对燃油分流控制的重要执行器件 ， 主要用于控制将油分流后通过各管路进入发动机。油气多路控制阀有4 个直插式电磁阀， 在集成块上连接， 连接燃油阀及油路排空阀的接头各有一个单向阀， 属方向控制阀， 因既通油又通气 ， 密封要求很 高， 为保证工作可靠性， 该文对其工作原理、 结构设计进行了分析研究。 关键词 油气控制； 电磁阀； 单向阀； 可靠性 中图分类号 T H1 3 7 ； T H1 3 8 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 5 1 2 0 0 4 0 0 3 Re l i a b i l i t y Re s e a r c h O n De s i g n o f Oi l ． g a s M u l t i c h a n ne l Co nt r o 1 Va l v e Z H AO W e n -f e n g , Y E C h a n g - n a n ， Z HOUH u a b o , Z HO NGXi a o - y a n ， W A NGE r - q i a n g Hu b e i S a n j i a n g Ae r o s p a c e Ho n g f e n g L i mi t e d C o mp a n y , Xi a o g a n 4 3 2 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Mu l t i c h a n n e l c o n t r o l v a l v e o f o i l a n d g a s i s i mp o r t ant t o p e r f o r m mu l t i f u e l fl o w c o n tro l d e v i c e s ， wh i c h ma i n l y u s e d t o c o n t r o l t h e O i l f l o w t h r o u g h t h e p i p e l i n e e n t e r i n g t h e e n g i n e ． I t h a s f o u r i n l i n e s o l e n o i d v a l v e an d t wo c h e c k v a l v e r e s p e c t i v e l y c o n n e c t-t e d t h e f u e l v a l v e a n d o i 1 d r a i n v a l v e c o n n e c t o r s ． wh i c h b e l o n g s t o t h e d i r e c t i o n a l c o n t r o l v a l v e s ． I n o r d e r t o e n s ur e o p e r a t i o n a l r e l i a b i l i t y , t h i s p a p e r a n a l y z e d i t s wo r k i n g p r i n c i p l e ， s t r u c t u r e d e s i g n． K e y wo r ds 0 i l g a s c o n tro l ；s o l e n o i d v a l v e ； c h e c k v a l v e； r e l i a b i l i t y 0 引言 油气多路控制阀是燃烧做功等工作设备用燃油分 流 的重要执行器件 ， 主要用于控制将燃 油分流后通过 各管路进入发动机。控制阀有4 个直插式电磁阀， 在集 成块上连接 ， 连接燃油阀及油路排空阀的接头各有一 个单向阀， 属方向控制阀， 因既通油又通气， 密封要求 很高， 但零件加工后密封效果较差 ， 不能满足密封要 求 ； 且电磁阀通电吸合后出现过铁芯密封垫被推出， 堵 住通油孑 L 导致工作不稳定的情况。 