航天閥門運(yùn)動(dòng)副卡滯故障分析及對(duì)策

魏國(guó)儉，陶瑞峰，許 健，劉 博

（北京航天動(dòng)力研究所，北京100076）

0 引言

液氫液氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是發(fā)射和運(yùn)載各種航天器的重要?jiǎng)恿ぞ?，而液氫液氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)閥門是控制發(fā)動(dòng)機(jī)各種功能的重要執(zhí)行組合件。氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的控制功能是靠閥門內(nèi)部運(yùn)動(dòng)副的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，因此運(yùn)動(dòng)副的可靠性設(shè)計(jì)對(duì)氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)閥門設(shè)計(jì)至關(guān)重要，對(duì)各種航天器上閥門設(shè)計(jì)也是非常重要的。

實(shí)踐表明，液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)低溫閥門在發(fā)動(dòng)機(jī)試車、試驗(yàn)以及火箭飛行中，常常出現(xiàn)閥門泄漏、減壓閥振動(dòng)鳴叫、閥門運(yùn)動(dòng)副卡滯卡死等故障。閥門泄漏和振動(dòng)鳴叫故障，比較容易在發(fā)動(dòng)機(jī)熱試車前和火箭上天前的各種測(cè)試中被直接檢測(cè)出來(lái)，可以通過(guò)更換新品等快捷方法進(jìn)行故障處置。而卡滯卡死故障往往是在閥門的運(yùn)動(dòng)副動(dòng)作若干次以后才會(huì)發(fā)生，不容易被發(fā)現(xiàn)，因此卡滯卡死故障是閥門可靠動(dòng)作的潛在威脅，是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)可靠工作的“定時(shí)炸彈”，尤其在低溫環(huán)境中，閥門更容易發(fā)生卡滯卡死故障。在航天各種火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、各種航天器中的閥門設(shè)計(jì)、裝配、試驗(yàn)、試車、發(fā)射、飛行中，要格外注意這一點(diǎn)。

1 閥門卡滯卡死故障統(tǒng)計(jì)

1.1 國(guó)內(nèi)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)閥門卡滯卡死故障統(tǒng)計(jì)

根據(jù)國(guó)內(nèi)在1967—1997年期間對(duì)4個(gè)型號(hào)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生故障的初步統(tǒng)計(jì)[1]，閥門故障占發(fā)動(dòng)機(jī)故障總數(shù)的 34%（見表 1），而閥門卡滯卡死故障又占閥門故障總數(shù)的48.2%（見表2 ）。

表1 國(guó)內(nèi)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)故障統(tǒng)計(jì)表Table1 Failure statistics of liquid rocket engines in China

表2 國(guó)內(nèi)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)閥門故障比例Table 2 Failure percentage of liquid rocket engine valves in China

1.2 國(guó)外液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)閥門卡滯卡死故障統(tǒng)計(jì)

據(jù) 1994年張宗美編寫的航天故障手冊(cè)[2]，其中美國(guó)“土星”系列運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)閥門故障占發(fā)動(dòng)機(jī)故障總數(shù)的28.1%，見表3；而閥門其他故障（含卡滯故障）又占閥門故障總數(shù)的35%，見表4。

表3 美國(guó)土星系列運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)故障統(tǒng)計(jì)表Table 3 Failure statistics of US Saturn series of launch vehicles

表4 美國(guó)土星系列運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)閥門故障統(tǒng)計(jì)表Table 4 Failure statistics of the valves of US Saturn series of launch vehicles

從表1～表4可以看出，在國(guó)內(nèi)外液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制過(guò)程中，閥門故障約占發(fā)動(dòng)機(jī)故障的30%左右，而閥門卡滯卡死故障要占閥門故障相當(dāng)大的比例（不小于 35%）。這說(shuō)明閥門卡滯卡死故障是發(fā)動(dòng)機(jī)可靠工作的一大潛在威脅。

2 閥門卡滯卡死故障案例及其故障原因

2.1 國(guó)內(nèi)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)閥門故障案例及原因

國(guó)內(nèi)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)閥門卡滯卡死故障案例及其故障原因[1]見表5。

