介紹了電磁閥在虹吸排水管路中建立系統(tǒng)真空或破壞真空的功能作用。分析了電磁閥的動(dòng)作原理、結(jié)構(gòu)性能及其應(yīng)用特點(diǎn)。給出了虹吸排水系統(tǒng)或真空系統(tǒng)電磁閥的選用原則及控制方法。

1、概述

　　虹吸排水系統(tǒng)或真空系統(tǒng)具有工況系統(tǒng)壓差小的特點(diǎn)。在這種低壓差工作環(huán)境下并不是所有種類的電磁閥都能夠可靠密封或可靠動(dòng)作。如果電磁閥選型錯(cuò)誤，將直接導(dǎo)致系統(tǒng)不能完成或不能很好完成其預(yù)定的功能。由于電磁閥種類和結(jié)構(gòu)的不同，所能適應(yīng)的工況條件也不同。因此，應(yīng)根據(jù)工況條件合理選擇電磁閥的種類和結(jié)構(gòu)，以保證閥門具有可靠的密封性和完成規(guī)定的動(dòng)作。

2、工況分析

　　在虹吸排水管路系統(tǒng)中( 圖1) ，電磁閥具有建立系統(tǒng)真空或破壞真空的作用。當(dāng)虹吸排水系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，將容器上電磁閥關(guān)閉，啟動(dòng)真空泵和電磁閥，儲(chǔ)液容器內(nèi)液體在真空作用下沿管路系統(tǒng)流出。當(dāng)液體從主排水管路流出時(shí)，此時(shí)關(guān)閉電磁閥和真空泵，虹吸現(xiàn)象出現(xiàn)，上游容器中的液體照樣流淌不會(huì)終止。當(dāng)虹吸排水系統(tǒng)需要停止運(yùn)行時(shí)，開啟容器上方電磁閥使管路系統(tǒng)與大氣相通，虹吸現(xiàn)象消失，系統(tǒng)自動(dòng)停止運(yùn)行。電磁閥是一種依靠電磁力為動(dòng)力源的自動(dòng)閥門，它利用電磁線圈通電后產(chǎn)生的電磁力，驅(qū)動(dòng)電磁閥屏蔽套內(nèi)的導(dǎo)磁零部件作直線運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)閥門運(yùn)動(dòng)部件實(shí)現(xiàn)其開啟、關(guān)閉或切換的功能。電磁閥具有體積小，質(zhì)量輕，響應(yīng)迅速，動(dòng)作可靠，失效狀態(tài)確定，功耗低，控制簡(jiǎn)便及易維護(hù)等特點(diǎn)。

　　用于建立虹吸排水管路系統(tǒng)真空時(shí)的最大壓力不會(huì)超過(guò)0.1MPa，即啟動(dòng)真空泵時(shí)其吸程的最大壓力會(huì)小于0.1MPa。因此，電磁閥在小壓差下應(yīng)可靠關(guān)閉和密封，否則真空不能建立，虹吸現(xiàn)象不會(huì)出現(xiàn)。當(dāng)需要終止虹吸排水系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，則需要破壞管路真空，此時(shí)電磁閥必須在小于0.1MPa 的工況條件下能夠開啟，將大氣排入管路中，管路系統(tǒng)的真空被破壞，虹吸排水系統(tǒng)停止運(yùn)行。由此可以看到，電磁閥必須是在小壓差狀態(tài)下具有可靠密封和可靠動(dòng)作的功能。

圖1 虹吸排水系統(tǒng)

　　由于電磁閥種類和結(jié)構(gòu)的不同，所能適應(yīng)的工況條件是千差萬(wàn)別的，如果電磁閥選型錯(cuò)誤，將直接導(dǎo)致系統(tǒng)不能完成或不能很好完成其預(yù)定的功能。在虹吸排水系統(tǒng)中，如果電磁閥類型選擇失誤，將直接導(dǎo)致虹吸排水系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)虹吸現(xiàn)象。

