膜片閥破裂壓力穩(wěn)定性研究

白少卿，孫 亮

（西安航天動力研究所，陜西西安710100）

0 引言

膜片隔離閥廣泛應用于單組元液體火箭發(fā)動機推進劑貯存與供應系統(tǒng)中，對預包裝的推進劑進行封存隔離，具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、成本低的特點。當發(fā)動機啟動時，膜片在一定的擠壓壓力作用下破裂，使推進劑充填到發(fā)動機控制閥前，完成待機準備。為了控制膜片的破裂壓力和破裂部位，并防止膜片破裂時產(chǎn)生掉屑，通常在膜片上要預制一定形狀的刻痕。

膜片破裂壓力是膜片閥最關鍵的性能參數(shù)。從系統(tǒng)安全性和工作可靠性考慮，通常將破裂壓力值限定在較小的范圍。影響膜片破裂壓力的因素很多，如原材料、加工、測量、試驗系統(tǒng)等，任一影響因素的偏差，都可能導致同批生產(chǎn)的膜片破裂壓力偏離設計要求或出現(xiàn)較大散差，不能夠滿足驗收要求。由于膜片閥為單次工作閥門，實際應用中膜片采用批次生產(chǎn)、同批膜片抽樣進行破裂壓力試驗的方法，保證膜片刻痕剩余厚度范圍能夠滿足破裂壓力要求。本文主要研究膜片破裂壓力的影響因素和提高破裂壓力穩(wěn)定性的控制方法，并通過理論計算、應力分析和試驗驗證的方法，驗證了膜片破裂壓力控制方法的可行性和有效性。

1 膜片技術(shù)狀態(tài)

本文以某姿控動力系統(tǒng)貯箱出口膜片組件為例。該膜片組件入口（膜片無刻痕面）直接接觸推進劑，出口（膜片刻痕面）與下游管路連接，系統(tǒng)要求膜片破裂壓力為1.4±0.4 MPa。膜片材料為純鈦帶，厚度為0.14 mm，刻痕型式為單鉸型，刻痕直徑為Φ15.6 mm，試驗氣密壓力為0.4 MPa。膜片組件和膜片結(jié)構(gòu)示意圖分別見圖1和圖2。

圖1 膜片組件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of membrane subassembly

圖2 膜片結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of membrane

2 膜片破裂壓力理論計算

膜片在加壓破裂過程中受壓時將會引起向非加壓一側(cè)變形（鼓起），即膜片破裂為拉伸和剪切綜合作用的結(jié)果。膜片承受壓力為均勻作用在整個平面上，因此結(jié)構(gòu)最薄弱處為剩余厚度最小刻痕部位。膜片破裂時，刻痕應力最大處首先發(fā)生屈服并撕裂，進一步沿刻痕撕裂整個膜片。

由于膜片受壓引起的變形比較復雜，設計時以純剪切破壞原理簡化計算膜片破裂壓力，以整圓周刻痕近似計算剩余厚度。

由公式

式中：δ為膜片剩余厚度，mm；τ為切應力，MPa；d為刻痕直徑，mm；p為膜片破裂壓力，MPa。

對于塑性材料，一般取切應力τ=(0.5～0.6)σb，后續(xù)研制中可以根據(jù)選用材料和膜片實際破裂壓力對系數(shù)進行修正。

3 破裂壓力影響因素及應力分析

根據(jù)公式（1），膜片破裂壓力與材料抗拉強度、刻痕剩余厚度成正比關系，與刻痕直徑成反比關系。根據(jù)膜片研制經(jīng)驗，膜片破裂壓力還受到膜片支撐處尺寸、刻痕偏心和試驗系統(tǒng)等因素的影響。

為研究影響因素中膜片尺寸參數(shù)對膜片破裂壓力的影響程度，在保持相同壓力的情況下，分別對由于膜片剩余厚度偏差、刻痕直徑偏差、膜片支撐處尺寸偏差和刻痕偏心等因素造成的膜片最大應力差異進行計算分析。由于膜片刻痕部位尺寸很小，并且硬件計算能力有限，有限元網(wǎng)格不能無限細化，無法對微小的變化帶來的影響進行準確的定量計算，應力計算結(jié)果僅作為定性分析的參考。