表5 國(guó)內(nèi)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)閥門卡滯卡死故障案例分析Table 5 Cases of engine valve sticking and jamming of China’s rockets

2.2 國(guó)外液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)閥門故障案例及原因

國(guó)外液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)閥門卡滯卡死故障實(shí)際案例及故障原因的統(tǒng)計(jì)見表6[2]。

據(jù)表5、表6所列的閥門卡滯卡死故障原因，總結(jié)歸納為5個(gè)內(nèi)部原因（材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)不當(dāng)）和5個(gè)外部原因（外來(lái)多余物），詳見圖1。

表6 國(guó)外火箭發(fā)動(dòng)機(jī)閥門卡滯卡死故障案例Table 6 Cases of engine valve sticking and jamming of foreign rockets

圖1 閥門卡滯卡死故障原因簡(jiǎn)圖Fig. 1 Failure causes of sticking and jamming of valves

3 閥門運(yùn)動(dòng)副卡滯卡死故障的機(jī)理

3.1 閥門運(yùn)動(dòng)副的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

液氫液氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的吹除、預(yù)冷、啟動(dòng)、調(diào)節(jié)、關(guān)機(jī)等功能是靠閥門運(yùn)動(dòng)副的相互接觸（見圖2和圖3的接觸面、接觸面間有結(jié)構(gòu)間隙）和相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。閥門的運(yùn)動(dòng)副一般是活門和殼體（見圖2），或者是傳遞給活門驅(qū)動(dòng)力的頂桿和套筒（見圖3）。閥門運(yùn)動(dòng)副都是從互相接觸的一個(gè)位置，在閥門驅(qū)動(dòng)力的作用下，通過(guò)直線運(yùn)動(dòng)或圓弧運(yùn)動(dòng)到達(dá)另一個(gè)位置，從而可實(shí)現(xiàn)閥門的開啟、調(diào)節(jié)、關(guān)閉功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的功能。其運(yùn)動(dòng)形式除了球閥、蝶閥是圓弧轉(zhuǎn)動(dòng)外，其他閥門都是直線移動(dòng)。閥門運(yùn)動(dòng)副的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)就是有相對(duì)運(yùn)動(dòng)、有接觸面、有間隙。

圖2 閥門運(yùn)動(dòng)副是活門-殼體的簡(jiǎn)圖Fig. 2 Valve and shell as kinematic pairs

圖3 閥門運(yùn)動(dòng)副是頂桿-套筒的簡(jiǎn)圖Fig. 3 Mandril and sleeve as kinematic pairs

3.2 摩擦磨損的機(jī)理是接觸粘著和“犁溝”

根據(jù)英國(guó)鮑登、泰伯教授的粘著摩擦磨損理論[3]和蘇聯(lián)克拉蓋爾斯基的摩擦-分子-機(jī)械理論[4]，閥門運(yùn)動(dòng)副在接觸面上接觸的過(guò)程如下：對(duì)于硬度相同或相近、有一定粗糙度的兩個(gè)金屬表面，在外力載荷的作用下，先接觸的是第一高度的微凸部位，接觸變形開始是彈性變形，接著是塑性變形；而后接觸的是第2高度的微凸部位，最后接觸的是第3高度的微凸部位，等等。隨著接觸部位外力的加大，接觸面積加大，見圖4～圖6。

圖4 閥門運(yùn)動(dòng)副接觸面Fig. 4 Contact surface of kinematic pairs

圖5 壓力小的接觸面Fig. 5 Contact surface at low pressure

圖6 壓力大的接觸面Fig. 6 Contact surface at high pressure

就是在這些小小的接觸面上，發(fā)生塑性流動(dòng)、粘著、冷焊、分子間的互相吸引作用。當(dāng)運(yùn)動(dòng)副相對(duì)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，必須剪斷這些粘著形成的接觸面，這些剪斷力就是摩擦力，微凸部分的斷裂就是磨損。