本文从其工作原理、 结构特性进行分析， 并通过大 量实验， 验证产品设计合理的可行性， 指导和改进产品 设计。 1 工作原理 油气多路控制阀有 4个电磁 阀， 在集成块上连接 ， 有利于液压装置 的标准化 、 通用化 、 系列化 ， 是一种 良 好 的连接方式 。集成块 内有连通各 阀的共用油路 ， 侧 面装压力传感器， 连接燃油阀及油路排空阀的接头中 各有一单向阀， 分别控制油和气的导通及截止。 油气多路控制阀的结构见 图 1 。接头 1 及接头2中 的单向阀属方向控制阀， 接头 1 中单向阀控制将燃油导 收稿 臼期 2 0 1 5 0 5 1 4 作者简介 赵文峰 1 9 7 3 一 ， 男 ， 湖南江华人 ， 工程师 ， 大专 ， 主要从事工 装设计及液压元件的设计工作。 4 0 卜接头1 2 - 单向阀组件 3 一 集成块4 一 喷射 油嘴5 一 油路 排空 阀 6 一 分流座 1 7 - 燃油 阀8 一 喷射注油 阀 1 9 一 喷射注油阀2 1 0 一 分流座2 1 1 - 接头2 图1油气多路控制阀 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 1 2 ． 2 0 1 5 人集成块供喷射注油 阀喷油 ， 接头 2 中单向阀将空气导 人集成块对各喷射油嘴中的燃油进行排空 。当接头 1 外接 的燃油压力大于单 向阀中弹簧力和摩擦阻力时 ， 燃油经单向阀导人集成块共用油路； 当油路排空阀接 工作气压后 ， 该空气经接头 2 中单 向阀导人 ， 将接 头 1 中单向阀堵盖压紧在阀体上， 反向截止不能泄漏。 2 结构设计 电磁阀是用电磁力使阀芯移动实现换向的一种气 动元件 ， 由电磁铁 和换 向阀两部分组合 。电磁 阀设计 主要是根据其工作条件和使用要求确定换向阀换向所 需的控制力及行程， 然后设计电磁铁的结构、 铁心和线 圈的物理参数和几何参数。 油气多路控制 阀中电磁 阀为两位 两通 常闭 ， 直动 单电磁截止式换 向阀。通电时， 通过电磁力吸合动铁 芯向静铁芯方向做轴向移动， 打开阀口实现燃油的通 路 ； 断电时， 在锥弹簧作用下动铁芯复位， 通过动铁芯 端面的铁芯密封垫堵住阀口， 实现燃油的闭合。 电磁力大小及动铁芯组件在阀中工作行程、 铁芯 密封垫 材料及 与动铁 芯的连接方式 ， 都直接影响到 电 磁 阀能否克服复位弹簧 的弹力及油压进行工作。理论 分析 ， 提高设计参数解决电磁阀通电吸合后不喷油的 方案有两种 一种是提高电磁阀的电磁力， 一种是减小 阀的行程 。 根据动铁芯在电磁阀中的装配情况 ， 动铁芯的行 程按图 2 确定。 通径 ． 6 ． O 图2 电磁 阀工作行 程分 析 图中 8 动铁芯组件长度 mm ； 6 静铁芯的内腔深度 m m ； c 分流座 1 分流座2 对动铁芯的定位深度 m m ； 一 动铁芯与静铁芯间的气 隙 mm 。 当电磁 阀通 电后 ， 线 圈对静铁 芯和动铁芯产生 的 电磁力 吸合动铁芯向静铁芯移动 ， 则 8 c 一 口 一 b 。 因单 向阀既用于油路也用 于气路 ， 故对单 向阀要 求较高。产品最初结构见图3 。 1 旋压加工 4 6 卜阀体2 一 挡圈3 - 0型圈4 一 堵盖5 一 复位弹簧 6 一 补偿锥芯7 一 阀座 图 3 单 向阀 3 可靠性研究 3 ． 1穿销堵盖结构 因堵盖下复位弹簧力很小 ， 堵盖与补充锥芯间隙 较大， 堵盖位置不固定， 阀体材质为铜， 堵盖为不锈钢 ， 铜与钢件间的硬性接触密封很难 。为保证可靠密封 ， 对阀体、 堵盖结构及其 口部密封处进行过多次改进试 验 。经大量试 验 ， 当阀体为 圆弧面 、 堵盖为 圆锥面时 ， 密封较好， 但加工困难 ， 需堵盖与阀体在车床上配研， 互换性不好 ， 当堵盖因弹簧多次工作而位置改变时， 密 封就不可靠。 针对此情况， 将原阀体与堵盖的硬性接触密封形 式 ， 改为橡胶件的弹性密封， 在堵盖中增加铁芯密封垫 材料为橡胶件 ， 配加工圆柱销将其与堵盖固定， 同时 对增加平面度要求 ， 经初样及试样验证， 密封良好， 较 好地解决了单向阀反向密封问题。 