低溫環(huán)境對(duì)氣體減壓閥調(diào)節(jié)特性的影響

田 川，廉英琦，雷小飛，羅大亮

(1.空軍裝備部駐西安地區(qū)軍事代表局，陜西 西安 710043；2.西安航天動(dòng)力研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

氣體減壓閥是擠壓式軌姿控發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵組件，其出口壓力特性直接決定了系統(tǒng)推力性能，也影響到推力室工作的可靠性[1-2]。減壓閥在制造時(shí)通過(guò)調(diào)整彈簧力預(yù)先設(shè)定出口壓力值。減壓閥在閥芯開(kāi)始動(dòng)作的瞬間，閥芯處于最大開(kāi)度，高壓氣體以最大流量充填出口容腔，當(dāng)出口容腔壓力達(dá)到關(guān)閉壓力時(shí)，閥芯開(kāi)始向關(guān)閉方向運(yùn)動(dòng)，這個(gè)過(guò)程中出口壓力一般表現(xiàn)為較高的壓力峰值，然后下降到平衡壓力。出口壓力穩(wěn)定的過(guò)程則是作用在減壓閥運(yùn)動(dòng)部件上力的動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程，往往會(huì)引起出口壓力振蕩[3]。發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)要求減壓閥在流量大范圍快速變化情況下動(dòng)態(tài)特性穩(wěn)定、出口壓力偏差小。

減壓閥出口壓力特性受到諸多因素的影響。尤裕榮、曾維亮等人的研究表明，摩擦力、流體穩(wěn)態(tài)力對(duì)減壓閥靜態(tài)特性偏差有不同程度的影響，并對(duì)此進(jìn)行仿真分析，研究了氣體壓力、溫度、流量及閥芯開(kāi)度等參數(shù)對(duì)減壓閥啟動(dòng)特性的影響，提出了減壓閥優(yōu)化設(shè)計(jì)的措施[3-4]。曹明主要討論了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)減壓閥靜態(tài)特性的影響[5]。朱建國(guó)等人討論了閥芯開(kāi)度、限流圈、管路系統(tǒng)等因素對(duì)減壓閥動(dòng)作瞬間壓力峰值及振蕩的影響，提出了抑制振蕩的措施[6]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)減壓閥特性的研究主要關(guān)注結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響[7-15]，少有涉及低溫環(huán)境對(duì)減壓閥特性的影響。

本文針對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)用氣體減壓閥低溫工作特性，開(kāi)展動(dòng)態(tài)仿真和試驗(yàn)研究，獲得了減壓閥出口壓力特性隨溫度變化的規(guī)律，分析了低溫環(huán)境影響減壓閥特性的主要因素，為減壓閥低溫工作特性趨勢(shì)判斷提供依據(jù)。

1 低溫環(huán)境影響分析

典型逆向式減壓閥結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，主要由主副彈簧、密封圈、閥芯、閥座、膜片以及阻尼罩組成。減壓閥的動(dòng)態(tài)特性本質(zhì)上是閥芯在氣體介質(zhì)力作用下受力的動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程。軌姿控發(fā)動(dòng)機(jī)用減壓閥最低使用環(huán)境溫度一般為-35～-50 ℃，該溫度環(huán)境影響減壓閥閥芯受力和調(diào)節(jié)特性的主要因素包括：

1)剛度變化：減壓閥的剛度由彈簧和膜片共同組成，低溫環(huán)境下，材料彈性模量發(fā)生變化，偏離設(shè)計(jì)的額定點(diǎn)，導(dǎo)致減壓閥動(dòng)態(tài)特性發(fā)生變化；

2)阻尼變化：減壓閥閥芯運(yùn)動(dòng)阻尼主要受到膠圈摩擦力的影響。低溫環(huán)境下，橡膠收縮和潤(rùn)滑脂性能降低導(dǎo)致閥芯運(yùn)動(dòng)阻尼發(fā)生變化，導(dǎo)致減壓閥動(dòng)態(tài)特性發(fā)生變化。

1—副彈簧；2—密封圈；3—閥芯；4—閥座； 5—膜片；6—阻尼罩；7—主彈簧。 圖1 逆向卸荷式減壓閥工作原理圖Fig.1 Diagram of reverse unloading PRV

2 動(dòng)態(tài)仿真分析

對(duì)減壓閥低溫動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真及分析，以剛度和阻尼為要素研究其對(duì)減壓閥低溫特性的影響。

2.1 彈簧剛度變化對(duì)調(diào)節(jié)特性的影響

根據(jù)GB/T 23935—2009圓柱螺旋彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，圓柱螺旋壓縮彈簧剛度

(1)

