打开文本图片集

摘要：本文以DN80型燃气电磁阀为例，探讨燃气电磁阀可靠性和结构优化设计方案。通过燃气电磁阀的4种类型，阐述每种电磁阀运行原理。随后构建DN80型燃气电磁阀有限元模型，观察模型分析DN80型燃气电磁阀薄弱之处，并由此加强结构的可靠性。最后，提出DN80型燃气电磁阀结构优化设计的建议，改善燃气电磁阀结构形式，保证运行安全性与稳定性，以期能够为今后燃气使用安全积累经验。

关键词：DN80；燃气电磁阀；可靠性；结构优化

燃气电磁阀在燃气系统中是非常关键的零部件之一，在正式应用之前需要评价其综合性能，设计、制造前期分析燃气电磁阀的薄弱之处，加强其可靠性，探索最为合适的设计变量数值，保证燃气电磁阀在使用中的安全性。根据现有分析发现，机械优化设计理论基础上的燃气电磁阀文献资料比较少，而且在结构设计中很多情况下会凭借经验计算进行，导致燃气电磁阀可靠性和结构稳定性的提升空间比较大。为此，本文以DN80型燃气电磁阀为例，构建电磁阀有限元模型展开可靠性分析和评估，优化设计电磁阀结构，探索燃气电磁阀模型的最佳参数。

一、燃气电磁阀原理

DN80型燃气电磁阀由燃烧控制器、程序控制器、燃烧管理器、火焰探测器、火焰检测装置等元件组成。电磁阀的作用是对流体方向进行控制，属于自动化基础元件，其本质为执行器。一般在机械控制、工业阀门中比较常见，可以控制介质方向和阀门开关。燃气电磁阀是城市的煤气、液化石油气以及天然气中运用，这一类执行机构是将煤气作为加热燃烧介质，管路做二位式通断切换，可以实现温度的自动化控制[1]。纵观纺织业、印刷业等行业的煤气热定型，以及玻璃、灯泡业为主的窑炉加热处理，或者其他行业采用的煤气加热自控系统，均可体现出燃气电磁阀的价值。

燃气电磁阀在燃气管道中属于安全紧急切断装置，和燃气泄漏报警系统紧密连接，也连接了消防系统、其他智能报警控制终端模块，可以在现场自动切断气源，或者是以远程自动/手动的方式紧急切断气源，保证用气的安全性。如果发现了强烈震动，阀门将会自动关闭，在此条件下若想开阀必须关注人员人工干预，即手动开启，方可保证操作的安全性、规范性，也与事故处理需求相符[2]。

现有燃气电磁阀如果从原理进行分类，主要有直动式燃气电磁阀、先导式燃气电磁阀、城市燃气电磁阀、散布直动燃气电磁阀、先导式燃气电磁阀4种类型。第一，直动式燃气电磁阀。此类电磁阀的电磁线圈发生电磁力，阀座上提起封闭件，通电之后开启阀门，断电时即消散电磁力，弹簧将封闭件压于阀座，同时阀门封闭。通径小于25mm，在真空、负压以及零压条件下均能够正常运行[3]。第二，先导式燃气电磁阀。当先导式燃气电磁阀连接电源，上腔室压力快速降低，封闭件可形成压差，此时流体压力促使封闭件向上方发生移动，将阀门开启。断电之后，弹簧力封闭先导孔，而进口压力则利用旁通孔敏捷腔室，使得关阀件形成压差，在流体压力的推动作用下促使封闭件向下方发生移动，随即将阀门封闭。第三，城市燃气电磁阀。当城市燃气电磁阀处于常规通气电磁头通电条件时，电磁头将锁住阀杆，此时阀门位置开启[4]。一旦燃气管道、燃气设备存在泄露现象，燃气、空气之间的混合浓度已经满足爆炸极限下限25%，探测器自动向控制器传输信号，而且控制器会自动进行声光预警，同时自动开启排风扇，将电流220V电磁头控制电压切断，驱动电磁铁，将安全阀阀杆释放，受到弹簧、自重作用影响，切断会快速落下，待阀口关闭之后将气源切断。已经断电之后，自锁不能以人工的方式开启切断阀。第四，散布直动式燃气电磁阀。当散布直动式燃气电磁阀开始通电，电磁力会将先导小阀、主阀封闭件向上方提起，开启阀门。进口、出口满足启动压差条件，且在通电之后电磁力先导小阀，同时提升主阀下腔压力，降低上腔压力，通过压差将主阀向上方推开。断电之后先导阀通过弹簧力、介质压力，促使封闭件向下方移动，封闭阀门[5]。