3 ． 2 塑压堵盖结构 由于穿销动铁芯组件中的铁芯密封垫端面出现裂 纹 ， 分析系钻孔产生 内应力 ， 往返工作运动使端面受力 较大 ， 应力释放使橡胶件端面产生裂纹。改进结构 ， 取 消钻孔 ， 将加工后的不锈钢堵盖压人橡胶材质的堵盖 密封垫， 避免了密封垫端面产生裂纹的隐患， 提高了单 向阀密封结构的可靠性。 3 ． 3 动铁芯倒锥不穿销结构 最初 动铁 芯密封垫为穿销结构 ， 密封垫端 面出现 裂纹 ， 裂纹方向与钻孑 L 方向平行。分析钻孔产生内应 力， 多次往返运动使端面受力较大， 应力释放导致橡胶 端面产生裂纹。故取消钻孑 L ， 根据 塑料制品设计师指 南 “ 在塑件与金属件的压配联接中， 在刚性的金属件 下转第4 8 页 4 】 液 压 气 动 与 密 封 ／2 01 5年 第 1 2期 3 结论 流体穿过密封节和毛细管的流动因流速慢而可视 为可忽略动能的流动 ， 因此 ， 可视为只有流阻而无流抗 的流动， 流动所需压降为流体流与漏阻或流阻之积。 普通管路是供流体流动的 ， 有明确 的流速要求 ， 既 要考虑流阻又要考虑流抗 ， 因此 ， 流动所需总压降为流 体流与阻值等于流阻和流抗代数和的阻抗之积。 流体流过物体的流动等同流过其对应管凸壁段的 流动 ， 与对应管 凸壁段有完全相 同的阻抗和压降。 也就是说 ， 任何流体 的流动都是 由流路的阻抗 和 压差决定的， 其中流体流的大小与流路两端的压差成 正 比， 比值为流路的阻抗 ， 阻抗是流路 的流阻和流抗的 代数和 。加之 ， 流过管路 的流体流大小是 由管路 的输 送任务确定的， 流过物体的流体流大小是由物体对应 的直包夹体积和运动速度确定的， 管路的流阻是由其 几何结构和流体粘度按公式决定的， 管路的流抗是由 其几何结构和流体流速及密度按公式决定的， 所以， 根 据管内流路与物体外流路的对应性， 便可用描述和计 算管路的压力随流速而变的方法， 去描述和计算一切 流路的压力随流速的变化 ， 并使压力随流速而变的一 切常见运用和演示有了全新的统一的科学解释。 - - ～- - 一 t - 接第 4 1 页 参考文献 [ 1 】 Hy d r o d y n a m i c [ E B ／ O L I ．E n c y c l o p e d i a B r i t a n n i c a 【 2 O 1 5 一 O 4 1 2 1 ．h t t p ／ ／ g l o b a 1 ． b ri t a n n i c a ． c o m ／ E B c h e e k e d ／ t o p i c ／ 6 5 8 8 9 0 m y - d m n a mi c a [- 2 ]] P o i s e u i l l e ’ S L a w [ E B ／ O L I ． T h e G r e a t S o v i e t E n c y c l o p e d i a , 3 r d E d i t i o n [ 2 0 1 5 0 4 1 2 ] ．h t t p ／ ／ e n e y e l o p e d i a 2 ． t h e f r e e d i c t i o n a r y ． c o rn／ tPo i s e u i l l e s l a w [ 3 】 N A S A G l e n n R e s e a r c h C e n t e r ． I n c o r r e c t L i f t T h e o r y [ E B ／ O U I 【 2 0 1 5 0 4 1 2 ] ．,h t t o ．．／ ／ w w． g r c ． n a s a ． g o v ／ WWW／ K一1 2 ／ l a n e ／ wr o n g 1 ． h t ml 【 4 ] I s o n ， D a v i d ． B e r n o u l h O r N e w t o n ．