式中：G為材料切變模量， MPa；d為彈簧絲徑，mm；D為彈簧中徑，mm；n為彈簧有效圈數(shù)。

假設(shè)減壓閥彈簧常溫工作溫度為20 ℃，低溫為-35 ℃，則溫差為55 ℃。在此溫度下彈簧剛度變化率

(2)

可得

(3)

(4)

由式(4)可得低溫下彈簧剛度變化率主要由材料的切變模量變化率決定。假設(shè)低溫下材料切變模量隨溫度近似線性變化，通過(guò)插值法可以得到不同溫度下的不銹鋼材料切變模量，進(jìn)而得到不同溫度下的彈簧剛度，如表1所示。

表1 不銹鋼彈簧低溫剛度Tab.1 Low temperature stiffness of stainless steel spring

建立典型逆向式結(jié)構(gòu)減壓閥的AMESim仿真模型，如圖2所示，采用表1計(jì)算的彈簧剛度對(duì)減壓閥在溫度為20、0、-15、-35 ℃時(shí)啟動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真。氣體介質(zhì)采用氮?dú)?，入口壓力?8 MPa；出口壓力隨時(shí)間變化的仿真結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，隨著溫度降低啟動(dòng)瞬間壓力峰值及穩(wěn)定后出口壓力均略有升高，但壓力峰值與穩(wěn)態(tài)出口壓力的比值為1.092～1.121，差別較小(相對(duì)變化2.66%)。

圖2 減壓閥仿真模型Fig.2 Simulation model of PRV

圖3 不同彈簧剛度條件下出口壓力動(dòng)態(tài)仿真曲線Fig.3 Dynamic simulation curve of outlet pressure at different stiffness of spring

2.2 膜片剛度變化對(duì)調(diào)節(jié)特性的影響

軌姿控發(fā)動(dòng)機(jī)用減壓閥常使用橡膠膜片作為感壓元件，具有出口壓力精度高、結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)。橡膠作為一種有機(jī)高分子材料，具有高彈性、大變形、壓縮性差等超彈性力學(xué)特性。相比普通金屬材料，橡膠的彈性階段材料屬性有著顯著差異，其具有發(fā)生大變形而不發(fā)生破壞的能力。而且在小變形區(qū)域內(nèi)，橡膠材料的彈性模量不是一個(gè)定值，因此無(wú)法使用常用的賦予各向同性材料屬性的方法對(duì)膜片的剛度進(jìn)行計(jì)算。

圖4 不同溫度下膜片應(yīng)力與變形仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of directional deformation and equivalent stress of diaphragm at different temperatures

研究人員常采用應(yīng)變能函數(shù)W(E)來(lái)描述超彈性材料的力學(xué)性能，該函數(shù)可以準(zhǔn)確描述橡膠等超彈性材料。很多學(xué)者使用唯象的方法，提出了多種基于應(yīng)變能函數(shù)的超彈性材料本構(gòu)方程。針對(duì)橡膠材料的本構(gòu)模型包括Ogden-Tschegl模型、Klosner-Segal模型、Monney-Rivlin模型等。其中Monney-Rivlin模型(M—R模型)更貼近橡膠材料真實(shí)特性，且被大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[16-18]。M—R模型的一般形式為

(5)

式中：akl為 M—R關(guān)系系數(shù)；K為體積模量(超彈性材料的不可壓縮性)。

M—R模型依據(jù)參數(shù)不同，分為2、5和9參數(shù)M—R模型。針對(duì)不同型號(hào)的超彈性材料，需要進(jìn)行材料的單軸拉伸、單軸壓縮、平面剪切等材料力學(xué)性能測(cè)試，通過(guò)參數(shù)擬合方法得到這些參數(shù)，從而完成針對(duì)一種材料的M—R材料本構(gòu)模型的構(gòu)建。

針對(duì)航天丁腈橡膠材料，傅海明開(kāi)展不同溫度下的材料力學(xué)試驗(yàn)，并擬合出不同溫度下航天丁腈橡膠材料的9參數(shù)M—R本構(gòu)模型[19]，該模型能較準(zhǔn)確地反映丁腈橡膠材料在常溫、低溫下的力學(xué)性能，因此適用于本減壓閥橡膠膜片的剛度分析。

采用有限元分析對(duì)膜片剛度進(jìn)行仿真計(jì)算。材料參數(shù)設(shè)置為超彈性模型，選擇9參數(shù)M—R本構(gòu)模型。改變環(huán)境溫度，分別設(shè)置-35、-15、20 ℃以計(jì)算不同溫度下膜片的剛度。仿真結(jié)果如圖4所示，剛度計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 不同溫度膜片剛度計(jì)算結(jié)果Tab.2 Computation results of diaphragm stiffness at different temperatures

