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温度对燃气动磁式比例阀性能的影响
王保友，张正阳，赵佳佳
（广东金美达实业有限公司， 广东 佛山 528325）
随着国家燃气基础设施建设逐步完善，市场需求的潜力进一步释放，国内燃气市场需求也出现较快增长。2023年，天然气消费量为3 945×108 m3，增量282×108 m3，同比增长7.6%［1］。
燃气比例阀（简称比例阀）是家用燃具中的核心零部件，主要应用在燃气热水器、燃气供暖热水炉、燃气灶等需要精确自动控制燃气流量的领域。燃气比例阀按机械结构可分为3类：动磁式、动铁芯式、动圈式。其中，动磁式比例阀因价格低、稳定性好，使用较为广泛。当环境温度变化时，比例阀中的某些零部件性能会有所变化，引起比例阀稳压性能变化。动磁式比例阀受温度的影响最大，本文重点研究温度变化，尤其是温度降低对动磁式比例阀性能的影响［2］。
动磁式比例阀主阀体与进气接管一体式压铸，提高了产品的气密性。其结构（见图1）组成包括支架、螺母、轴芯、线圈、比例弹簧、磁铁和薄膜等。主阀体通道上设置截止阀，分段阀体与主阀体相连，分段阀体设置有多个燃气出气口，通过不同出气口的排列组合即可实现燃气的分段控制，使二次压力能在大范围内进行调节［3］。
一次压力指比例阀入口前的燃气压力，二次压力是指经过比例阀调压后，燃烧器喷嘴前的压力。比例阀的主要作用一是调压，二是稳压。比例阀调压原理为：通过对线圈施加不同电流，线圈产生一个与磁铁磁场方向相反的感应磁场，电流越大，感应磁场越强。在同极排斥力的作用下，推动塑阀塞座往阀口打开的方向移动，调节塑阀塞座与阀口之间缝隙大小，从而达到调节二次压力的目的。比例阀稳压原理为：当进入到阀腔内部的燃气一次压力增大时，其对薄膜向下的压力增大，薄膜向下变形，平衡稳压腔内压力，反之亦然。最终燃气二次压力基本保持稳定，从而达到燃气稳压的目的［2］。
比例阀中受到温度影响的零部件有薄膜、磁铁和弹簧。对每个零部件的材料、核心性能指标、失效模式等进行分析。
① 薄膜。薄膜的材料是丁腈橡胶，核心性能指标为硬度。不同温度下，薄膜硬度发生变化，相同的燃气一次压力下，薄膜由于硬度差异产生的形变不同，进而影响比例阀稳压性能。
② 磁铁。磁铁的材料分为铁氧体和钕铁硼，核心性能指标是磁场强度。不同温度下，磁铁磁场强度发生变化，在线圈产生的磁场相同的条件下，磁铁与线圈、轴芯间的作用力变化，会影响塑阀塞座与阀口之间缝隙大小，进而影响比例阀的性能。
③ 弹簧。弹簧的材料是奥氏体不锈钢SUS304WPB，核心性能指标是弹簧弹力。不同温度下，弹力发生变化，导致塑阀塞座往阀口打开的方向移动距离不同，会影响塑阀塞座与阀口之间缝隙大小，进而影响比例阀的性能。
考虑到用户的使用环境，本文中测试温度条件为-10~40 ℃。
为验证不同温度条件对薄膜硬度的影响，准备2个薄膜样品（薄膜A、B）。恒温箱设定温度范围为-10~40 ℃，从40 ℃开始，每隔10 ℃进行一次测试。每个温度测试时，待恒温箱温度达到设定温度后，将薄膜样品放入恒温箱中，放置2 h后，在恒温箱中使用邵氏硬度计测试各薄膜样品的硬度，选3个点测量后取平均值。薄膜样品在不同温度下的邵氏硬度见表1。
根据试验结果，发现两个薄膜样品在-10~40 ℃随着温度变化硬度的变化幅度不大。说明温度条件的变化，对薄膜的硬度影响较小。
为验证不同温度条件对磁铁磁场强度的影响，准备铁氧体和钕铁硼2种不同材质的磁铁样品，每种材质各6个样品，编号为1~6。恒温箱设定温度范围在-10~40 ℃，从40 ℃开始，每隔5 ℃进行一次测试。每个温度测试时，恒温箱温度达到设定温度后，将磁铁样品放入恒温箱中，放置2 h后，在恒温箱中使用高斯磁力计分别测试每个温度点磁铁样品的磁场强度。不同材质磁铁样品在不同温度环境条件下的磁场强度见表2。
根据试验结果，钕铁硼材质的磁铁，随着环境温度降低，磁场强度波动，变化幅度最小的为5号样品，在-10 ℃时和40 ℃时达到最小值12 576.8 A/m，在10 ℃时达到最大值12 815.6 A/m，变化幅度为238.8 A/m。变化幅度最大的为2号样品，在10 ℃时达到最大值12 974.8 A/m，在-5 ℃时达到最小值12 338.0 A/m，变化幅度为636.8 A/m。铁氧体材质磁铁，在-10~40 ℃范围内，最大变化幅度为875.6 A/m。采用钕铁硼材质磁铁的比例阀，相比于采用铁氧体材质磁铁的比例阀，在温度变化时，磁场强度的变化幅度较小。
为验证温度对弹簧弹力的影响，准备同样规格的弹簧，使用弹簧测试仪，将弹簧的压缩量分别设定为10.0 mm和4.5 mm，准备每种压缩量各5个样品，编号为1~5。恒温箱设定温度范围在-10~40 ℃，从40 ℃开始，每隔10 ℃进行一次测试。每个温度测试时，恒温箱温度达到设定温度后，将弹簧样品放入恒温箱中，放置2 h后，在恒温箱中，使用弹簧测试仪分别测试不同温度点的弹簧样品的弹力。不同压缩量的弹簧样品在不同温度下的弹力见表3。
根据试验结果，发现两种压缩量的弹簧样品在-10~40 ℃的环境下，弹力随温度变化量较小。
通过以上试验可以发现，外界环境温度变化，对比例阀的薄膜和弹簧性能影响较小，但是对磁铁性能的影响相对较大。为验证不同温度条件对不同材质磁铁的比例阀稳压性能的影响，准备磁铁材质分别为铁氧体和钕铁硼的比例阀样品，装配同样的热水器整机，在相同的一次压力为2 000 Pa条件下，使用数字压力计，将两台机器的比例阀二次压力额定值均调整到900 Pa。恒温箱设定温度范围在-10~40 ℃，从40 ℃开始，每隔10 ℃进行一次测试。每个温度测试时，待恒温箱温度稳定后，将整机放在恒温箱中，放置2 h后，在恒温箱中，使用数字压力计，分别测试不同温度下的比例阀的二次压力。不同材质磁铁的比例阀在不同温度下的二次压力见表4。
根据试验结果，发现采用铁氧体磁铁的比例阀二次压力随温度变化幅度较大，环境温度由-10 ℃上升至40 ℃，二次压力升高34 Pa，稳压性能较差。而采用钕铁硼磁铁的比例阀，二次压力随环境温度变化较小，环境温度由-10 ℃上升至40 ℃，二次压力升高4 Pa，稳压性能较好。
① 环境温度变化会对比例阀的稳压性能产生影响。
② 温度变化对比例阀中磁铁的性能影响较大，对薄膜和弹簧影响较小。
③ 对动磁式比例阀，采用铁氧体磁铁，比例阀的稳压性能较差；采用钕铁硼磁铁，比例阀的稳压性能较好。
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