水擊壓力校準系統(tǒng)快關閥的研發(fā)與應用

王乃世，羅 軍，張俊鋒

(西安航天動力試驗技術研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

在液體火箭發(fā)動機試驗入口閥啟閉迅速的情況下，必然會引起管路中流體流速的急劇變化，同時會伴隨著液體壓力交替升降，交替升降的壓力作用在管路或閥上就像錘擊一樣，這種液流的不穩(wěn)定現(xiàn)象稱為水擊現(xiàn)象，交替升降的壓力稱為水擊壓力。水擊壓力數(shù)據(jù)是發(fā)動機結(jié)構(gòu)、主閥、試驗系統(tǒng)入口管路、試車架結(jié)構(gòu)設計可靠性的主要參考依據(jù)。為了準確獲得水擊壓力數(shù)據(jù)，首先要對測量用的水擊壓力傳感器進行現(xiàn)場動態(tài)標定，為了獲得真實的現(xiàn)場校準數(shù)據(jù)，需要設計一套能夠模擬發(fā)動機試驗啟閉過程的校準裝置。

由于水擊壓力現(xiàn)場校準裝置需要產(chǎn)生瞬態(tài)水擊壓力，為了模擬真實試驗狀態(tài)，設計了快關閥，要求閥關閉速度滿足產(chǎn)生預定水擊壓力的要求，完成水擊壓力現(xiàn)場校準。

1 設計要求

液體水擊壓力主要是試驗時入口隔離電爆閥快速開啟和關閉情況下產(chǎn)生的，根據(jù)電爆閥性能試驗結(jié)構(gòu)，其開關閥速度可達到7～10 ms。快關閥作為水擊壓力發(fā)生源系統(tǒng)的關鍵設備，要求其關閉速度能夠達到電爆閥關閉速度條件，以盡量使現(xiàn)場試驗條件與發(fā)動機試驗程序一致，同時要求其結(jié)構(gòu)可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)高沖擊壓力下的密封。目前，市場通用閥開關速度一般在100 ms以上，難以實現(xiàn)本試驗系統(tǒng)閥快速關閉要求。要使快關閥關閉速度達到5 ms或小于5 ms，必須通過特殊方式實現(xiàn)。

根據(jù)水擊發(fā)生原理和試驗過程中的變化規(guī)律，快關閥需要能夠?qū)崿F(xiàn)快速關閉，其關閉速度(從全開到全關)能夠達到與電爆閥相當(≤8 ms)的要求。因此，對于快關閥研制提出以下條件：一是關閥速度滿足水擊壓力發(fā)生和變化需求，閥設計關閉速度要求≤5 ms；二是快關閥在關閉瞬間產(chǎn)生最大水擊壓力(10 MPa)時能夠可靠密封。

2 設計方案

2.1 方案選擇

根據(jù)要求選用的快關閥公稱直徑為50 mm，閥有效行程不小于1/4D=12.5 mm，實現(xiàn)≤5 ms的關閥速度，閥運動盡可能簡單，傳動環(huán)節(jié)盡可能少。閥基本型式選擇截止閥結(jié)構(gòu)，采用2～5 MPa氣源的氣動機構(gòu)驅(qū)動，采用金屬材料脆性斷裂裝置和提高關閉初始加速度的方式提高閥關閉(從全開至全關)速度。

2.2 關鍵技術分析

快關閥(見圖1)主要由氣動機構(gòu)、閥本體、脆性斷裂裝置及連接件等組成。其中驅(qū)動機構(gòu)包括氣缸、活塞及復位彈簧等。由控制氣源驅(qū)動活塞向下運動，實現(xiàn)閥關閉，復位彈簧用于閥自動打開。閥體由閥桿、閥頭、閥座及密封副等組成，完成閥密封實現(xiàn)介質(zhì)切斷。脆性斷裂裝置包括脆性片、沖壓頭和脆性片支座。沖壓頭與閥桿連接為一體，隨閥桿運動。脆性片支座安裝在閥殼體上，用于脆性片安裝固定。氣動機構(gòu)設計時增大了活塞下方端蓋氣隙，使閥關閉時活塞下方空氣快速排出，氣動阻力較小。

閥使用時，首先安裝指定規(guī)格的脆性片，然后打開控制氣閥，使控制氣開始填充，氣腔內(nèi)壓力達到脆性片斷裂壓力后，閥突然啟動，閥頭與閥座閉合實現(xiàn)閥的快速關閉。再次試驗時，關閉控制氣閥，將氣腔內(nèi)控制氣放掉，在復位彈簧恢復力作用下閥恢復打開狀態(tài)。

在保證密封效果前提下，快關閥研制關鍵在于脆性片性能。要求脆性片在2～5 MPa控制氣壓力下能夠按預期斷裂，同時，斷裂力值必須達到要求值，閥運動機構(gòu)才能獲得滿足關閉速度要求的初始加速度。

2.3 技術途徑解決方法

快關閥所用脆性片材料需保證斷裂時斷口整齊、均勻，斷裂力值便于控制。為選擇脆性片材料，對三種材料進行了壓斷試驗，以摸索斷裂力值和斷裂效果。進行壓斷試驗的裝置原理如圖2所示，斷裂結(jié)果見表1。

