电磁阀的基础知识

电磁阀是我们所熟知的一种自动化仪表执行器,作为与企业安全生产直接相关的重要工业产品,在众多领域有着不可或缺举足轻重的地位。由于电磁阀结构简单,使用安全,工作可靠,功率微小,成批产品的性能一致性好,在国外已被广泛地应用于汽车、工程机械、农业机械等许多方面。
与国外相比,我国电磁阀起步较晚,但随着改革开放的到来,民营企业的崛起,电磁阀生产能力在不断增长,产品也开始逐渐步入国外市场。伴随着我国经济的快速增长,水电、建筑、机械等行业领域对电磁阀的需求不断激增,对其质量及规范也有了更进一步的要求。
本文就电磁阀的结构、性能特点及工作原理作一介绍,对电磁阀未来的发展方向作简要综述,并详细展开电磁阀选型应用相关事项,以期对您挑选和使用电磁阀有所裨益。

一、 走近电磁阀
电磁阀被发明以来,被越来越广泛地应用于各个领域,发挥着不可替代的作用。
电磁阀虽小,却是很多专业领域不可或缺的元件。液压、气动自动化系统中把电磁阀奉为手足,足以见得电磁阀的功用不可小觑。

二、
(一)电磁阀通用的概念介绍
电磁阀是用来控制流体的自动化基础元件,属于执行器;并且不限于液压,气动。电磁阀由电磁线圈和磁芯及包含一个或几个孔的阀体组成。当线圈通电或断电时,磁芯的运动将导致流体通过或被切断,以达到改变流体方向的目的。电磁阀的电磁部件由定铁芯、动铁芯、导套线圈等零部件组成;阀体部分由阀芯、阀套、弹簧、阀座等组成。电磁部件被直接安装在阀体上,构成一个简洁、紧凑的组合。在生产中常用的电磁阀有二位二通、二位三通、二位四通、二位五通、三位五通等。二位的含义对于电磁阀来说就是带电和失电,对于所控制的阀门来说就是开和关。
作为用电磁控制的工业设备,电磁阀用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。电磁阀有很多种,不同的电磁阀在控制系统的不同位置发挥作用,最常用的是单向阀、安全阀、方向控制阀、速度调节阀等。电磁阀用电磁的效应进行控制,主要的控制方式有继电器控制、电脑程控等。这样,电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制,而控制的精度和灵活性都能够保证。

(二)电磁阀工作原理

电磁阀包括电磁部分和阀体部分。当通、断电时,电磁部分的动铁芯会产生运动,由此带动阀门部分介质的通、断或者流动方向的切换。
当然,具体每一种电磁阀其特性和原理还是会有差异的。追朔电磁阀的发展史,到目前为止,国内外的电磁阀按动作方式分为三大类:直动式、反冲式(分步重合式)、先导式,而从阀瓣结构和材料上的不同与原理上的区别又分为六个分支小类(直动膜片结构、分步重片结构、先导膜式结构、直动活塞结构、分步直动活塞结构、先导活塞结构)。我们就对动作方式稍有差异的三类电磁阀作一个较为详细的探讨:
1、直动式电磁阀:
原理:通电时,电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起,阀门打开;断电时,电磁力消失,弹簧把关闭件压在阀座上,阀门关闭。
特点:在真空、负压、低压时能正常工作,但通径一般不超过25mm。
2、分步重合式(反冲式)电磁阀:
原理:它是一种直动和先导式相结合的原理,当入口与出口没有压差时,通电后,电磁力直接把先导小阀和主阀关闭件依次向上提起,阀门打开。当入口与出口达到启动压差时,通电后,电磁力先导小阀,主阀下腔压力上升,上腔压力下降,从而利用压差把主阀向上推开;断电时,先导阀利用弹簧力或介质压力推动关闭件,向下移动,使阀门关闭。
特点:在零压差或真空、高压时亦能可靠动作,但功率较大,要求必须水平安装。
3、先导式电磁阀:

原理:通电时,电磁力把先导孔打开,上腔室压力迅速下降,在关闭件周围形成上低下高的压差,流体压力推动关闭件向上移动,阀门打开;断电时,弹簧力把先导孔关闭,入口压力通过旁通孔迅速至上腔室,在关阀件周围形成下低上高的压差,流体压力推动关闭件向下移动,关闭阀门。
特点:流体压力范围上限较高,可任意安装(需定制)但必须满足流体压差条件

三)电磁阀的性能特点

尽管电磁阀家族庞大而复杂,但是在电磁阀生产之初,人们对其性能是有着基本的设定的。整体而言,各类电磁阀都具有的明显性能特征有4项:安全性,适用性,可靠性,经济性。这也是人们在选择电磁阀时首要考虑的因素。
安全性主要是依据介质属性,应用环境,公称压力来设计的;适用性则主要依据介质特性,管道参数、环境条件、电源条件、控制精度为参考来设计;可靠性是指电磁阀的工作寿命、工作制式,工作频率而言的,另外还有动作可靠性,经济性,在此,经济性不单指产品价格,而是产品的性能价格比、综合费用价格比。
由于电磁阀选型和电磁阀的性能有极其密切的关系,本文将在以后第三部分为您介绍如何选择电磁阀的同时,详尽地展示电磁阀性能特征——以便为电磁阀的选型做更清晰的参考。

二、电磁阀技术发展方向

一切事物都是处在变化发展中的,电磁阀也不例外。我们知道,电磁阀通常只有开关两种状态,阀芯只能处于两个极限位置,不能连续调节,所以电磁阀调节精度还受到一定限制;电磁阀对介质洁净度也有较高要求,含颗粒状的介质不能适用,如属杂质须先滤去。另外,粘稠状介质不能适用,而且,特定的产品适用的介质粘度范围相对较窄。
电磁阀本身的特性决定了电磁阀存在自身局限性。突破局限是电磁阀技术发展的一个重要命题。
传统的流体动力传动技术与自动化、IT技术的融合,也对电磁阀提出了更高的要求。目前,电磁阀正朝着长寿命、小型化、智能化、节能化、绿色环保、高集成化的方向发展。
(一)智能化方向发展
电磁阀智能化主要是指电磁阀如何与智能仪表更好配合,去提高系统的控制精度和可靠性。
一般认为位式调节难以达到很高精度,然而在好多场合采用恰当的方式却可以达到所需的相当高精度,而大大节省成本。
据悉,现在我国国内已经出现了可以完全改变传统模拟控制方式的电磁阀,能够完全通过现场总线或是PC来实现远程控制。某些产品可以应用于传统的流量要求较大的生产场合或完全通过数字信号的反馈对压力比例阀控制,达到精确地控制;甚至某些产品设计可以满足客户对于电磁阀岛要求流量高、反应速度迅速、重复性精确等要求。
现场总线技术成功应用于工业过程控制,其不可忽略的重要原因是开发了输出阀位信号的电磁阀,它的开关量直接进入远程IO控制箱。模拟信号也在本地通过AD模板转换成数字量,通过现场总线电缆传递至PLC。实现了工作过程的可视化,便于进行监控,发现异常还可以自动报警。而且,其在管路配置方面,有了组合电磁阀、双联电磁阀、多路电磁阀、三位电磁阀。这使智能化控制能够方便有效地得到执行。在保养维修方面,多功能电磁阀可以做到隔离自身,在整个生产系统正常运行的情况下对电磁阀进行在线维修,大大提高了设备的运行效率。

