Электромагнитный запорный клапан используется в различных пневмогидросистемах, имеющих запорные клапаны в управляемых электромагнитами магистралях.
Электромагнитный клапан нормально закрытого типа прямого действия содержит две функциональные части: непосредственно сам клапан и тяговый электромагнит. В корпусе выполнено седло, перекрываемое запорным органом. Закрытое положение магистрали создаётся автоматически запорным органом, а открытое положение создаётся тяговым электромагнитом при подаче тока в его обмотку. Тяговое усилие передаётся на запорный орган через якорь тягового электромагнита.
Известен электромагнитный привод клапана «Описание изобретения к авторскому свидетельству № 420843, Кл. F 16k 31/02, 1974", в корпусе у которого расположены магнитопровод с намагничивающей обмоткой и подвижный якорь соединённый с запорным органом.
Рис. 1. Клапан: 1-корпус с седлом, 2-якорь запорного органа, 3-два фланца, 4-стопа, 5-электромагнит, 6-постоянный магнит, 7-кожух, 8-немагнитная вставка, 9-пружина
Недостатками данного устройства являются большие потери тягового усилия на якоре за счёт снижения магнитного потенциала в зазоре между магнитопроводом и якорем, в добавок, потребляемая мощность, необходимая для начала движения якоря в 10–20 раз больше мощности, необходимой в конце его движения.
В качестве прототипа для модели принято «Описание изобретения к авторскому свидетельству № 665170, Кл. F 16k 31/02, 1979", в магнитопроводе у которого соосно установлены намагничивающая обмотка и подвижный якорь в котором кольцевой зазор между якорем и магнитопроводом выполнен в замкнутой полости, снабжённой уплотнениями и заполненной феромагнитной жидкостью, что, без учёта повышения силы трения между якорем и магнитопроводом, в определённой мере улучшает тяговую характеристику электромагнитного привода. Данное техническое решение с имеющимися признаками наиболее подходит к данной модели.
Недостатками данных электромагнитных клапанов является, неблагоприятные тяговые характеристики, так как в начале движения якоря необходимо наибольшее усилие, а электромагнит воспроизводит меньшее усилие. Необходимо снижение усилия в завершении хода якоря из — за прекращения влияния на запорный орган разности давлений рабочей среды, а данное усилие многократно возрастает, что вызывает нежелательную удалённую нагрузку на якорь. Этот недостаток приводит к завышению массы конструкции тяговых элементов и мощности.
Задачей данной модели является снижение потребления мощности и массы электромагнита в электромагнитных запорных клапанах и снижение ударных нагрузок на якорь.
Решение задачи: электромагнитный запорный клапан, в котором находится корпус с впускным и выпускными каналами, на последнем из которых выполнено седло, перекрываемое подпружиненным запорным органом, имеющим шток, и электромагнит, установленный внутри корпуса, включающий магнитопровод с намагничивающей обмоткой и якорь, соединённый со штоком. Согласно модели магнитопровод установлен с возможностью перемещения соосно якорю, а между магнитопроводом и корпусом установлена пружина сжатия соосно штоку запорного органа, выполненная с рабочей деформацией не менее величины установленного рабочего перемещения магнитопровода, при этом величина перемещения магнитопровода определена из условий преодоления давления рабочей среды и отрыва запорного органа при минимальном зазоре между якорем и полюсом магнитопровода и необходимом тяговым усилием электромагнита.
Рис. 2. Модель: 1-магнитопровод, 2-намагничивающая обмотка, 3-якорь, 4-шток, 5-запорный орган, 6-возвратная пружина, 7-корпус, 8-пружина сжатия, 9-ограничитель, 10-полюс, 11-седло
На рис. 2 показан общий вид электромагнитного запорного клапана, в котором магнитопровод с намагничивающей обмоткой установлен в корпусе клапана с возможностью осевого перемещения относительно запорного органа.
Электромагнитный запорный клапан работает следующим образом. При отсутствии питания намагничивающей обмотки запорный орган перекрывает седло корпуса за счёт силы F2 механической нагрузки, создаваемой возвратной пружиной, давлением рабочей среды на верхнюю плоскость запорного органа и весом перемещаемых частей: якоря, штока и запорного органа. Магнитопровод удерживается в крайнем верхнем положении пружиной сжатия.
При подачи питания на обмотку, под действием магнитного поля, магнитопривод с обмоткой перемещается встречно якорю, создавая деформацию пружины, которая увеличивает силу механической нагрузки до величины F3. При этом, величина рабочего воздушного зазора S2 уменьшается и при величине S1 зазора тягового усилия электромагнита становится равным F3, которое становится достаточным для превышения силы механической нагрузки, что сопровождается отрывом запорного органа от седла. Далее, с ростом тягового усилия электромагнита запорный орган отходит от седла с выравниваем давления рабочей среды на нижней и верхней плоскости запорного органа и уменьшением силы механической нагрузки до величины F1. Пружина освобождается и перемещает части электромагнита и шток с запорным органом в крайнее верхнее положение, обеспечив полное открывание выпускного канала запорного клапана. При отключении питания электромагнита под действием возвратной пружины запорный орган и якорь возвращаются в исходное закрытое положение.
Применение пружины сжатия совместно с возможностью осевого перемещения магнитопровода или якоря относительно запорного органа, создаёт существенное снижение потребляемой мощности и массы электромагнита. Это обусловлено нарастанием тягового усилия электромагнита по закону квадратичной гиперболы в зависимости от воздушного зазора S и соответствующим выбором размера рабочего воздушного зазора, необходимого для срабатывания электромагнита.
Например, если срабатывание электромагнита и необходимое тяговое усилие выбраны для величины перемещения S1 магнитопровода составляющем 85 % полного хода якоря S2 то потребляемая мощность уменьшается в 40, а масса электромагнита в 6 раз.
Данный электромагнитный запорный клапан вполне может быть применён в производстве, так как при изготовлении применяются известные материалы и технологии.
Рис. 3. S — воздушный зазор между полюсом и торцом якоря; S1 — рабочий воздушный зазор, при котором срабатывает электромагнит модели; S2 — Максимальный воздушный зазор, равный перемещению запорного органа; F1 — усилие пружины при начальной деформации; F2 — сила механической нагрузки создаваемая давлением рабочей среды и подпружиненным запорным органом; F3 — сила механической нагрузки с учётом сопротивления пружины сжатия при перемещении магнитопровода модели; точки «а» и «с» соответствуют началу движения магнитопровода в модели и срабатыванию её электромагнита; точка «b» — соответствует концу движения якоря в модели; точка «m» — соответствует завершению обратного перемещения магнитопровода пружиной сжатия; точка «d» — соответствует срабатыванию электромагнита в прототипе при его наименьшем тяговом усилии
Литература:
- Описание изобретения к авторскому свидетельству № 420843, Кл. F 16k 31/02 Электромагнитный клапан / авторы: Е. В. Бондарь, В. Н. Крылов. 25.03.74.
- Описание изобретения к авторскому свидетельству № 665170, Кл. F 16k 31/02 Электромагнитный привод клапана / авторы: А. В. Конаныхин, А. П. Графов. 18.06.79.
- Электромагниты постоянного тока. А. В. Гордон, А. Г. Сливинская.: Госэнергоиздат, 1960. — 445с.