圖2 脆性片斷裂試驗裝置

表1 脆性材料試驗結(jié)果

由斷裂試驗結(jié)果可知，對硬塑料、鑄鐵、錫青銅三種材料的脆性片進行斷裂試驗，脆性材料試驗結(jié)果表明，在驅(qū)動氣壓力調(diào)節(jié)至2 MPa時，塑料片開始出現(xiàn)裂紋。整個塑料片變形較大，無法達到脆性斷裂的要求；鑄鐵片加載至4 MPa時，鑄鐵片開始斷裂，觀察斷裂口發(fā)現(xiàn)鑄鐵片斷裂為脆性斷裂，但斷口不整齊，容易造成夾料使閥無法正常關閉；錫青銅片在加載至5 MPa時出現(xiàn)變形但未斷裂。為驗證錫青銅斷裂情況。加工了一組不同厚度的錫青銅片用于試驗，最終在凹槽部位錫青銅片厚度為0.2 mm、操縱氣壓力5 MPa時實現(xiàn)斷裂，且斷口呈現(xiàn)為較為規(guī)則的圓環(huán)狀。且不同厚度錫青銅脆性片斷裂力值呈現(xiàn)規(guī)律性。根據(jù)以上試驗結(jié)果，選擇錫青銅(QSn6.5-0.1)材料為最終快關閥脆性片材料。脆性片結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 脆性片結(jié)構(gòu)

脆性片固定在支座上，為一圓環(huán)狀結(jié)構(gòu)，保證脆性片剛度，中部刻有環(huán)槽，使脆性片在受到?jīng)_擊時便于斷裂，斷口更加規(guī)則。脆性片中部向一側(cè)開有U型缺口，便于在閥桿部位安裝。

材料受沖擊斷裂的斷裂力為：

p=0.9Ltσb

(1)

式中：p為脆性片斷裂力，N；L為沖裁部分周線長度，mm；t為沖斷材料厚度，mm；σb為材料極限拉應力，MPa。以0.4 mm厚度脆性片尺寸進行計算，所用脆性片斷裂力值約為16.7 kN。

閥驅(qū)動力為：

F=η(F0+G-pLAS)=η(pA0+Mg-pLAS)

(2)

式中：F為閥驅(qū)動力，N；F0為控制氣施加在活塞上的壓力，MPa；η為驅(qū)動效率，不包含摩擦阻力和氣動阻力，η=0.7；M為運動機構(gòu)的總質(zhì)量，kg；pL為過流介質(zhì)壓力，MPa；A0為活塞有效面積，mm2；AS為閥密封面積，mm2。

要使脆性片發(fā)生脆性斷裂，需F≥p，即閥驅(qū)動力大于材料斷裂力值。根據(jù)上式進行計算，要使脆性片斷裂，閥控制氣壓力最低為2.8 MPa。滿足2～5 MPa控制氣壓力下完全能夠?qū)崿F(xiàn)脆性片的脆性斷裂。

2.4 結(jié)果驗證

將設計的脆性片用于快關閥，驗證快關閥關閉時間?？紤]控制氣持續(xù)充填效果，利用經(jīng)典牛頓公式進行迭代計算，閥在5 MPa控制氣驅(qū)動條件下關閉時間為3.1 ms，由于驅(qū)動效率選擇偏保守，閥關閉時間應小于3.1 ms。對閥實際關閉速度進行了多次驗證試驗。根據(jù)系統(tǒng)水擊壓力發(fā)生曲線可知，系統(tǒng)水擊壓力第一峰上升壓力時間平均為2.4 ms，根據(jù)系統(tǒng)水擊壓力規(guī)律計算，直接水擊壓力上升時間為2.57 ms，此結(jié)果未包含現(xiàn)場條件誤差。同時比較閥信號反饋數(shù)據(jù)，閥關閉時間為3.25 ms和3.47 ms，考慮信號傳導和感應時間誤差，認為閥實際關閉時間約為3 ms。快關閥設計滿足使用要求。

3 實際應用

快關閥在水擊壓力現(xiàn)場動態(tài)校準試驗過程中進行了應用，為驗證實際使用效果，將某次試驗數(shù)據(jù)與用快關閥產(chǎn)生的水擊壓力曲線進行比對，兩次的試驗狀態(tài)和使用的傳感器等設備基本一致。

從結(jié)果可知，某次試驗水擊壓力上升時間為1.4 ms，兩次水擊壓力校準曲線水擊壓力上升時間為1.7 ms，水擊壓力發(fā)生時間相當，且水擊壓力發(fā)生值大于發(fā)動機試驗過程。根據(jù)水擊計算公式，水擊壓力值與閥動作時間有關?？礻P閥關閉速度比電爆閥快，在此前提下試驗結(jié)果與理論計算結(jié)果符合，快關閥關閉速度滿足要求，完全可用于水擊壓力現(xiàn)場校準試驗。通過調(diào)節(jié)控制氣壓力、更換不同剪裁厚度的脆性片進行試驗，脆性片斷裂效果良好，閥關閉速度均滿足要求，可實現(xiàn)預定水擊壓力值發(fā)生控制，數(shù)據(jù)曲線與試驗狀態(tài)基本一致，達到了水擊壓力現(xiàn)場動態(tài)校準系統(tǒng)對快關閥的要求。

4 結(jié)論

水擊壓力現(xiàn)場動態(tài)校準系統(tǒng)快關閥利用金屬材料脆性斷裂原理進行了詳細的結(jié)構(gòu)設計和驗證試驗，成功應用于水擊壓力發(fā)生源，實現(xiàn)了≤5 ms關閉速度的要求，達到原有試驗系統(tǒng)能力的包絡范圍。