3、閥門選用

　　電磁閥按動(dòng)作原理可分為直動(dòng)式電磁閥、先導(dǎo)式電磁閥和反沖式電磁閥三大類，其中直動(dòng)式電磁閥有單座直動(dòng)式電磁閥和雙座直動(dòng)式電磁閥(以下稱雙向電磁閥) 兩種。先導(dǎo)式電磁閥和反沖式電磁閥都有膜片式和活塞式結(jié)構(gòu)。分析三種電磁閥的基本結(jié)構(gòu)形式及其工作原理和應(yīng)用特點(diǎn)，可以確定適合于虹吸排水系統(tǒng)或真空系統(tǒng)的電磁閥。

3.1、直動(dòng)式電磁閥

　　直動(dòng)式電磁閥是指用線圈電磁力直接作用于導(dǎo)磁的動(dòng)鐵芯或閥芯組件上，帶有密封橡膠的動(dòng)鐵芯或閥芯組件受磁場(chǎng)作用壓縮復(fù)位彈簧與屏蔽套上的靜鐵芯閉合，由于密封塊脫離閥座，實(shí)現(xiàn)了電磁閥開啟，管路系統(tǒng)介質(zhì)流動(dòng)。當(dāng)電磁閥斷電，線圈電磁場(chǎng)消失，在復(fù)位彈簧的作用下，動(dòng)鐵芯與靜鐵芯分離，密封膠塊封閉閥座，切斷管路介質(zhì)的流動(dòng)。

　　(1) 直動(dòng)式單座電磁閥

　　從直動(dòng)式單座電磁閥的結(jié)構(gòu)分析，管路內(nèi)的介質(zhì)對(duì)其關(guān)閉或開啟影響是較大的。從圖2 中可以看出，作用在閥座上的力有介質(zhì)密封力、復(fù)位彈簧作用力以及動(dòng)鐵芯自重等，當(dāng)然還有對(duì)開閥有稍微影響的摩擦力。由于摩擦力和自重力在小口徑電磁閥上作用較小，一般都可以忽略不計(jì)。影響單座直動(dòng)式電磁閥開啟和關(guān)閉密封的主要因素是介質(zhì)的壓力和彈簧力。作用在閥座上的介質(zhì)壓力是閥座面積和介質(zhì)壓差的乘積(3) ，即壓力差與閥座面積的積( ΔP ×S) 。當(dāng)管路中工作介質(zhì)壓力很大時(shí)，作用在閥座上的介質(zhì)密封力也是很大的。如DN20 的電磁閥，閥座直徑一般為22mm，工作壓力是1.6MPa，則作用在閥座上的介質(zhì)壓力為F = 2.22 × 16 × π/4 =6.079MPa。從計(jì)算的結(jié)果分析，很難有如此大的電磁鐵能拉起動(dòng)鐵芯打開電磁閥。所以這種單座直動(dòng)式電磁閥過(guò)去一般只用在低壓差或真空的場(chǎng)所，口徑一般在DN25 以內(nèi)，電磁閥的電磁頭部分才能有合適的比例和比較好的經(jīng)濟(jì)性。

1. 靜鐵芯2. 外殼3. 復(fù)位彈簧4. 動(dòng)鐵芯組件5. 線圈組6. 非磁管7. 閥蓋8. 閥體

圖2 直動(dòng)式單座電磁閥

圖3 直動(dòng)式單座電磁閥工作原理

　　直動(dòng)式單座電磁閥在虹吸排水系統(tǒng)中過(guò)去是有應(yīng)用的。由于電磁閥口徑比較小，一般只能用于小型的虹吸排水系統(tǒng)中，否則，即使電磁閥開啟，這樣小口徑的電磁閥也不足以破壞真空，使虹吸排水系統(tǒng)停止運(yùn)行。或是由于電磁閥口徑小，電磁閥開啟很長(zhǎng)時(shí)間，系統(tǒng)才能停止運(yùn)行，影響虹吸排水系統(tǒng)的按時(shí)檢修。

