CKD电磁阀的功耗及允许传输距离

CKD电磁阀在工业生产中应用十分广泛,在石油化学工业中尤为普遍。它既可用于水、空气和中性气体以及其他与电磁阀材质相适宜的气体、液体的开关控制(二通) ,又可作为安全联锁保护系统中不可缺少的一部分(三通、四通、五通) 。

CKD电磁阀由电磁部件、阀体组成。电磁部件由固定铁芯、动铁芯、线圈等部件组成;阀体部分由滑阀芯、滑阀套、弹簧底座等组成。当线圈通电或断电时,磁芯的运转将导致流体通过阀体或被切断,以达到开关或改变流体方向的目的。在安全联锁保护系统中应用的电磁阀主要有二位三通、二位四通和二位五通,二位的含义为:对于电磁阀来说是带电或失电,对于所控制的阀来说就是打开或关闭。二位三通电磁阀由阀体、阀罩、电磁组件、弹簧及密封结构等部件组成,动铁芯底部的密封块借助弹簧的压力将阀体进气口关闭。得电时,线圈励磁,电磁铁吸合,动铁芯上部带弹簧的密封块把排气口关闭,气流从进气口进入阀门,起到控制作用;失电时,电磁力消失,动铁芯在弹簧力作用下离开固定铁芯向下移动,将排气口打开,堵住进气口,阀门因失气而改变开关状态。

CKD电磁阀的原理相同,只是四通有1 个排气口,五通有2 个排气口。它们的工作原理:当有电流通过线圈时,产生励磁作用,固定铁芯吸合动铁芯,动铁芯带动滑阀芯并压缩弹簧,改变了滑阀芯的位置,从而改变了流体的方向;当线圈失电时,依靠弹簧的弹力推动滑阀芯,顶回动铁芯,使流体按原来的方向流动。

在实际的设计应用中,电磁阀有两种供电形式:220 VAC 或24 VDC。如果选用220 VAC供电形式,因为供电电压高,传输电缆造成的电压降不会影响到电磁阀能否正常工作,不必考虑电缆电阻损失的电压,所以可以远距离传输。如果电磁阀的供电电压为24VDC ,就必须根据电磁阀的工作电压来进行电缆的允许长度计算。如果24 V DC 供电电磁阀的工作电压为20V ,那么线路上的允许压降为4V。假设所选电磁阀的额定功率为12W,采用二芯2.5mm2的聚氯乙烯绝缘护套控制电缆,从电缆样本可以查到电缆的直流电阻为7. 41 Ω/ km ,由此可以计算出电缆的允许长度如下。

a) CKD电磁阀的工作电流

CKD电磁阀的工作电流计算公式 

式中　I ———电磁阀工作电流,A ;

            P ———电磁阀额定功率,W;

            V ———电磁阀工作电压,V 。

b) 允许电缆长度的计算

CKD电磁阀允许电缆长度的计算 

式中　R ———电缆电阻,Ω;

           L1 ———电缆单芯距离,km ;

           L2 ———电缆双芯距离,m。

综上所述,对于大功率且供电电压为24 V DC的CKD电磁阀,为了保证电磁阀在不低于正常工作电压(假设为20 VDC) 的条件下动作,可以通过选用较粗线径电缆(2.5mm2 ) 来降低线路上的压降,这样信号允许的传输距离可以到达500 m 左右。

CKD电磁阀设计要解决的主要问题是密封问题,必须通过对电磁力、弹簧力和气体压力的计算确保电磁阀断电时气路被隔断,在通电时电磁力能够克服弹簧力和气体压力迅速打开气路。同时合理设计密封结构,选用合适的材料保证电磁阀在高温(+50℃)和低温(-20℃)环境中正常工作。

1、CKD电磁阀结构设计

        要实现CKD电磁阀密封要求,首先要保证主要密封件的结构设计合理,加工容易保证。参考进口减压阀的工作原理,进行了如下改进设计。

1.1、阀杆的设计

         进口电磁阀的密封形式是利用阀杆两端锥面,通过阀杆的移动分别密封入口端和放气口端。这种密封形式要求阀杆的加工很高,特别是阀杆两端锥面的同轴度要求在0.01mm以内。这两锥面用一般数控机床加工必须经过在两次定位分别加工,锥面同轴度要求很难保证,因此进口电磁阀在使用过程中性能很不稳定,使用寿命较短,而国内传统电磁阀只能应用于低压工作范围,图2为阀杆工作原理图。

CKD电磁阀的阀杆工作原理图

CKD电磁阀阀杆工作原理图

         在CKD电磁阀的设计当中,通过改变阀杆结构形式,将原来阀杆两端锥面密封形式改为一侧端面密封,另一侧保持锥面密封。这样锥面的同轴度和端面的垂直度和跳动度用普通数控机床可以在定位中加工出来,阀杆的设计就比较容易保证,同时降低了加工成本。图3为阀杆改型设计简图。

CKD电磁阀的阀杆改型设计图

阀杆简图

1.2、密封力的设计

         在电磁阀设计中,引进气动密封力概念,即通过改变进气口两端面的横截面积S1、S2 ,使截面S1 > S2 ,在通入高压气体P0 时,作用在两截面的气体压力分别是:

 这样,当电磁阀闭合时,由于两截面均密封,在截面两端形成压力差F′1 - F′2 ,产生气动密封 。此时电磁阀闭合时的密封力由气体密封力和弹簧力共同提供,既保证了电磁阀闭合时所需要的密封力,同时可以降低了弹簧的设计强度,延长弹簧的使用寿命。

3.2、电磁阀理论计算

3.2.1、电磁力计算

 CKD电磁阀设计形式为Ⅲ型电磁铁,具体外形见图4。

CKD电磁阀的电磁铁简化图 

 在该磁系统的磁路中,由于工作气隙较小,故虽然存在漏磁通,但相对于主磁通来说可以忽略,故由《平衡力电磁铁设计计算及实验研究》中电磁铁对衔铁的吸力F为:

         以上计算结果从理论上证明了该电磁阀设计的合理性,同时这种高压大流量电磁阀已应用在某型号地面测试仪中,实践证明使用可靠,性能稳定。它的研制成功解决了以往产品依赖进口的现象,并为同类产品的研制提供了可借鉴的方法。