1．前言
我厂参照国外实物和图纸试制的先导式天然气电磁阀线圈额定直流电压12V，阀门额定工作压力20MPa，活门直径10．5mm，动铁芯与定铁芯之间的气隙3～3.5mm，活门与隔磁导套之间的直径间隙O.15～0.30mm。前期用空气试验，气源压力8MPa以上活门打不开，按标准要求用直流电压8V试验时，气源压力4MPa以上活门打不开。通过分析先导式电磁阀的工作原理，运用气体动力学的理论，分析计算空气流过先导阀小孔、流过活门与隔磁导套环形缝隙的流量，采取了加大小孔的直径、减小活门与隔磁导套之间的环形缝隙、减小动铁芯与定铁芯之间的气隙等措施，仍然使用原有的线圈，即使电压只有8V、气源压力20Mpa时，活门也能顺利打开。
2．先导式电磁阀的工作原理
先导式天然气电磁阀工作原理如图1所示。20MPa的高压气体从进口进入阀体，经过隔磁导套与活门的环形缝隙再经过六角形的动铁芯进入气隙腔。电磁线圈不通电时，活门锥面在上部气压力与弹簧力的作用下压紧阀体，阀门关闭P1=P0。电磁线圈通电，动铁芯在电磁力的作用下先向上抬起O.5mm左右，活门上的先导阀小孔打开，高压气体经小孔流出到达出口(通大气)，随着气体的不断流出，气隙腔的压力由20MPa迅速下降，直到电磁铁吸力大于活门上受到的气压不平衡力时活门打开，气体直接由进口经活门锥面主阀孔进入出口流出。
先导阀小孔打开时，随着高压气体不断从小孔流出，气隙腔的压力的不断下降，进口的气源气体与气隙腔气体的压力差迅速加大，20MPa的高压气体迅速经活门与导套的间隙向气隙腔补充。如果先导阀小孔太小，或者活门与导套的间隙过大，经活门与导套的间隙向气隙腔补充的气体大于或略小于气隙腔从小孔流出的气体，气隙腔的气体压力P1难以降到使活门抬起的压力，活门就打不开。活门抬起前受到向下和向上两个作用力。向下的力其中一个是弹簧力，由于弹簧刚度很小，弹簧力可以忽略不计，其二是气隙腔气体的作用力F1（N）。
如果气隙腔压力降到P1<P1临，活门可以在向上的气压力的作用下自动抬起。从图2看出，气隙小到2mm时电磁铁吸力只有4.4N，而气压力P1从P1临=11.15MPa，上升仅O.1MPa到11.25MPa，活门受到的向下的力增加到8.25N。所以活门的抬起主要靠气隙腔压力P1的下降。活门在向上抬起时还受到活门与导套间的摩擦力的作用，由于气体压力高，活门与导套间的气压夹紧力大，摩擦力也大，所以活门要抬起，P1一定要远小于P1临。
活门全部开启以后，先导阀小孔关闭，气隙腔压力P1又等于气源压力P0，所以即使P1降到了活门可以自动抬起的压力，在活门全部打开后，电磁线圈还必须通电，才能使活门保持开启状态。
| P1Ma | 11.55 | 11.35 | 11.25 | 11.15 | 11.0 | 10.80 | 10.6 |
| △F(N) | 34.2 | 16.9 | 8.25 | 0 | -13.4 | -30.7 | -48.0 |
说明：△F为正值表示活门受到的合力向下、△F为负值表示活门受到的合力向上。
3．电磁阀先导阀小孔流量计算
| 直径d(m) | 压力p1(106Pa) | 20.1 | 16.1 | 12.1 | 8.1 | 4.1 | 0.1 |
| 压差p1-p2(106Pa) | 20 | 16 | 12 | 8 | 4 | 0 | |
| 0.4×10-3 | 流量qvm3/s | 3.5578 | 2.2826 | 1.2893 | 0.5777 | 0.1479 | 0 |
| 0.5×10-3 | 8.686 | 5.5728 | 3.1476 | 1.4104 | 0.3612 | 0 |
4．活门与隔磁导套环形缝隙的流量计算