　　直動(dòng)式單座電磁閥在虹吸排水系統(tǒng)中的電磁力有限，電磁閥中的復(fù)位彈簧的剛度一般較小，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓作用在閥座上的力也小，因此當(dāng)受到外力撞擊或有振動(dòng)的條件出現(xiàn)時(shí)，閥門會(huì)出現(xiàn)開閥或閥座處出現(xiàn)泄漏的狀態(tài)，使管路系統(tǒng)的真空度降低，嚴(yán)重時(shí)有可能出現(xiàn)管路系統(tǒng)真空被完全破壞的危險(xiǎn)。

　　另外，電磁閥在系統(tǒng)安裝時(shí)，必須是進(jìn)口端連接在真空泵的吸程上，如果反向安裝，管路系統(tǒng)的真空是無(wú)法建立的，因?yàn)殡姶砰y動(dòng)鐵芯可在大氣壓下被自動(dòng)吸起，閥座出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。

　　(2) 直動(dòng)式雙向電磁閥

　　①工作壓力高，一般工作壓力為1. 6MPa 以上。原單座電磁閥為了保持其經(jīng)濟(jì)性，一般通徑在DN25 以下，只能用于真空管路或壓力在0.1MPa 的低壓管路中，通徑增加或壓力增大這種電磁閥均不能可靠工作。而直動(dòng)式雙向電磁閥的閥體內(nèi)部有特殊的介質(zhì)流道，通過(guò)采用雙閥座和雙密封閥瓣結(jié)構(gòu)，消除了介質(zhì)壓差對(duì)電磁閥啟閉的影響，因此這種電磁閥最高工作壓力可達(dá)4.0MPa 左右。

　　②可以實(shí)現(xiàn)雙通雙向截止功能。直動(dòng)式雙向電磁閥內(nèi)部采用雙座雙密封的特殊結(jié)構(gòu)，不用考慮工作介質(zhì)對(duì)電磁閥開關(guān)的影響，同時(shí)電磁閥本身利用一個(gè)大剛度的彈簧為電磁閥提高必須的密封比壓，只要電磁閥的電磁力可以克服彈簧力和閥內(nèi)部件自重，則電磁閥能可靠工作并能實(shí)現(xiàn)雙通雙向密封截止功能。

　　③閥門端和出口端適合于無(wú)壓差和高真空的工況條件。這種電磁閥特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，閥門端口都能將工作介質(zhì)壓力相互抵消，同時(shí)大剛度的復(fù)位彈簧，又能為雙密封閥瓣提高等同的密封力。這種電磁閥是打制雙向箭頭，閥門端口都可以作為進(jìn)口。雙向電磁閥能滿足高真空的工況條件要求。

　　④電磁閥口徑較大，是單座電磁閥無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。現(xiàn)這種電磁閥已經(jīng)可以達(dá)到DN300 以上。

　　⑤同樣功率的電磁線圈，雙向電磁閥較單座電磁閥效率更高。雙向電磁閥因采用雙閥座結(jié)構(gòu)，因此電磁閥的工作行程可縮短為單座電磁閥行程的一半，由于電磁鐵的拉力與工作行程關(guān)系極大( 直流型電磁鐵尤為明顯) ，因此雙向電磁閥的工作效率較單座電磁閥的工作效率高幾倍。

