刘静敏 董锬 刘德胜

摘 要：某发动机使用的高温电磁气动阀最高工作温度为650 ℃，环境温度为250 ℃，这两个温度对产品的结构布局、材料的选取及电磁铁的设计和制造带来了很大的难度。本文通过流体仿真、温度场仿真，为阀体部分设计了合适的结构，保证阀体在650 ℃下能可靠工作。

关键词：高温电磁气动阀;仿真;隔热

中图分类号：TQ336.42文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）16-0039-03

Abstract： The highest working temperature of the high-temperature solenoid pneumatic valve used by an engine is 650 ℃， and the ambient temperature is 250 ℃. These two temperatures bring great difficulties to the structure layout， material selection and the design and manufacture of the electromagnet. Through fluid simulation and temperature field simulation， this paper designed a suitable structure for the valve body to ensure that the valve body can work reliably at 650 ℃.

Keywords： high temperature electromagnetic pneumatic valve;simulation;heat insulation

电磁气动阀常用于飞机环控引气系统，在系统中起换向和开关介质通道的作用[1-3]。在高温、高压系统中，普通电磁气动阀已经无法满足环控引气系统的要求。为了有效提高电磁气动阀的耐高温性，本文依据ANSYS流体仿真和温度场仿真，从执行机构和隔热设计来探讨高温电磁气动阀的设计方法。

1 高温电磁气动阀概述

1.1 功能

高温电磁气动阀为某新型发动机空气系统配套的产品。通过阀芯的调节实现阀门的开启及关闭。

1.2 结构及工作原理

高温电磁气动阀主要由电磁铁、支架、两位三通阀、组合密封环、活塞、弹簧、密封垫、进气法兰、壳体、电连接器等组成，如图1所示。

当进气口无压力时，活塞在弹簧的作用下保持在关闭位置。当电磁铁不通电，进气口加压时，活塞在空氣压力的作用下克服弹簧力向左运动到全开位置，打开供气通道向下游供气;当电磁铁断电时，高温引气进入A腔，活塞在弹簧作用下向右运动到关闭位置，切断下游供气。

2 高温气动电磁阀的设计

2.1 流阻仿真

流阻仿真输入参数见表1。

通过仿真，初始设计的流道流阻达到31.8 kPa，满足初始设计要求。综合各因素，改进方案如下：活塞行程增加2 mm;填充入口法兰段小台阶，避免该处涡流的形成;对进气口进行扩口，增大流通截面。流道优化后的高温电磁气动阀截面压力云图见图2。通过优化流道，产品的流阻为18.22 kPa，减小了约40%，满足技术要求。

2.2 温度场仿真

在考虑热传导、热对流的情况下对该高温电磁气动阀进行热固耦合仿真，产品入口腔流通壁面设置为介质温度923 K，高压引气管嘴内壁面设置为介质温度923 K，活塞、A腔内壁、电磁铁等其余部位按自然传导形成温度，仿真时电磁铁不通电，产品外部环境温度为523 K，与空气自然对流散热，对流换热系数设置为17 W/（m2·K），不同材料的属性见表2。

截面温度场仿真温度分布如图3所示。从仿真结果可以得出，隔热垫下部活门壳体明显高于电磁铁区域温度。

2.3 活塞运动计算和热变形分析

2.3.1 活门关闭时摩擦力计算。进口最大压力为0.272 MPa，温度为650 ℃，阀门流量为0.04 kg/s。摩擦力计算公式为[4-5]：

式中：[F2]为作用在活塞上的摩擦力，N;[P2]为作用在第一层活塞环上（进气口端）的引气压力，如活塞一侧有压力，按等级均分的原理应该取值为0.180 MPa，活塞开始关闭时活塞两侧同时供气，故取最大值，为0.272 MPa;[P3]为作用在第二层活塞环上（活塞端）的引气压力，如活塞一侧有压力，按等级均分的原理应该取值为0.090 MPa，活塞开始关闭时活塞两侧同时供气，故取最大值，为0.272 MPa;[A2]为单个密封槽中密封环的内圆柱面积，约为226.2 mm2;[F弹]为单个弹簧片的弹力，约为2 N;[μ]为密封环高温下的摩擦系数，厂内同类产品在500 ℃时的摩擦系数为0.06～0.08，本产品的工作温度为650 ℃，故增加一定裕度，按0.09～0.11。

经过计算，最大压力下作用在活塞环上的摩擦力约为14 N。

2.3.2 动压对活塞作用力的计算。气体密度公式为：

式中：[ρ]为压缩气体密度，kg/m3;[Pr1]为涵道引气压力设计点，为0.272×106 Pa（绝压）;[R]为热力学常数，取287.1 J/kg·K;[Tr1]为涵道引气温度，取744 K。将相关数据代入式（2），可得出压缩气体密度[ρ]为1.273 kg/m3。

活塞受力面积的公式为：

式中：A3为活塞受力面积，mm2;[D]为活塞直径，mm，为22 mm。将相关数据代入式（3），可得A3为380 mm2。

计算流速：

式中：[v]为气体流速，m/s;[G]为气体流量，取0.04 kg/s。将相关数据代入式（4），得出[v]为82.7 m/s。

动压对活塞作用力：

式中：[F3]为动压对活塞的作用力。将其他数据代入式（5），可得出[F3]为5.5 N。

2.4 弹簧设计

弹簧预压力在30～32 N。弹簧设计参考《机械设计手册》（单行本）第七篇[4]，故不在列出。

2.5 电磁铁的隔热降额设计技术

该产品设计为断电打开，通电关闭，可以避免电应力和热传导同时对电磁铁造成温升。电磁铁不通电，产品打开，只有热传导造成电磁铁温升;通电关闭，产品成为盲腔，只有电应力造成电磁铁温升。螺钉连接处通过耐高温隔热垫将电磁铁与壳体分离，其余部位為空气隙，可以有效减少热传导。通过以上措施，能尽可能地减少高温空气对电磁铁的温升影响。

2.6 高温电磁铁结构设计技术

衔铁、壳体等磁性材料选择耐温高的软磁合金1J22，其居里温度高。线圈架、壳体等与线圈接触的部位喷涂陶瓷，保证壳体、线圈架的绝缘性能。线圈选用喷涂陶瓷的银导线，其耐温达到500 ℃，抗高温氧化性好。

3 试验验证

2019年8月至2020年4月，生产了3套产品进行实物试验验证。3套试验件流阻均符合仿真预计要求，不大于19.5 kPa;在室温下，入口压力为表压为35 kPa，产品能够正常打开、关闭;温度为650 ℃，压力为表压为272 kPa，产品通电关闭，断电打开。打开时间、关闭时间均为1 s;电流均不大于1.8 A。

4 结论

本文提出了一种高温电磁气动阀的设计方法，对同类产品的设计具有一定的参考价值。在设计高温电磁气动阀时，需要进行以下工作：进行流体仿真，便于优化介质流道;进行温度场仿真，便于产品材料选取及电磁铁结构设计;进行气动性能计算，保证产品能正常开关;进行结构优化设计，提高产品的可靠性。

参考文献：

[1]刘洪武.基于流体仿真软件对电磁铁的温升分析[J].低压电器，2013（5）：8-11.

[2]杨世忠，邢丽娟.调节阀流量特性分析及应用选择[J].阀门，2006（5）：33-36.

[3]杨纪伟.调节阀流量调节理论研究[J].流体机械，2003（2）：24-26.

[4]成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2002：7-13.

[5]张冠生，陆俭国.电磁铁与自动电磁元件[M].北京：机械工业出版社，1982：23-45.