不考慮彈性模量和塑性的非線性因素，按照刻痕底部寬度0.2 mm、槽口寬度約0.4 mm（模具決定）計算。采用ANSYS靜態(tài)結(jié)構(gòu)計算模塊，對標準狀態(tài)膜片（剩余厚度為0.07 mm、刻痕直徑為φ15.6 mm、無偏心）和單一影響因素作用狀態(tài)下的膜片分別進行應力計算和對比分析，標準狀態(tài)膜片應力分布見圖3，對比情況見表1。

圖3 膜片應力分布圖Fig.3 Distribution of diaphragm stress

表1 不同因素對膜片應力影響情況對比Tab.1 Influence of different factors on diaphragm stress

仿真計算結(jié)果表明：

1）膜片受壓時最大應力出現(xiàn)在刻痕部位；

2）膜片刻痕剩余厚度對破裂壓力影響最大，1 μm剩余厚度變化導致膜片最大應力變化約5.92 MPa，刻痕加工時確保剩余厚度準確控制在設計范圍內(nèi)，并保證同批膜片剩余厚度的一致性；

3）膜片組件刻痕偏心和刻痕直徑偏差對破裂壓力影響也較大，1 μm偏差導致膜片最大應力變化分別為0.12 MPa和0.08 MPa，加工時應嚴格控制。

4 控制措施

在膜片破裂壓力影響因素中，刻痕直徑、外圓和膜片支撐處尺寸均為設計參數(shù)。通常在設計文件中對其加工尺寸有嚴格要求，在生產(chǎn)過程中進行嚴格控制，并且膜片加工后需要對外圓毛刺進行修整以保證刻痕不發(fā)生較大的偏心。因此，刻痕直徑、膜片支撐處尺寸和刻痕偏心這三個影響因素在正常生產(chǎn)過程中即可得到較好的控制。為保證膜片閥破裂壓力的穩(wěn)定性，還需要對膜片生產(chǎn)和試驗過程中容易出現(xiàn)較大偏差的三個影響因素，即材料抗拉強度、刻痕剩余厚度和試驗系統(tǒng)狀態(tài)采取控制措施。

4.1 材料抗拉強度控制

膜片常用的材料有純鋁、純鈦和不銹鋼等。原材料抗拉強度值與膜片刻痕剩余厚度值、破裂壓力值緊密相關，原材料抗拉強度值的范圍也直接決定了同一種膜片在固定刻痕直徑和剩余厚度的情況下，膜片破裂壓力的范圍。為保證膜片破裂壓力滿足要求，對原材料抗拉強度采取的控制措施為：

1）對于抗拉強度散差較小的原材料（小于30 MPa），可復驗后直接使用；

2）對于抗拉強度散差較大的原材料，可通過控制供貨原材料抗拉強度散差在一較小范圍（50～70 MPa，可通過嚴格控制退火溫度和退火時間實現(xiàn)），將其分為單卷抗拉強度散差較?。ú淮笥?0 MPa）的小卷（1～1.5 kg）進行復驗和驗收，并于使用前通過工藝試驗確認該卷材料加工膜片的各項參數(shù)。

4.2 刻痕剩余厚度控制

影響膜片刻痕剩余厚度的因素不僅包括刻痕的加工方法，刻痕剩余厚度測量是否準確同樣對膜片破裂壓力影響很大。因此，膜片刻痕剩余厚度的控制，主要包含對刻痕加工方法的控制和對刻痕剩余厚度測量的控制兩個方面。

4.2.1 刻痕加工方法的控制

對于純鋁等機械性能較低的材料，由于其加工性好，通過機械沖壓的加工方法，即可較好的控制刻痕深度和一致性。

對于純鈦等機械性能較高的材料，如采用傳統(tǒng)的機械沖壓方法加工刻痕，需要刀具采用高力學性能的材料，并對刀具的型面加工精度也提出較高要求，才能保證膜片刻痕不出現(xiàn)散差較大和加工效率較低的問題。因此，對于膜片使用機械性能較高材料的情況，可采用光刻化銑工藝加工刻痕。通過將膜片刻痕深度設計至約為母材厚度一半，膜片外圓雙向化銑而內(nèi)圓（刻痕）單向化銑，化銑液增加穩(wěn)定劑的方法，能夠很好地保證單件膜片及整批膜片刻痕剩余厚度的一致性，極大提高膜片合格率。