　　⑥雙向電磁閥的工作原理簡(jiǎn)單。當(dāng)電磁閥線圈通電時(shí)，產(chǎn)生電磁力，吸起動(dòng)鐵芯克服彈簧力帶動(dòng)閥桿組件向上運(yùn)動(dòng)開啟閥門，工作介質(zhì)由一端流向另一端。當(dāng)電磁線圈斷電時(shí)，電磁力消失，動(dòng)鐵芯在彈簧力及自重的作用下推動(dòng)閥桿組件向下運(yùn)動(dòng)關(guān)閉閥門。直動(dòng)式雙向電磁閥( 圖4) 閥體內(nèi)部通過(guò)閥瓣和閥座將閥體分離成左右兩部分，上下閥瓣和上下閥座共同起到密封作用。由于用于隔離和密封的上下閥座尺寸趨于一致，這種特殊的結(jié)構(gòu)形式，保證了介質(zhì)從閥門任一端進(jìn)入，都能在上下閥瓣密封處形成大小相等方向相反的兩個(gè)力( 圖5) 。由于這兩個(gè)力是由介質(zhì)壓力產(chǎn)生，并且大小相等方向相反，基本消除了工作介質(zhì)對(duì)電磁閥開、關(guān)的影響，只要復(fù)位彈簧能給上下閥瓣提供必須的密封比壓，同時(shí)線圈保證能克服彈簧力，電磁閥即能實(shí)現(xiàn)可靠的啟閉功能。

1. 屏蔽套2. 復(fù)位彈簧3. 線圈組4. 動(dòng)鐵芯5. 上閥瓣6. 上閥座7. 閥桿8. 下閥瓣9. 下閥座10. 閥體

圖4 直動(dòng)式雙向電磁閥

　　由于雙向電磁閥的關(guān)閉狀態(tài)是依靠復(fù)位彈簧提供的密封力，不用考慮工作介質(zhì)對(duì)其開關(guān)動(dòng)作的影響，因此，這種電磁閥越是在低壓差和真空狀態(tài)下越能表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)越性，非常適合于工作壓力很低的核動(dòng)力輻射防護(hù)系統(tǒng)和虹吸排水系統(tǒng)等特殊的真空?qǐng)鏊�的設(shè)計(jì)選用。雙向電磁閥采用線性密封結(jié)構(gòu)，依靠強(qiáng)力的彈簧進(jìn)行密封，可有效消除環(huán)境振動(dòng)、沖擊和顆粒狀介質(zhì)等不同工況和不同介質(zhì)對(duì)電磁閥可靠運(yùn)行的影響。因此閥門不會(huì)在工作壓力降低或減小時(shí)出現(xiàn)密封副落座對(duì)中不好導(dǎo)致閥座泄漏的現(xiàn)象，可以適用于低壓差和有一定振動(dòng)的工況系統(tǒng)。

圖5 雙向電磁閥工作原理

3.2、反沖式電磁閥

　　反沖式電磁閥( 圖6，國(guó)外稱強(qiáng)制先導(dǎo)式或強(qiáng)制直動(dòng)式) 是直動(dòng)式電磁閥和先導(dǎo)式電磁閥的結(jié)合體，從原理上具有直動(dòng)式電磁閥和先導(dǎo)式電磁閥的優(yōu)點(diǎn)，既可完成0 壓差啟閉，又可耐受高壓差的沖擊。反沖式電磁閥應(yīng)用范圍廣泛。

　　反沖式電磁閥是由主閥和輔閥組成，電磁閥線圈電磁力先把輔閥拉起，將主閥腔內(nèi)工作介質(zhì)從主閥的先導(dǎo)口中排出，由于主閥的直徑大于閥座的直徑，在壓差的作用下，主閥被工作介質(zhì)所浮起。電磁閥關(guān)閉時(shí)是輔閥先落座關(guān)閉主閥上先導(dǎo)口，在壓差作用下，主閥落座關(guān)閉電磁閥。

　　①電磁閥開啟和關(guān)閉應(yīng)有最小壓差，否則電磁閥不能保證可靠的動(dòng)作。從原理上分析，這種電磁閥是可以在0 壓差下工作，但由于受到主閥與缸套之間的摩擦力、主閥和輔閥的密封情況、彈簧力和電磁力的大小等因素的影響，真正在零壓差時(shí)電磁閥的可靠性會(huì)有一定的影響，一般來(lái)說(shuō)，選用這種閥門是根據(jù)其耐高壓的性能，而不是針對(duì)其弱項(xiàng)耐低壓的性能。因此，在真空系統(tǒng)選用這類電磁閥時(shí)必須引起高度注意。