二、构建DN80型燃气电磁阀有限元模型

针对DN80型燃气电磁阀可靠性的分析，在机械零部件设计环节是非常重要的环节之一。通过可靠性分析，提高机械零部件状态评估的准确性，燃气电磁阀设计阶段开展可靠性评价，如果可靠度不高，便可在生产制作物理样机前，使用计算机软件优化设计电磁阀结构，通过逐渐调整模型结构，还有助于节约研发阶段的成本，缩短设计时间。比较常见的应力分布h（s）、强度分布f（S）组成应力－强度干涉关系，按照公式①计算得出强度大于应力概率可靠度，应力、强度必须服从正态分布规律，根据可靠度计算公式，可以进行转化，转化公式为②。

尽管Ansys workbench软件中有三维建模模块，但实际上操作过程比较繁琐，而且在该软件中绘制曲线、曲面建模等相关功能的效率不高。因此，此次针对DN80型燃气电磁阀的可靠性分析，主要采用 UG建模，利用格式导入到Ansys workbench软件，如此便可体现出所有软件优势，提升建模分析的效率。利用Ansys workbench软件中的geometry几何模块、static structural静力分析模块，便可导入DN80型燃气电磁阀可靠性模型，并对模型展开有限元分析，实施分析了解燃气电磁阀有限元分析最终结论。

建模之后需要划分燃气电磁阀有限元网格，这是开展有限元分析的前提条件，构建有限元网格模型，提高网格单元质量，无需使用大量的计算机资源，使有限元分析效率得到提升。基于所有可能对有限元分析带来影响的因素，按照网格大小5mm这一标准选择自适应网格，便可构建燃气电磁阀有限元网格模型，由大量单元与节点组成。实施有限分析过程中，约束、加载是有限元分析结果的重要影响因素，电磁阀固定主要使用螺栓组，所以也会在此位置设置固定约束[6]。电磁阀内表面加载压力为 0.6MPa时可进行求解，得出等效应力，并绘制变形云图。工作人员观察变形云图，可以得到等效应力最大值，其位置在燃气电磁阀内腔，最大变形量则在燃气电磁阀外阀体。随后利用公式①和②得出燃气电磁阀可靠度。观察与分析之后发现等效应力、变形最大这两个位置均会有应力集中现象产生，对于关键位置必须要做好结构优化，以达到提高燃气电磁阀可靠度的目的。

三、燃气电磁阀结构优化设计的建议

根据构建的有限元模型分析，总结燃气电磁阀结构优化设计的措施。首先需要合理选择电磁阀设计变量，在电磁阀有限元分析得出结论基础上明确电磁阀内部的薄弱之处，依次是等效应力集中位置和变形较大的位置，可能对这两个位置可靠度造成影响的因素，主要是尺寸参数，因此在定义设计变量时，可依次设计为倒圆角（R1）、倒圆角（R2）。开始燃气电磁阀结构的优化设计，针对所有设计变量值展开仿真分析，获得设计变量相应等效应力集中位置、变形量，构建相应R1、R2数值。此时可采用多项式算法，可以提高燃气电磁炉结构优化设计结果的精确性，得出R1、R2相应等效应力、变形量。

根据R1、R2数值，其中R1=4.0mm，且R2=4.8 mm，此时等效应力、变形量达到最低，分析燃气电磁炉结构优化设计的影响因素可以实施圆整处理；R1=4.0 mm且R2= 5.0 mm 时，此时关于燃气电磁炉结构的优化设计变量为最优值，重构电磁阀有限元模型，经过分析、加载之后，便可获得已经优化之后的电磁阀等效应力云图、变形云图。观察发现经过优化处理的电磁阀等效应力和最大变形量降低，但可靠度却因此提升。可见，燃气电磁炉结构优化设计之后，电磁阀性能显著提升。

