某型號(hào)單向閥工作異常分析及解決措施

周伊優(yōu)，郭朝陽，汪 海，王秀賓

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引 言

飛行器燃油系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)、氧氣系統(tǒng)的管路中，均裝有單向閥，用于正向接通管路及防止介質(zhì)反方向流動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的特定功能。 目前相應(yīng)系統(tǒng)中裝有多種型號(hào)的單向閥，長期以來，這些產(chǎn)品一直工作穩(wěn)定，較好地發(fā)揮了其應(yīng)有的作用。但是，近期某型號(hào)單向閥在使用前測試時(shí)，存在工作異?，F(xiàn)象，具體表現(xiàn)為開啟壓力超過指標(biāo)上限，且數(shù)量較多。為解決上述問題，杜絕故障的再次發(fā)生，需進(jìn)行研究分析，找出問題的原因，并采取措施加以解決。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及原理

1.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

單向閥用于正向接通管路， 并反向防止介質(zhì)流動(dòng)，本單向閥結(jié)構(gòu)見圖1，由殼體、閥門、彈簧、墊片、密封圈、閥門座和管嘴等組成。

1.2 工作原理

單向閥工作原理如圖1 所示， 當(dāng)產(chǎn)品正向加壓時(shí)，閥門克服彈簧力，向內(nèi)移動(dòng)，產(chǎn)品打開，接通介質(zhì)管路；反向加壓時(shí)，閥門壓緊殼體，產(chǎn)品關(guān)閉，防止介質(zhì)倒流。

圖1 單向閥結(jié)構(gòu)

2 問題描述

按照技術(shù)規(guī)范要求，該單向閥安裝使用前應(yīng)進(jìn)行性能測試，但是某批次產(chǎn)品測試時(shí)，共30 件產(chǎn)品，僅有1 件開啟壓力滿足指標(biāo)要求， 其余29 件產(chǎn)品均在進(jìn)口加壓50kPa 以上才開啟（指標(biāo)要求產(chǎn)品開啟壓力應(yīng)在20kPa～50kPa 范圍內(nèi)）試驗(yàn)結(jié)果詳見表1。

表1 使用前測試開啟壓力記錄

將庫存同批次未進(jìn)行過測試的20 件產(chǎn)品取出，進(jìn)行開啟壓力試驗(yàn)，結(jié)果僅3 件產(chǎn)品合格，17 件產(chǎn)品開啟壓力超過50kPa。

取同批次已測試合格的6 件產(chǎn)品，重新進(jìn)行開啟壓力試驗(yàn)， 其中2 件產(chǎn)品開啟壓力滿足要求， 其余4件產(chǎn)品開啟壓力超過50kPa，即不合格，詳見表2。

表2 使用前測試已合格產(chǎn)品復(fù)試記錄

為此，使用前測試共計(jì)56 件產(chǎn)品，合格6 件，不合格50 件，同時(shí)，存在復(fù)試不合格問題，故可認(rèn)為該型號(hào)單向閥存在批次性質(zhì)量問題。

3 原因分析

3.1 分解檢查

對(duì)上述50 件產(chǎn)品開啟壓力超差問題分析，取5件（編號(hào)：18、19、20、21、22）產(chǎn)品進(jìn)行分解檢查，取出管嘴、閥門座、彈簧等零件，只保留殼體和閥門，結(jié)果發(fā)現(xiàn)5 件產(chǎn)品閥門與殼體均粘連在一起，為確認(rèn)粘連作用的影響，按圖2 所示加壓使閥門脫落并記錄壓力值，結(jié)果使閥門脫落的壓力值在13kPa～20kPa 范圍內(nèi)，詳見表3。

圖2 加壓閥門脫落

表3 加壓使閥門脫落壓力值記錄

3.2 原因分析

根據(jù)單向閥結(jié)構(gòu)及工作原理，并結(jié)合問題現(xiàn)象建立分析框圖（見圖3），對(duì)造成問題的可能原因進(jìn)行查找及分析。

圖3 單向閥問題分析框圖

根據(jù)上述分析框圖，逐一進(jìn)行分析：

分析1（試驗(yàn)設(shè)備不符合要求）：

對(duì)試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行檢查， 設(shè)備所用儀表均為量程100kPa，精度0.4 級(jí)，符合要求，試驗(yàn)臺(tái)工作原理正確，不會(huì)對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)生影響。