圖6 反沖式電磁閥

　　②電磁閥即使在0 壓差下能工作，其流量也不能達(dá)到規(guī)定要求。反沖式電磁閥在設(shè)計(jì)時(shí)，將輔閥與閥桿、動(dòng)鐵芯與閥桿連接處增加了一定的空行程，目的是電磁閥開啟瞬間可以提供一定量的沖能，有利于電磁閥的開啟。同時(shí)這種閥的主閥原則上是依靠介質(zhì)的壓差浮起，只有當(dāng)介質(zhì)壓力很小時(shí)線圈的電磁力才能拉動(dòng)主閥，但由于輔閥上有一定的空行程，因此，動(dòng)鐵芯和靜鐵芯閉合后，主閥可以開啟正常開啟高度的1/3 左右，介質(zhì)通過(guò)電磁閥的能力將大大受到影響。

　　③反沖式電磁閥主要應(yīng)用其綜合的性能。在彈簧力的選擇上一般偏弱，電磁閥的密封力主要是依靠介質(zhì)壓力作用在主閥上，壓力越大密封力就越強(qiáng)，因此，反沖閥在低壓差時(shí)，彈簧力提供的必須比壓有限，很容易在介質(zhì)低壓力時(shí)出現(xiàn)閥座泄漏現(xiàn)象。

3.3、先導(dǎo)式電磁閥

　　先導(dǎo)式電磁閥( 圖7) 的電磁力只作用于電磁閥上的先導(dǎo)閥，只能拉動(dòng)先導(dǎo)閥并將其打開，而電磁閥的主閥則完全依靠介質(zhì)壓差實(shí)現(xiàn)其浮起和落座關(guān)閉。

圖7 先導(dǎo)式電磁閥結(jié)構(gòu)

　　先導(dǎo)式電磁閥由兩大部件組成，上部件為先導(dǎo)閥，下部件為主閥。先導(dǎo)閥和主閥之間通過(guò)在閥蓋上的管道相聯(lián)系，并通過(guò)這種聯(lián)系用先導(dǎo)閥的動(dòng)作控制主閥的開關(guān)。

　　先導(dǎo)式電磁閥應(yīng)用廣泛的原因是同樣通徑、同樣工作壓力的工況條件，先導(dǎo)式電磁閥要較其他類電磁閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、外形小、線圈功率小及耗能低等。另外，由于電磁力只開啟先導(dǎo)閥，而不用電磁力拉動(dòng)主閥，因此先導(dǎo)式電磁閥可適用于大通徑閥門，現(xiàn)在先導(dǎo)式電磁閥的公稱通徑已經(jīng)達(dá)到500mm 以上，因此先導(dǎo)式電磁閥在自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用很廣泛。但先導(dǎo)式電磁閥的主閥完全是依靠介質(zhì)的壓差開啟或關(guān)閉，因此，如果管路系統(tǒng)中沒(méi)有最小的介質(zhì)壓力，這種電磁閥不能實(shí)現(xiàn)其功能。一般情況下，最小壓差不能小于0. 03MPa。

4、結(jié)語(yǔ)

　　電磁閥的種類較多，其應(yīng)用范圍較廣，各類電磁閥又具有鮮明的特點(diǎn)。因此，在選用電磁閥時(shí)一定要了解各類電磁閥的特性，掌握其基本的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。由于電磁閥的種類不同，如果電磁閥選型錯(cuò)誤，將直接導(dǎo)致系統(tǒng)不能完成或不能很好完成其預(yù)定的功能。反沖式電磁閥適用于高壓差、耐高溫的工況條件，不適合用于低壓差特別是真空的場(chǎng)所，否則，將會(huì)給設(shè)計(jì)的真空系統(tǒng)帶來(lái)極不穩(wěn)定的因素，影響系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。先導(dǎo)式電磁閥不能設(shè)計(jì)和用于真空系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

　　〔1〕陸培文. 實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)〔M〕. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，2007.