(二)小型化和寿命

“小型化”是电磁阀技术发展的一个趋势,这也是设备轻量化对电磁阀的必然要求。电磁阀小型化不仅能够减少不必要的资源浪费,同时对削减设备投资颇有裨益。
电磁阀的小型化,并不意味着以牺牲流量为代价。电磁阀小型化的发展是以流量不变作为前提的——这就为电磁阀研究提出了更进一步的课题。这其中涉及到电磁头技术和流道的科学化。在动铁芯推力不变的情况下,电磁头的体积大规模地缩小为电磁阀的小型化、节能化提供了可能。值得一提的是,现代微电子技术的发展已成为“电磁头”技术提升不可忽视的因素。
电磁阀使用寿命的延长,并不是新鲜的议题。对电磁阀存在需求的行业从来都没有停止过对其使用寿命延长的追求。近年来,新材料和制造工艺的不断引入,为电磁阀的寿命的大幅度提高提供了可能,可以最大程度地改良主阀内阀芯和阀套之间的摩擦。

(三)超洁净、低温升是电磁阀技术面临的又一重要课题

在社会大发展的今天,每个行业的标准都有了不同程度的提升,其中就包括洁净程度以及温度要求。这两项需求在某些行业是必须执行的。比如微加工业和血液透析、生物制剂、制药等与人体健康紧密关联的工业,“尘埃”一定是不允许出现的。很显然,电磁阀作为被应用于这些行业的元件,它在被设计生产时必须考虑洁净及温度的要素。
电磁阀是由运动的阀芯来切换流道或改变流道的有效面积来控制流体的方向、流量和压力,阀芯在运动过程中的摩擦和冲击必然产生微粒;近来,为了提高电磁阀的寿命,阀芯和阀套之间的摩擦副往往需要润滑脂加以润滑,而这无疑又带来了另一种微粒发生源:润滑脂。
据悉,目前已经出现了超洁净电磁阀。它能成功避免对被控流体的污染,同时温升仅为1℃,有效避免了对恒温环境和特殊流体性能的影响。

(四)节能与环保是持续的挑战

随着环境意识的不断深入,节能化和绿色环保也给电磁阀行业提出了新的挑战。而且,近来欧盟R0HS指令进入中国,无异是为各行业设置了环保门槛。
在电磁阀行业有先行者已迈出了自己的步伐:某些电磁阀生产商已经开始一切按照欧盟的R0HS规范制定管理目标,防止污染物的产生,并进行结构改良以及新的磁性材料的研制,大大降低电磁阀的功率,有效减少电磁线圈原作带来的热量。
另外,自动保持电磁阀已经出现。据介绍,此种阀仅在开启或关闭瞬间通电,平时由永久磁石维持状态,具有较好的节能效果。
事实上,电磁阀材料的选择、磁路的设计、电路的配置、阀芯的制造等等都跟能耗有关。
从绿色环保的角度来看,材料中含有Pb、Hg、Cd、Cr5+等重金属和PBB、PBDE难以降解的物质对地球环境和人类健康是不利的。
有关资料表明,德国正在研制开发带压电驱动的微型阀(或微型硅材料阀)。当它的公称通径为0.25mm,工作压力为1~11bar时,它的功耗仅为400μW,响应时间为20μs。

(五)我国电磁阀的发展小述

在电磁阀发展方面,仅就国内而言,是取得了很多可喜的变化的。
与国外专业大公司相比,国内电磁阀企业起步较晚,技术经济实力都存在明显差距。
改革开放以后,民营科技企业崛起,拥有在美、日、欧批准的专利,产品已逐步进入发达国家市场,经济实力也在不断增强甚至已超过国外同行的中小企业。近年来卫星发射基地、大亚湾核电站、上海宝钢维修工程中国内电磁阀先后中标,这反映出我们国内的电磁阀产业在逐渐形成自己的生产实力。
以往电磁阀行业不正当竞争在国内十分严重,存在无证生产、无证销售、假冒专利、假冒商标、假冒厂名、虚假广告和虚假产品的现象,消费者深受其害。而近年来随着IS09000 质量体系认证在我国逐步推行,消费者越来越能容易地接触到品质优秀的产品。大家也在逐步自觉地选择已认证的企业。
据了解,国内电磁阀也越来越注重本土化因素。现在很多有识之士已经认识到从本土化出发的重要性。电磁阀要实现真正本土化,必须从技术标准、技术要求开始做起,真正解决电磁阀质量问题。在标准化方面,向国际标准靠拢;在技术条件方面,制定更科学更合理化的技术标准;而在价格方面则必须与高性能相适宜。