根據(jù)鮑登、泰伯教授的理論[3]，對(duì)于硬度不同的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)副表面，硬金屬的微凸點(diǎn)會(huì)在軟金屬的表面產(chǎn)生“犁溝”，也就是硬金屬的“尖刀”扎進(jìn)了軟金屬的內(nèi)部，見圖7。金屬表面層結(jié)構(gòu)見圖8。當(dāng)硬金屬的“尖刀”在閥門驅(qū)動(dòng)力作用下相對(duì)軟金屬滑動(dòng)時(shí)，“尖刀”就在軟金屬表面層內(nèi)部產(chǎn)生位移長(zhǎng)度為閥門開度的“犁溝”，金屬在這個(gè)過(guò)程中發(fā)生了彈性變形、塑性變形、斷裂破壞，也就是發(fā)生了摩擦磨損，對(duì)閥門運(yùn)動(dòng)副的運(yùn)動(dòng)件產(chǎn)生了阻力。

圖7 犁溝摩擦磨損示意圖Fig. 7 Furrow friction and abrasion

3.3 閥門運(yùn)動(dòng)副卡滯卡死故障的機(jī)理

按照鮑登、泰伯教授的理論[3]，總的摩擦磨損等于微凸接觸面剪切摩擦磨損和“犁溝”摩擦磨損兩項(xiàng)之和。

閥門的運(yùn)動(dòng)副只要相互接觸、相對(duì)運(yùn)動(dòng)，就會(huì)發(fā)生上述摩擦磨損[5]。當(dāng)總的摩擦磨損力小于閥門的驅(qū)動(dòng)力時(shí)，運(yùn)動(dòng)副的運(yùn)動(dòng)件在驅(qū)動(dòng)力的作用下，使閥門運(yùn)動(dòng)副能正常動(dòng)作；隨著運(yùn)動(dòng)副的動(dòng)作次數(shù)增加、工況環(huán)境變化等，總的摩擦磨損力會(huì)加大，當(dāng)這個(gè)力尚小大于閥門驅(qū)動(dòng)力時(shí)，閥門雖還能運(yùn)動(dòng)，但其安全裕度下降了，這就是閥門運(yùn)動(dòng)副的卡滯；當(dāng)總的摩擦磨損力增大到等于或超過(guò)閥門驅(qū)動(dòng)力時(shí)，閥門則不能運(yùn)動(dòng)了，這就是閥門運(yùn)動(dòng)副的卡死。

材料在低溫環(huán)境下的收縮也會(huì)使運(yùn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)間隙減小而產(chǎn)生閥門運(yùn)動(dòng)副的卡死；此外，如果在閥門運(yùn)動(dòng)副的結(jié)構(gòu)間隙中殘留有能在低溫、超低溫下結(jié)凍的多余物（液體、氣體、固體），就會(huì)在結(jié)凍的運(yùn)動(dòng)副表面產(chǎn)生巨大的結(jié)合力，大大地超過(guò)閥門驅(qū)動(dòng)力，使閥門不能運(yùn)動(dòng)。

4 低溫閥門運(yùn)動(dòng)副的可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及防卡滯設(shè)計(jì)措施

4.1 低溫閥門運(yùn)動(dòng)副可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

液氫液氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)閥門運(yùn)動(dòng)副可靠性設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則有：

1）盡量減小和控制運(yùn)動(dòng)副之間的摩擦磨損；

2）增大閥門驅(qū)動(dòng)力，使其大到數(shù)倍于摩擦磨損力，保證閥門可靠動(dòng)作；

3）限制工況環(huán)境變化的范圍，控制運(yùn)動(dòng)副之間摩擦磨損的程度；

4）要在設(shè)計(jì)、加工、試驗(yàn)、測(cè)試、發(fā)射的全過(guò)程中控制運(yùn)動(dòng)副之間摩擦磨損力始終小于閥門的驅(qū)動(dòng)力，使閥門可靠動(dòng)作；

5）要考慮到閥門運(yùn)動(dòng)副材料的低溫收縮系數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)間隙的影響；

6）要采用設(shè)計(jì)、裝配、吹除置換、真空干燥、氦氣封存、真空封存等手段，防止在閥門運(yùn)動(dòng)副的結(jié)構(gòu)間隙中殘留有低溫、超低溫下結(jié)凍的物質(zhì)。

4.2 低溫閥門運(yùn)動(dòng)副的防卡滯設(shè)計(jì)措施

低溫閥門運(yùn)動(dòng)副防卡滯設(shè)計(jì)措施見表7。

表7 低溫閥門防止運(yùn)動(dòng)副卡滯的設(shè)計(jì)措施Table 7 Anti-sticking methods for low-temperature valves