“ Wh o S R i g h t A b o u t L i f t [ J 】 ． P l a n eP i l o t ， 2 0 0 6 ， J u l y 1 ． [ 5 】 Ho l g e r B a b i n s k y ． H o w d o Wi n g s Wo r k [ J ] ． P h y s i c s E d u c a - t i o n ， 2 0 0 3 ， Vo l u me 3 8【f No ． 6 4 9 7 - 5 0 3 ． I6 ] 徐长祥 ， 张晓忠， 陈佑军． 流体的压力能与漏阻、 流阻和流抗 [ J 】 ． 液压气动与密封 ， 2 0 1 5 ， 9 ． 【7 】 N A S A G l e n n R e s e a r c h C e n t e r [ E B ／ O L ] ． Lift f r o m F l o w T u r n i n g [ 2 0 1 5 0 4 1 2 ] ． h t t p ．． ／ ／ w w w ． g r c ． n a s a ． g o v ／ WWW／ K -一1 2 ／ a i r p l a n e ／ r i g h t 2 ．h t ml [ 8 】 We h n e r ．， K l a u s e t a 1 ． Mi s i n t e r p r e t a t i o n s o f B e rno u l l i s L a w [ E B ／ O L ] [F 2 0 1 5 0 4 ～ 1 2]．h t t p ／ ／ w w w s t u d ． r b i ． i n f o r ma t i k ． u n i f r a n k f u r t ．d e l - p l a s s I MI S I mi s 6 ．．h t ml [9 ] 丁祖荣． 流体力学 上册[ M 】 ． 北京 高等教育出版社， 2 0 04． 上制成防松的倒钩、 棘齿类结构， 可有效提高其联接牢 度” 的论述， 将动铁芯改为锯齿形倒锥结构 见图4 。 图4 动铁芯 倒锥 结构 经对燃油阀、 喷射注油阀1 、 2 分别通、 断电再加压， 在常温条件下， 每个阀均做性能试验， 通电喷油工作稳 定。拆卸后 ， 动铁芯组件总长尺寸无化， 说明了改进的 可行性。 3 ． 4 铁芯密封垫的材料研究 密封材料的选用需考虑工作介质、 温度等条件， 一 般要求高温下不软化、 不分解， 低温下不硬化、 不脆裂； 抗腐蚀性能好， 在油介质中能长期工作， 其体积和硬度 变化小 ， 且不粘附在金属表面上。 考虑选用耐油性更好的材料进行 改进试 验 ， 对 丁 腈橡胶、 氟硅胶及氟橡胶等材料样件试验， 分别将样件 放人煤油中， 进行试验检测。从检测结果中得出氟橡 48 胶在燃油中的体积变化率最小 ， 耐油性最好 。 4 结语 通过对油气多路控制阀单向阀密封结构 、 工作行 程所进行 的改进设计和密封材料的研究 ， 经理论计算 及实物加工后的试验， 摸索了阀类密封的结构设计， 电 磁吸力与及工作行程的关 系 ， 同时对 阀类产 品密封材 料 的选用和连接方式加深认识 ， 保证 了产 品设计 的可 靠性 。 参考文献 [ 1 】 杨源泉． 阀门设计手册[ M】 ． 北京 机械工业出版社， 1 9 9 2 ． 【 2 】 唐志玉， 徐佩弦． 塑料制品设计师指南[ M] ． 北京 国防工业出 版社 ， 1 9 9 3 ． [3 】 毛智勇． 液压与气压传动[ M 】 ． 北京 机械工业出版社， 2 0 1 2 ． [ 4 ] 气动工程手册编委会． 气动工程手册【 M] ． 北京 国防工业出 版社， 1 9 9 5 ． 【 5 】 衍庆， 邱宣振， 杨洁 ， 等． 控制阀工程设计与应用【 M 】 ． 北京 化 学工业 出版社， 2 0 0 5 ． [ 6 ] 陆培文． 实用阀门设计手册I n 1 ． 北京 机械工业出版社，2 0 0 7 ． [ 7 ] 孙志理， 陈良玉． 实用机械可靠性设计理论与方法[ M 】 ． 北京 科学出版社， 2 0 0 3 ．