4.2.2 刻痕剩余厚度測量的控制

膜片刻痕剩余厚度值與破裂壓力存在對應關系，而剩余厚度值是通過測量而得，因此測量的準確性也是決定膜片破裂壓力的關鍵因素。通常，刻痕剩余厚度的測量包括接觸式測量方法和非接觸式測量方法，對其采取的控制措施為：

1）接觸式測量方法能夠直接測量刻痕剩余厚度值?？刹扇】毯蹐A周5點均布測量，使用高精度測量儀器（微米級及以上），控制測頭尺寸不大于刻痕底部尺寸，單點剩余厚度復測確認，控制膜片平面度、定人定崗等方法進行控制。

2）非接觸式測量方法是通過分別測量刻痕深度和母材厚度來換算出刻痕剩余厚度值，并且通常精度可控制在納米級。因此，采用非接觸式測量方法進行刻痕深度測量時，應保證膜片具有較高的平面度，以保證測量結(jié)果的準確性。

4.3 試驗系統(tǒng)狀態(tài)控制

試驗系統(tǒng)對膜片破裂壓力的影響主要來自于兩方面：一是膜片安裝工裝可能給膜片帶來的不同于實際工作狀態(tài)的幾何參數(shù)影響，最常見的是膜片支撐處直徑的差異；二是試驗系統(tǒng)對膜片增壓速度的一致性控制。針對試驗系統(tǒng)采取的控制措施為：

1）膜片破裂壓力工藝摸索試驗和膜片驗收破裂試驗均采用真實膜片閥體為工裝，并按照真實產(chǎn)品進行裝配，以保證試驗狀態(tài)和真實產(chǎn)品狀態(tài)一致，消除試驗工裝對試驗產(chǎn)品狀態(tài)的影響；

2）通過在試驗系統(tǒng)中增加限流裝置和壓力容器，并摸索限流裝置通徑與壓力容器體積的匹配關系，保證在系統(tǒng)工作壓力下，膜片從開始增壓至最終破裂的時間有效控制在要求范圍內(nèi)。

5 驗證情況

某姿控動力系統(tǒng)貯箱出口膜片組件首批產(chǎn)品研制中，膜片抽樣進行破裂壓力試驗時1件產(chǎn)品出現(xiàn)0.82 MPa低壓破裂，加倍抽檢又出現(xiàn)1件產(chǎn)品高壓1.9 MPa破裂的問題，超出系統(tǒng)要求的1.4±0.4 MPa的要求，故障率達到7.1%。針對該問題進行了膜片破裂壓力穩(wěn)定性專項攻關。采用頭腦風暴法，從人、機、法、料、環(huán)及加工過程對影響光刻膜片破裂壓力的各種原因進行現(xiàn)場了解、分析、討論與整理，最終確定材料抗拉強度、刻痕剩余厚度和試驗系統(tǒng)狀態(tài)三個因素為影響膜片破裂壓力穩(wěn)定性的主要原因，并采取了上述控制措施。后續(xù)多批次膜片生產(chǎn)和驗收中，均未出現(xiàn)破裂壓力超差的問題，膜片破裂壓力穩(wěn)定性得到了保證，具體情況見表2。

表2 采取控制措施后膜片破裂試驗情況Tab.2 Results of bursting test for membrane valve using control measures

6 結(jié)束語

影響膜片破裂壓力穩(wěn)定性的因素很多，本文通過理論分析和應力計算對各因素進行了梳理和分析，提出需著重控制3個影響因素：材料抗拉強度、刻痕剩余厚度和試驗系統(tǒng)狀態(tài)。該方法通過了某姿控動力系統(tǒng)貯箱后膜片組件研制的驗證，可推廣應用于同類產(chǎn)品的研制。

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