由上述彈簧剛度及膜片剛度的分析計(jì)算可以看出，-35 ℃膜片剛度相對(duì)于20 ℃時(shí)的變化量遠(yuǎn)大于彈簧在相同溫差下的變化量，達(dá)到了8.7倍。因此低溫下減壓閥由于剛度變化而發(fā)生的特性差異主要是由膜片剛度變化引起的。

引入膜片剛度的變化，對(duì)減壓閥在不同溫度下啟動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真。出口壓力隨時(shí)間變化的仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同膜片剛度條件下出口壓力動(dòng)態(tài)仿真曲線Fig.5 Dynamic simulation curve of outlet pressure at different stiffness of diaphragm

由圖5可以看出，隨著溫度降低啟動(dòng)瞬間壓力峰值及穩(wěn)定后出口壓力均略有升高，但壓力峰值與穩(wěn)態(tài)出口壓力的比值為1.092～1.259，差別明顯(相對(duì)變化15.29%，約在彈簧剛度變化基礎(chǔ)上引入了12.63%)。

2.3 阻尼變化對(duì)調(diào)節(jié)特性的影響

減壓閥閥芯運(yùn)動(dòng)阻尼主要由O形橡膠密封圈摩擦力提供。低溫下，由于密封圈的彈性模量發(fā)生變化，會(huì)導(dǎo)致密封圈的接觸應(yīng)力和接觸寬度發(fā)生變化，進(jìn)而影響密封圈的摩擦力。由于減壓閥行程小(不大于0.3 mm)，在該行程下，密封圈屬于微動(dòng)狀態(tài)[20]，其摩擦力為靜摩擦力，可以采用有限元靜力分析對(duì)密封圈不同溫度下接觸應(yīng)力分布進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而得到不同溫度下密封圈的摩擦力。仿真結(jié)果如圖6所示，靜摩擦力計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 不同溫度O形圈靜摩擦力計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation results of O-ring static friction at different temperatures

將上述計(jì)算結(jié)果作為閥芯運(yùn)動(dòng)阻尼的條件，對(duì)減壓閥在不同溫度下啟動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真。出口壓力隨時(shí)間變化的仿真結(jié)果如圖7所示。

圖6 不同溫度下O形圈接觸應(yīng)力仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of contact stress of O-ring at different temperatures

圖7 不同阻尼條件下出口壓力動(dòng)態(tài)仿真曲線Fig.7 Dynamic simulation curve of outlet pressure at different damping

由圖7可以看出，隨著溫度降低啟動(dòng)瞬間壓力峰值及穩(wěn)定后出口壓力均略有升高，但壓力峰值與穩(wěn)態(tài)出口壓力的比值為1.092～1.429，差別明顯(相對(duì)變化30.86%，約在彈簧剛度變化基礎(chǔ)上引入了15.57%)。

3 特性試驗(yàn)

選取4臺(tái)減壓閥，分別進(jìn)行不同溫度下的特性試驗(yàn)，獲取啟動(dòng)壓力峰值、出口壓力以及出口壓力偏差的數(shù)據(jù)。試驗(yàn)系統(tǒng)原理如圖8所示，將氣瓶及減壓閥均置于低溫箱內(nèi)，氣瓶充氣壓力為28 MPa，通過(guò)溫箱控制氣瓶?jī)?nèi)的氮?dú)饧皽p壓閥的溫度，在下游通過(guò)電磁閥與節(jié)流孔控制減壓閥不同工況時(shí)的流量。試驗(yàn)時(shí)依次將氮?dú)饧皽p壓閥溫度調(diào)整至20、0、-10、-15、-20、-25、-30、-35℃，溫度達(dá)到平衡后，按預(yù)設(shè)程序進(jìn)行特性試驗(yàn)：先以750 mL/s流量工作30 s，關(guān)閉待機(jī)20 s，然后以30 mL/s流量工作30 s。測(cè)量并記錄減壓閥出口壓力數(shù)據(jù)。

1—?dú)馄浚?—自鎖閥；3—減壓閥；4—電磁閥； 5—限流圈；6—壓力傳感器；7—溫度傳感器。 圖8 減壓閥低溫試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.8 Low temperature experiment system of PRV

3.1 啟動(dòng)壓力峰值試驗(yàn)

