1.许用压力
市场常见的电磁阀的许用压力主要有两档:21MPa(或3000psi=20.7MPa)及35MPa(或5000psi=34.5MPa)。但也有24MPa(=3500psi),25MPa(=3600 psi)及28.5MPa(=4000psi)等。ST和SUN公司的以35MPa为主,HF和ih公司的产品以21MPa居多。近年来,HF公司也推出了一系列35MPa的产品。
许用压力不同的阀,其部件使用的材料及特性不同,加工精度及工艺不同,价格自然也会不同,所以,不能盲目追求高许用压力。
各通口的许用压力,除个别T口较低外,一般都相同。但是,是否在此压力下都能可靠地工作和切换,还要看工作范围曲线。
2.工作范围曲线
工作范围(operation limit,shift limit characteristics,switching envelope,见图9-5)用以表述,电磁阀在该范围内可以可靠地保持在某一工作位置,并可靠地切换到另一工作位置。如果实际工作参数超过此范围,切换速度可能减慢,甚至根本无法切换,或者无法保持在正常工作位置。
图9-6为两个电磁阀的实际工作范围曲线。
图9-5 工作范围曲线示意图
A—工作范围 B—切换阈
电磁阀产品样本上给出的工作范围曲线一般都是在理想的实验室条件下做出的:清洁的矿物油,油温40℃,粘度32mm2/s,输入电压为额定电压的90%。若实际工作条件波动较大时,应选得保守些。
有些产品没有给出工作范围曲线,而是简单地给出一个最大允许流量(一般高于名义流量)和许用压力。
3.影响工作范围的因素
图9-6 电磁阀实际工作范围曲线举例
a)SUN公司的DTDA型电磁阀(输入电压为额定电压的80%,在最高工作温度) b)PK公司的GS0427型电磁阀(输入电压为额定电压的75%液压油粘度32mm2/s,油温37℃)
影响电磁阀工作范围的因素在直动式、先导差动式、滑阀和座阀各有不同。
(1)直动式滑阀 影响直动式滑阀工作范围的因素主要是:线圈的电磁力、弹簧力、压力介质对阀芯的静压力、液动力和摩擦力。
使阀芯切换到或保持在得电位置的是电磁力。螺纹插装电磁阀的电磁线圈功率一般在14~30W之间,电磁力十分有限,约70~120N。
使阀芯保持在或回到失电位置的是复位弹簧力。弹簧力必须足以克服液动力的最大值。
侧面通口液体对滑阀阀芯的静压力相互平衡。端面通口液体对滑阀阀芯的静压力,或者通过阀芯中的连通孔相互平衡,或者只能接T口。
阻碍阀芯从一个工作位置切换到另一个工作位置,或使阀芯偏离所在的工作位置的,是弹簧力、各腔静压力的合力,以及与流量和流速大致成正比的液动力。
液动力在小开口时,也即某个过渡状态时,达到最大值(参见1.5.5节)。
现代加工技术制造出来的阀芯和阀孔,有正常的配合尺寸与形状位置偏差,并浸在清洁的液压油中时,摩擦力相对电磁力和弹簧力一般很小,可以忽略。
(2)先导差动式阀 先导差动式阀的先导阀通常都很小,通流流量很小,液动力也很小。一般都是锥阀,静压力不平衡。电磁力只要克服弹簧力和静压力,就可移开先导阀芯。
影响主阀工作范围的因素主要是:弹簧力、液体对阀芯的静压力、液动力。
主阀芯两端静压力之差克服弹簧力和液动力,推动主阀芯,开启通道。由于静压力之差与作用面积之积可以比电磁力大得多,因此,先导差动式阀的工作流量可以比直动式大得多。
4.实例
以下以一直动式滑阀的数据为例,解释一下电磁力、弹簧力和稳态液动力在实际工作中是如何影响阀的切换能力的(见图9-7)。
阀芯直径为12mm。静压力相互平衡。
静止位时,开口P-A的遮盖量S1为1.8mm,开口B-T的遮盖量S2为1.5mm。
电磁铁得电,克服弹簧力,提升阀芯,往上移动,行程S为2.8mm。
图9-7 一个二位四通电磁阀的切换过程
a)静止位 b)在行程终点
图9-8表述了在该阀切换过程中各力的变化情况。
电磁力曲线来自一电磁铁的产品样本。
弹簧预紧力约为32N,在行程终点时约为58N见图9-8曲线c。(www.xing528.com)
假定压力介质为矿物油,密度ρ为860kg/m3。
假定进口P的最高压力为30MPa,最高流量qV为60L/min。
在一个极端情况下,即无负载,液压油从A口流出后立即无损失地进入B口。
则根据理论估算(参见附录B估算公式),在阀芯行程约为1.98mm,P—A开口为0.18mm,B—T开口为0.48mm时,P—A压降约为26MPa,B—T压降约为4MPa,P—T总压降为30MPa。这时,通过这两个开口的液流所造成的液动力达到最大值。
按动量变化公式估算,此时的液动力,在阀口P—A处约为46N,在阀口B—T处约为17N。方向向下,趋于使阀口关闭。
在切换过程中,电磁力至少要克服弹簧力和液动力。从图9-8可以看出,在这些参数组合的情况下,在液动力达到最大时,液动力加弹簧力约为103N,曲线b已是力不从心了。而弹簧力也不能再小了,否则断电时就不能克服液动力自行复位了。
从以上分析可以看出:
1)此阀的工作范围在30MPa时可能达不到60L/min。
2)提高电磁力、降低液动力的最大值是扩大该阀工作范围的关键。
3)在行程终点,开口较大,液动力明显降低,这时电磁力却达到了最大,已有多余。为节省能量,此时可以一定程度地减少电流。
5.扩大工作范围的措施
ST公司采用高功率线圈,来使相同的阀得到较大的工作流量(见9.5节)。
图9-8 电磁阀切换过程中各力的变化情况
a—电磁铁在20℃额定电压时的电磁力 b—85%额定电压时的电磁力 c—弹簧力 d—阀口P—A的液动力 e—阀口 B—T的液动力 S1—开口P—A遮盖量 S2—开口B—T遮盖量 S—总行程
SUN公司称,通过改进衔铁套筒组件的行程力曲线(见图9-9),使之在切换开始时已有较大的电磁力,以克服液动力,从而获得了较大的工作范围(见图9-10a、b)。
图9-9 改进电磁铁与普通产品行程力曲线对比
图9-10 电磁阀工作范围曲线对比
a)普通产品 b)改进产品
6.工作范围的测定
电磁阀工作范围的测定可参见ISO6403:1988或参考其制定的GB/T 8106—1987。
(1)测试回路 测试回路可以参考图9-11搭建。图中:
1—液压源。其输出流量应可调。可以用变量泵。为了减少流量波动,必要时可加蓄能器。
2—溢流阀。2a作为安全阀,其设定值应该为被测阀的许用压力。2b、2c模拟负载,设定值应低于被测阀的许用压力。
3—流量传感器。
4—被测阀。
5—单向阀。
6—温度传感器。
图9-11 电磁阀工作范围测试回路(ISO6403:1988)
7—压力传感器。7a测进口压力,7b、7c分别测通口A和B的压力。
(2)测试过程 电磁线圈要预通电至平衡温度。输入电压:90%额定电压。
换向阀阀芯能在位移的两个方向上至少6次全行程移动,才能算正常换向。如果不能正常换向,就要减小压力或流量。
在坐标纸上,以流量为橫轴,压力为纵轴,把可以正常工作的点标出来。最后,把边界点连接起来就得到了该阀的工作范围。
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