三、电磁阀选型与应用

电磁阀虽有先天不足,优点仍十分突出,所以就被设计成多种多样的产品,满足各种不同的需求,而且随着电磁阀技术不断向智能化、精简化方向发展,电磁阀的用途目前极为广泛。同样隶属于电磁阀,但不同种类电磁阀使用时的情况是千差万别。而且据调查显示,近年来电磁阀的销量猛增,其中占有重要比重的是各类专用电磁阀,这无疑要求用专业的眼光挑选适合的电磁阀。
(一)电磁阀选型要领
契合不同的需要选择电磁阀,首先应该注重的是电磁阀本身固有的特性。下面就以电磁阀本身特性为参考,来介绍选择电磁阀的几点要领。
1、安全性:
(1)腐蚀性介质:宜选用塑料王电磁阀和全不锈钢;对于强腐蚀的介质必须选用隔离膜片式。例CD-F、Z3CF。中性介质,也宜选用铜合金为阀壳材料的电磁阀,否则,阀壳中常有锈屑脱落,尤其是动作不频繁的场合。氨用阀则不能采用铜材。
(2)爆炸性环境:必须选用相应防爆等级产品,露天安装或粉尘多场合应选用防水,防尘品种。
(3)电磁阀公称压力应超过管内最高工作压力。
2、适用性:
(1)介质特性
①气,液态或混合状态分别选用不同品种的电磁阀,否则易引起误动作。如不清楚型号,可请厂家代选。但订货时最好清楚介质状态。
②介质温度不同,产品规格也不同,一定要选择合适的,否则线圈会烧掉,密封件也会老化,严重影响寿命。
③介质粘度,通常在50cSt以下。若超过此值,作特殊订货。
④介质清洁度不高时都应在电磁阀前配装反冲过滤阀。
⑤介质压力对选择电磁阀很重要,必须选择合适压力的品种。
⑥介质若是定向流通,且不允许倒流请作特殊要求提出。
(2)管道参数
①根据介质流向要求及管道连接方式选择阀门通径及型号。
②根据流量和阀门Kv值选定公称通径,也可选同管道内径。请注意有的厂家未标有Kv值,往往阀孔尺寸小于接口管径,切不可贪图价低而误事。
③工作压差最低工作压差在0.04Mpa以上是可选用间接先导式;最低工作压差接近或小于零的必须选用直动式或分步直接式。
(3)环境条件
①环境的最高和最低温度应选在允许范围之内,如有超差需作特殊订货提出。
②环境中相对湿度高及有水滴雨淋等场合,应选防水电磁阀
③环境中经常有振动、颠簸和冲击等场合应选特殊品种,例如船用电磁阀。
④在有腐蚀性或爆炸性环境中的使用应优先根据安全性要求选用耐腐蚀。
⑤环境空间若受限制,请选用多功能电磁阀,因其省去了旁路及三只手动阀且便于在线维修。
(4)电源条件
①根据供电电源种类,分别选用交流和直流电磁阀。一般来说交流电源取用方便。
②电压规格用尽量优先选用AC220V、DC24V。
③电源电压波动通常交流选用+10%、-15%,直流允许±10%左右,如若超差,须采取稳压措施或提出特殊订货要求。
④应根据电源容量选择额定电流和消耗功率。须注意交流起动时VA值较高,在容量不足时应优先选用间接导式电磁阀。
(5)控制精度
①普通电磁阀只有开、关两个位置,在控制精度要求高和参数要求平稳时请选用多位电磁阀;Z3CF三位常开电磁阀,具有微启,全开和关闭三种流量;ZDF-Z1/1组合多功能电磁阀具有全开、大开、小开、全开四种流量。
②动作时间:指电信号接通或切断至主阀动作完成时间,只有特定的多功能电磁阀可对开启和关闭时间分别调节,不仅可满足控制精度要求,还可防止水锤破坏。
③泄漏量样本上给出的泄漏量数值为常用经济等级,若嫌偏高,请作特殊订货。
3、可靠性:
(1)工作寿命,此项不列入出厂试验项目,属于型式试验项目。为确保质量应选正规厂家的名牌产品。
(2)工作制式:分长期工作制,反复短时工作制和短时工作制三种。本公司常规产品均为长期工作制,即线圈允许长期通电工作。对于长时间阀门开通只有短时关闭的情况,则宜选用常开电磁阀。用在短时工作制而批量又很大时,可作特殊订货以降低功耗。
(3)工作频率:动作频率要求高时,结构应优选直动式电磁阀,电源听优选交流。
(4)动作可靠性严格地来说此项试验尚未正式列入我国电磁阀专业标准,为确保质量应选正规厂家的名牌产品。有些场合动作次数并不多,但对可靠性要求却很高,如消防、紧急保护等,切不可掉以轻心。特别重要的,还应采取两只连用双保险。
4、经济性:

不经济就是对资金,精力乃至生命的浪费,它是选用的尺度之一,但必须是在安全、适用、可靠的基础上的经济,经济性不单是产品的售价,更要优先考虑其功能和质量以及安装维修及其它附件所需用费用。更重要的是,一只电磁阀在整个自控系统中乃至生产线中所占成本微乎其微,如果贪图小便宜而错选所造成损害是巨大的。

(二)电磁阀在专业领域内的应用
1、电磁阀在各专业领域的选择应用
(1)燃气电磁阀

由于我国燃料结构的调整,气体燃料的比重不断上升,燃气电磁阀需求不断增长。燃气有天然气、工业煤气、城市煤气、液化石油气等好多种,所含杂质及腐蚀情况各异,对阀的要求也不一样。而且,压力等级差别很大,压缩天燃气高达 21~25Mpa,而燃气具压力又低至2Kpa。我国都分别已有成熟产品。
(2)蒸汽电磁阀
蒸汽电磁阀首先要解决耐高温的难题,其密封材料,导电和导磁材料都要特别选择。蒸汽管道的锈蚀比较厉害,须认真对待。更重要的是在工厂下班后蒸汽管道里有很多冷凝水,电磁阀需要在气态和液态流体通过时都能可靠动作,其出厂检验有多道严格程序。西安、丹东等众多厂家,近年来又推出不少新产品。
(3)水用电磁阀
水用电磁阀总被认为是最简单的,实则水就分为自来水、工业纯水、工业废水、灌溉水、海水等多种类别,其腐蚀性能,洁净程度各异,应分别选用不同的电磁阀。自来水阀虽然最普通,但用途不同对阀门的性能要求却不一样。
例如,消防用电磁阀,动作可靠性至关重要,即使普通手动阀门长期不启闭,也很难快速打开。
自来水厂需将电磁阀用于倒虹吸管路,这种电磁阀即要在压力状态,还要在真空状态下可靠工作,绝不能有内漏,而且在水的洁净度不高的状况下,仍应动作灵活。
另外喷灌电磁阀也随我国农业和园林业的发展而逐步得到应用。
(4)油用电磁阀
油品种类繁多,密封件技术是关键之一。耐油橡胶只是类别名称,不同的油甚至同种油所含杂质不同就需选不同的耐油橡胶。近年来随专用电磁阀销量的增多,专用耐油橡胶的寿命也不断提高。
油品的粘度差异很大,须选用不同结构的电磁阀。
高粘度的油还常在高温的状态下流通,所以电磁阀还随之要解决耐高温的问题。对于燃油还需满足防爆要求。
(5)空调用电磁阀
空调主要靠调节风量来控制温湿度,阀门流量的连续调节并不完全必要。现在无阀的空调系统也在用,但因出现凝露滴水等毛病而受谴责。因此结构简单,价格低廉的电磁阀是最佳选择。因受国外传统的影响,结构复杂、力矩较难控制的电动阀国内仍在大量选用。

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