不同溫度下，減壓閥啟動(dòng)瞬間出口壓力峰值數(shù)據(jù)如表4所示，溫度越低，壓力峰值越高。以750 mL/s流量工作時(shí)穩(wěn)態(tài)出口壓力為基準(zhǔn)，相對(duì)壓力峰值pK/pS隨溫度變化曲線如圖9所示。20 ℃時(shí)壓力峰值最大為穩(wěn)態(tài)室壓的1.09倍，而-35 ℃時(shí)壓力峰值最大為穩(wěn)態(tài)室壓的1.36倍，與仿真結(jié)果對(duì)比(20 ℃時(shí)壓力峰值最大為穩(wěn)態(tài)室壓的1.092倍，-35℃時(shí)壓力峰值最大為穩(wěn)態(tài)室壓的1.429倍)，仿真結(jié)果偏差不大于5.07%，仿真分析精度較高。結(jié)合仿真分析中對(duì)剛度和阻尼要素的研究，綜合分析認(rèn)為隨著溫度降低，減壓閥彈簧剛度增大，作用于膜片上的加載力增大，閥門的初始開(kāi)度增大，高壓氣體瞬間流量更大；膜片橡膠材料剛度增大，發(fā)生低溫硬化，存在遲滯效應(yīng)；閥芯運(yùn)動(dòng)阻尼增大，關(guān)閉需要的壓力更大，持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。因此溫度越低啟動(dòng)壓力峰值越高。

表4 不同溫度下啟動(dòng)壓力峰值數(shù)據(jù)Tab.4 Startup pressure peak at different temperatures

圖9 啟動(dòng)壓力峰值相對(duì)值隨溫度變化曲線Fig.9 Relative value of startup pressure at different temperatures

對(duì)減壓閥啟動(dòng)出口壓力最大峰值與溫度變化量進(jìn)行最小二乘擬合，其相對(duì)變化符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系

(6)

式中：pK為低溫啟動(dòng)壓力峰值；pS為相應(yīng)溫度750 mL/s流量下穩(wěn)態(tài)出口壓力；T為低溫溫度。

3.2 出口壓力試驗(yàn)研究

不同溫度下，減壓閥大流量(750 mL/s)、小流量(30 mL/s)工況出口壓力數(shù)據(jù)如表5所示，溫度降低，減壓閥出口壓力上升。以20 ℃時(shí)減壓閥出口壓力為基準(zhǔn)，出口壓力相對(duì)值pT/p20隨溫度變化的曲線如圖10所示。大流量工況下，在-35 ℃時(shí)，減壓閥出口壓力較20 ℃時(shí)升高了8.47%～8.97%；小流量工況下，在-35 ℃時(shí)，減壓閥出口壓力較20 ℃時(shí)升高了7.85%～9.17%。4臺(tái)試驗(yàn)產(chǎn)品在相同溫度下出口壓力相對(duì)差值不大于1.92%，具有較好的一致性。與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，-35 ℃減壓閥穩(wěn)態(tài)出口壓力仿真結(jié)果為2.63 MPa，20 ℃減壓閥穩(wěn)態(tài)出口壓力仿真結(jié)果為2.38 MPa，升高了10.5%，與試驗(yàn)結(jié)果一致性較好。結(jié)合仿真分析中對(duì)剛度和阻尼要素的研究，綜合分析認(rèn)為隨著溫度降低，減壓閥彈簧剛度增大，作用于膜片上的加載力增大，相應(yīng)的與之平衡的出口穩(wěn)態(tài)壓力升高，因此溫度越低出口穩(wěn)態(tài)壓力越高。

表5 不同溫度下出口壓力數(shù)據(jù)Tab.5 Outlet pressure at different temperatures

圖10 出口壓力相對(duì)值隨溫度變化曲線Fig.10 Relative value of outlet pressure at different temperatures

對(duì)減壓閥低溫條件下出口壓力增量的最大值與溫度變化量進(jìn)行最小二乘擬合，其變化符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系

(7)

式中：pT為低溫時(shí)的穩(wěn)態(tài)出口壓力;p20為20 ℃時(shí)穩(wěn)態(tài)出口壓力;T為低溫溫度。

4 結(jié)論

通過(guò)減壓閥低溫環(huán)境下影響因素和工作特性的仿真分析與試驗(yàn)研究，獲得了不同低溫條件下減壓閥啟動(dòng)壓力峰值和出口壓力的變化趨勢(shì)，有以下結(jié)論：

1)減壓閥啟動(dòng)出口壓力峰值隨溫度的降低而快速升高，與溫度變化呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系；在不改變出口壓力的條件下，可以通過(guò)減小閥芯運(yùn)動(dòng)組件上的摩擦力(15.57%)或更換低溫性能好的膜片(12.63%)的方法，降低溫度對(duì)出口壓力峰值的影響。

2)減壓閥穩(wěn)態(tài)出口壓力隨溫度的降低而升高，低溫環(huán)境下橡膠膜片特性的變化是影響減壓閥出口壓力的主要因素，降低溫度對(duì)橡膠膜片的影響，可以有效減小對(duì)出口壓力的影響。

3)獲得了減壓閥低溫環(huán)境下啟動(dòng)壓力峰值和穩(wěn)態(tài)出口壓力的擬合函數(shù)，可根據(jù)常溫出口壓力預(yù)估低溫啟動(dòng)峰值和穩(wěn)態(tài)出口壓力，滿足了發(fā)動(dòng)機(jī)低溫環(huán)境系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)。