5 某氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)控制閥運(yùn)動(dòng)副卡滯故障分析實(shí)例

在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)某氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)控制閥有運(yùn)動(dòng)副卡滯故障，其故障定位和原因、改進(jìn)措施和效果如下。

5.1 故障定位

氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)控制閥運(yùn)動(dòng)副卡滯故障定位見表8。故障定位在表8的圖中推拉桿和導(dǎo)套外圓磨損處。

表8 氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)控制閥運(yùn)動(dòng)副卡滯故障Table 8 Sticking of control valves of liquid hydrogen/oxygen rocket

5.2 故障原因

1）運(yùn)動(dòng)副導(dǎo)套和卡環(huán)為同種材料（1Cr18Ni9Ti），容易產(chǎn)生黏著磨損；

2）運(yùn)動(dòng)副導(dǎo)套和卡環(huán)之間間隙偏小，單邊間隙只有0.1 mm；

3）卡環(huán)邊角偏小，圓角僅為0.3 mm；

4）運(yùn)動(dòng)次數(shù)過(guò)多，空氣試驗(yàn)的干摩擦次數(shù)500次以上。

5.3 改進(jìn)措施

控制閥運(yùn)動(dòng)副卡滯故障排除及改進(jìn)措施見表9。

表9 控制閥運(yùn)動(dòng)副卡滯故障排除及改進(jìn)措施Table 9 Improvement measures for the sticking of control valves

5.4 改進(jìn)效果

控制閥運(yùn)動(dòng)副的改進(jìn)效果見表10。

總之，控制閥運(yùn)動(dòng)副經(jīng)改進(jìn)后：1）閥門運(yùn)動(dòng)副的摩擦磨損大大降低了；2）閥門的關(guān)閉安全裕度加大了；3）閥門運(yùn)動(dòng)副的卡滯故障排除了；4）參加發(fā)動(dòng)機(jī)熱試車成功。

表10 控制閥運(yùn)動(dòng)副的改進(jìn)效果Table 10 The improvement of the control valves

6 結(jié)論

根據(jù)本文所述國(guó)內(nèi)外火箭發(fā)動(dòng)機(jī)低溫閥門卡滯卡死故障的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、故障機(jī)理、可靠性設(shè)計(jì)和防卡滯設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、故障排除及改進(jìn)措施，結(jié)合實(shí)際案例分析，可得出如下結(jié)論：

1）液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)閥門故障占液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)故障總數(shù)的30%左右；

2）液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)閥門卡滯卡死故障約占閥門各種故障的40%左右；

3）閥門卡滯卡死的故障機(jī)理是金屬表面微凸接觸面的粘著和“犁溝”摩擦磨損所致；

4）應(yīng)該從閥門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)要求、測(cè)量檢測(cè)等要素入手，減少和控制運(yùn)動(dòng)件的摩擦磨損，防止航天發(fā)動(dòng)機(jī)和航天器的閥門發(fā)生卡滯卡死故障；

5）低溫閥門應(yīng)考慮材料的收縮系數(shù)對(duì)間隙的影響，應(yīng)從設(shè)計(jì)、工藝、試驗(yàn)上防止在閥門運(yùn)動(dòng)副的結(jié)構(gòu)間隙中殘留有低溫、超低溫下結(jié)凍的物質(zhì)（液體、氣體、固體），防止閥門發(fā)生卡滯卡死故障；

6）采取不銹鋼運(yùn)動(dòng)副金屬表面鍍氮化鈦、適當(dāng)加大運(yùn)動(dòng)副間隙、加大尖邊圓角、增加彈簧力等措施，確能減少閥門運(yùn)動(dòng)副的摩擦磨損，防止卡滯卡死故障的發(fā)生。

（References）

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[2]張宗美. 航天故障手冊(cè)[M]. 北京: 宇航出版社, 1994

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[4]孫家摳. 金屬的摩擦[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 1999

[5]紹荷生. 摩擦與磨損[M]. 北京: 煤炭工業(yè)出版社,1992