| 间隙 h×10-5(m) |
压力p1(106Pa) | 20.1 | 16.1 | 12.1 | 8.1 | 4.1 | 0.1 |
| 压差p1-p2(106Pa) | 0 | 4 | 8 | 12 | 16 | 20 | |
| 2.5 | 流量qvm3/s | 0 | 0.0192 | 0.0341 | 0.0448 | 0.0513 | 0.0535 |
| 5.0 | 0.1535 | 0.2729 | 0.3585 | 0.4103 | 0.5050 | ||
| 7.5 | 0.5178 | 0.9211 | 1.2100 | 1.3846 | 1.4446 | ||
| 10.0 | 1.2273 | 2.1835 | 2.8684 | 3.2820 | 3.4243 | ||
| 12.5 | 2.3971 | 4.2646 | 5.6022 | 6.4101 | 6.6881 | ||
| 15 | 4.1422 | 7.3689 | 9.6811 | 11.0770 | 11.5570 |
5．先导阀孔径、环隙、气隙对阀门开启的影响
从图3看出，对于同一小孔直径、同一环形缝隙，相应都存在某一气隙腔压力P1，在这个压力下，气隙腔从小孔流出的气体与从环形缝隙流进气隙腔的气体流量相等，这就是流量平衡点的压力。对于同一小孔直径，环形缝隙大，平衡点的压力就高；环形缝隙小，平衡点的压力就低。对于同一环形缝隙，小孔直径大，平衡点的压力就低；小孔直径小，平衡点的压力就高，根据表1可以看出，只有平衡点的压力P1小于临，也就是P1<11.15MPa，活门才能打开，考虑到活门与导套间的摩擦阻力，活门打开时的P1，还应比11.15MPa小得多。结合表2和表3，从图3看出，当小孔直径d=0.5mm，环形缝隙h=0.100mm时，流量平衡点的压力P1=10.645MPa<11.15MPa，当小孔直径d=0.4mm环形缝隙h必须小于O.075mm时流量平衡点的压力P1=10.766<11.15MPa，从上分析看出，国外图纸上小孔直径0.4mm，环状缝隙0.15～0.30mm是不合理的。根据电磁铁的吸力公式
可铁的吸力Fx与气隙δ成反比，所以要加大电磁铁的吸力，应该在确保活门开启高度的前提下，尽可能减小气隙δ。根据计算，先导式电磁阀活门的开启高度H=1.34mm，所以活门气隙还可以比原来减少1mm以上。电磁阀的先导阀孔径、环隙和气隙经调整后，电磁阀在进口气源压力20．0Mpa时，用8V直流电顺利开启，尺寸调整情况见表4。
| 试验 序号 |
气隙 δ(mm) |
环状缝隙 H(mm) |
小孔直径 d(mm) |
直流电压 (V) |
进气压力 (MPa) |
试验情况 |
| 1 | 3.5 | 0.15 | 0.5 | 8 | 4 | P0=4MPa可以打开；大于4MPa打不开 |
| 2 | 3.5 | 0.025 | 0.5 | 8 | 20 | P0=20MPa可以打开 |
| 3 | 2.4 | 0.025 0.15 |
0.5 | 8 | 20 | P0=20MPa可以打开 |
6．结论
在理论的指导下，我们采取了三项改进措施，一是通过增加调整垫片的厚度减小气隙；二是将先导阀小孔直径由原O.4mm加大到O.5mm；三是减小活门与导套的环状缝隙，这些改进措施，效果相当明显，先导式电磁阀可以在额定20MPa气源压力，8V直流电压下顺利打开。所以对于从国外引进的产品，不能照搬照抄，应该在试验的基础上，从理论上进行分析研究，不断加以改进，才能有所创新。
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