1．前言

我廠參照國外實物和圖紙試制的先導式天然氣電磁閥線圈額定直流電壓12V，閥門額定工作壓力20MPa，活門直徑10．5mm，動鐵芯與定鐵芯之間的氣隙3～3.5mm，活門與隔磁導套之間的直徑間隙O.15～0.30mm。前期用空氣試驗，氣源壓力8MPa以上活門打不開，按標準要求用直流電壓8V試驗時，氣源壓力4MPa以上活門打不開。通過分析先導式電磁閥的工作原理，運用氣體動力學的理論，分析計算空氣流過先導閥小孔、流過活門與隔磁導套環形縫隙的流量，采取了加大小孔的直徑、減小活門與隔磁導套之間的環形縫隙、減小動鐵芯與定鐵芯之間的氣隙等措施，仍然使用原有的線圈，即使電壓只有8V、氣源壓力20Mpa時，活門也能順利打開。

2．先導式電磁閥的工作原理

先導式天然氣電磁閥工作原理如圖1所示。20MPa的高壓氣體從進口進入閥體，經過隔磁導套與活門的環形縫隙再經過六角形的動鐵芯進入氣隙腔。電磁線圈不通電時，活門錐面在上部氣壓力與彈簧力的作用下壓緊閥體，閥門關閉P₁=P₀。電磁線圈通電，動鐵芯在電磁力的作用下先向上抬起O.5mm左右，活門上的先導閥小孔打開，高壓氣體經小孔流出到達出口(通大氣)，隨著氣體的不斷流出，氣隙腔的壓力由20MPa迅速下降，直到電磁鐵吸力大于活門上受到的氣壓不平衡力時活門打開，氣體直接由進口經活門錐面主閥孔進入出口流出。

先導閥小孔打開時，隨著高壓氣體不斷從小孔流出，氣隙腔的壓力的不斷下降，進口的氣源氣體與氣隙腔氣體的壓力差迅速加大，20MPa的高壓氣體迅速經活門與導套的間隙向氣隙腔補充。如果先導閥小孔太小，或者活門與導套的間隙過大，經活門與導套的間隙向氣隙腔補充的氣體大于或略小于氣隙腔從小孔流出的氣體，氣隙腔的氣體壓力P₁難以降到使活門抬起的壓力，活門就打不開。活門抬起前受到向下和向上兩個作用力。向下的力其中一個是彈簧力，由于彈簧剛度很小，彈簧力可以忽略不計，其二是氣隙腔氣體的作用力F₁（N）。

如果氣隙腔壓力降到P₁<P_1臨，活門可以在向上的氣壓力的作用下自動抬起。從圖2看出，氣隙小到2mm時電磁鐵吸力只有4.4N，而氣壓力P₁從P_1臨=11.15MPa，上升僅O.1MPa到11.25MPa，活門受到的向下的力增加到8.25N。所以活門的抬起主要靠氣隙腔壓力P₁的下降。活門在向上抬起時還受到活門與導套間的摩擦力的作用，由于氣體壓力高，活門與導套間的氣壓夾緊力大，摩擦力也大，所以活門要抬起，P₁一定要遠小于P_1臨。

活門全部開啟以后，先導閥小孔關閉，氣隙腔壓力P₁又等于氣源壓力P₀，所以即使P₁降到了活門可以自動抬起的壓力，在活門全部打開后，電磁線圈還必須通電，才能使活門保持開啟狀態。

說明：△F為正值表示活門受到的合力向下、△F為負值表示活門受到的合力向上。

3．電磁閥先導閥小孔流量計算

4．活門與隔磁導套環形縫隙的流量計算

5．先導閥孔徑、環隙、氣隙對閥門開啟的影響

從圖3看出，對于同一小孔直徑、同一環形縫隙，相應都存在某一氣隙腔壓力P₁，在這個壓力下，氣隙腔從小孔流出的氣體與從環形縫隙流進氣隙腔的氣體流量相等，這就是流量平衡點的壓力。對于同一小孔直徑，環形縫隙大，平衡點的壓力就高；環形縫隙小，平衡點的壓力就低。對于同一環形縫隙，小孔直徑大，平衡點的壓力就低；小孔直徑小，平衡點的壓力就高，根據表1可以看出，只有平衡點的壓力P₁小于臨，也就是P₁<11.15MPa，活門才能打開，考慮到活門與導套間的摩擦阻力，活門打開時的P₁，還應比11.15MPa小得多。結合表2和表3，從圖3看出，當小孔直徑d=0.5mm，環形縫隙h=0.100mm時，流量平衡點的壓力P₁=10.645MPa<11.15MPa，當小孔直徑d=0.4mm環形縫隙h必須小于O.075mm時流量平衡點的壓力P₁=10.766<11.15MPa，從上分析看出，國外圖紙上小孔直徑0.4mm，環狀縫隙0.15～0.30mm是不合理的。根據電磁鐵的吸力公式

可鐵的吸力F_x與氣隙δ成反比，所以要加大電磁鐵的吸力，應該在確保活門開啟高度的前提下，盡可能減小氣隙δ。根據計算，先導式電磁閥活門的開啟高度H=1.34mm，所以活門氣隙還可以比原來減少1mm以上。電磁閥的先導閥孔徑、環隙和氣隙經調整后，電磁閥在進口氣源壓力20．0Mpa時，用8V直流電順利開啟，尺寸調整情況見表4。

6．結論

在理論的指導下，我們采取了三項改進措施，一是通過增加調整墊片的厚度減小氣隙；二是將先導閥小孔直徑由原O.4mm加大到O.5mm；三是減小活門與導套的環狀縫隙，這些改進措施，效果相當明顯，先導式電磁閥可以在額定20MPa氣源壓力，8V直流電壓下順利打開。所以對于從國外引進的產品，不能照搬照抄，應該在試驗的基礎上，從理論上進行分析研究，不斷加以改進，才能有所創新。

天沃-隔膜閥，與您資料共享！