基于DN80型燃气电磁阀的可靠性分析，动态可靠性分析是在动态载荷分析基础上进行，通常可靠性分析无法清晰且准确的表述受到动态冲击载荷作用之后显示的规律，在载荷反复作用下，受到周围环境因素干扰，燃气电磁炉机械零部件强度，在服役时间不断增加的基础上发生延长，但是设备性能参数却退化，若性能参数退化至一定限值，将会直接影响到机械零部件的性能，且无法与工作条件相符，进而导致运行失效的现象[7]。基于此，通过一般可靠性分析得出结论，还需针对燃气电磁阀展开动态可靠性分析。此外，燃气电磁阀的所有机械零部件进行动态可靠性分析，其中非常重要的一个环节是剩余强度，将其定位为机械零部件在承受n次载荷作用之后，能够承受载荷能力，表达式如下：③。公式中的S（n）是剩余强度，S0是初始强度，n是载荷作用次数，N是疲劳寿命。当燃气电磁阀经过动态可靠性分析得到的结果，便可绘制燃气电磁阀的动态可靠性规律曲线，观察得出结构优化设计的关键点。

例如阀杆设计，如果选用进口电磁阀，其密封多是通过阀杆两端的锥面，阀杆移动之后，将入口端和放气口端加以密封。此类密封处理方法对阀杆加工精度有非常高的要求，而且阀杆两端锥面同轴度不能大于0.01mm。两锥面通常使用一般数控机床进行加工，但需经过2次定位加工处理，无法保证锥面同轴度，所以进口电磁阀在应用中可能会面临稳定性和使用寿命方面的问题。对比工业生产中常用的传统电磁阀，其应用范围比较受限，仅为低压工作范围。因此针对电磁阀结构的优化设计，可将阀杆结构形式改变，原本阀杆两端锥面密封形式调整为其中一侧端面密封，另外一侧端面则依然采用锥面密封形式。这样一来锥面同轴度、端面垂直度与跳动度便可使用一般数控机床一次定位加工，提高阀杆设计精度，还可节约成本。

再如密封力设计，燃气电磁阀设计过程中采用气动密封理念，将进气口两端面横截面改变，使其中一个横截面大于另外一端，此时再引入高压气体，闭合电磁阀之后，因为两个截面均已密封，并且会在截面两端有压力差，进而形成气动密封。燃气电磁阀闭合之后的密封力，主要供给源头为气体密封力、弹簧力，一方面可以满足燃气电磁阀闭合对于密封力的需求，另一方面则能够降低弹簧设计强度，达到延长使用强度的目的。

结束语：

综上所述，DN80型燃气电磁阀要想实现稳定运行，关键在于电磁阀结构。针对该燃气电磁阀展开有限元分析，明确电磁阀内部结构可能发生故障的薄弱点，从而重点进行可靠性设计，改善电磁阀结构形式的同时，提高运行安全性和可靠性，以免在燃气电磁阀应用过程中发生安全事故。

参考文献：

[1]左瑞娟，武永华，吴明旭，林进鑫，林宗.一种燃气壁挂炉的强电执行器件的控制电路设计[J].仪表技术，2021（01）：1-3+34.

[2]肖勤，王先春，周俊帆，欧阳葵，陶源.探究燃气安全系统在智能家居中的构造[J].物联网技术，2020，10（08）：74-75+78.

[3]杨先平，牛胜伟.砖瓦内燃窑使用燃气改造方案[J].砖瓦世界，2019（09）：48-51.

[4]江宇，谢谊，黄逊青，黄泽典，甘婵芳.近零泄漏型燃气电磁阀设计方案探讨[J].日用电器，2019（08）：33-38.

[5]陈雪勇，刘兴中，陈强.一种高温高压燃气电磁阀的设计与研究[J].现代机械，2017（04）：40-43.

[6]陈雪勇，谭耳，陈强.小型高温燃气电磁阀电磁推力的设计及仿真[J].现代机械，2016（06）：55-58.

[7]刘晓阳.一种燃气轮机遮断电磁阀的创新设计[J].济南职业学院学报，2013（06）：76-77.

作者简介：

1.马健（1986.03-），男，汉族，浙江省台州市人，嘉兴市大宇机电有限公司，副总经理，研究方向：机械设计。

2.何亦斌（1968.12-），男，汉族，浙江省嘉兴市人，嘉兴市大宇机电有限公司，总经理、总工程师，研究方向：机械设计。