分析2（試驗(yàn)方法錯(cuò)誤）：

圖4 為開啟壓力試驗(yàn)方法原理圖， 從原理圖得知， 試驗(yàn)過程中均有管接頭將產(chǎn)品與檢驗(yàn)介質(zhì)隔開，因此認(rèn)為不會(huì)對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)生影響。

圖4 開啟壓力試驗(yàn)原理圖

分析3（彈簧壓力變化影響）：

取5 件產(chǎn)品分解，將彈簧進(jìn)行關(guān)鍵尺寸檢測，結(jié)果均合格，詳見表4。 對(duì)彈簧彈力進(jìn)行檢測，并與出廠時(shí)所記錄的彈力范圍進(jìn)行對(duì)比，未發(fā)現(xiàn)變化，詳見表5。

表4 彈簧關(guān)鍵尺寸檢測記錄

表5 彈簧彈力檢測記錄

由表5 數(shù)據(jù)可以排除彈簧彈力變化的原因。

分析4（內(nèi)部多余物）：

在分解上述5 件產(chǎn)品時(shí)，檢查內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)可見多余物。 排除內(nèi)部有多余物的原因。

分析5（內(nèi)部零件銹蝕）：

在分解上述5 件產(chǎn)品時(shí)，檢查內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)零件銹蝕現(xiàn)象；且按圖5 所示放置，用拇指將閥門壓至緊貼閥門座后離開，閥門均能自由脫落。

圖5 閥門自由脫落

故排除零件銹蝕造成的閥門與閥門座卡滯原因。

分析6（橡膠變形受力變?。?/p>

由產(chǎn)品結(jié)構(gòu)原理可知，產(chǎn)品為軟密封結(jié)構(gòu)，在關(guān)閉狀態(tài)下，閥門一直受彈簧力作用，隨著時(shí)間增加，膠料會(huì)被壓縮， 直至閥門頂端限位裝置與殼體接觸，此段時(shí)間閥門向前移動(dòng)，產(chǎn)品進(jìn)口處受力面積變?。ㄈ鐖D6 所示），故當(dāng)需要感受相同的作用力來開啟時(shí)，產(chǎn)品進(jìn)口所通氣體壓力增大。

圖6 單向閥進(jìn)口感壓面積變化示意

由產(chǎn)品結(jié)構(gòu)原理可知， 進(jìn)口面積變小導(dǎo)致開啟壓力升高為該結(jié)構(gòu)產(chǎn)品固有特性，不可避免，為確定其影響，對(duì)其導(dǎo)致開啟壓力升高的最大值進(jìn)行理論計(jì)算。

產(chǎn)品安裝后彈簧力預(yù)緊力為F=5.4N， 壓縮高度H=17mm，計(jì)算彈簧剛度為：

K=F/H=5.4/17=0.317N/mm

閥門橡膠剛接觸時(shí)密封面直徑d 為Φ14mm，計(jì)算氣壓作用面積為：

A=πd2/4=3.14×142/4=153.6mm2

對(duì)應(yīng)的打開壓力為:

P=F/A=5.4/153.6=0.035MPa=35kPa。

閥門橡膠在彈簧力的作用下不斷被壓縮，產(chǎn)生不規(guī)則變形。閥門橡膠材料牌號(hào)為氟橡膠F275，邵氏硬度為75，在彈簧力F 作用下，得出閥門橡膠與殼體接觸面最低點(diǎn)直徑為φ13.3mm， 得出閥門變形后的進(jìn)口感壓面積為：

A1=πd2/4=3.14×13.32/4=138.5mm2。

提取閥門整體位移l=0.8mm，對(duì)應(yīng)此時(shí)彈簧力為:

F1=F-kl=5.4-0.317×0.8=5.15N

由此得橡膠變形后的打開壓力為：

P1=5.15/138.5=0.0378MPa=37.2kPa

由于閥門橡膠變形引起氣壓作用面積變小進(jìn)而影響打開壓力升高為：

ΔP=P1-P=37.2-35=2.2kPa

由以上分析和計(jì)算可知， 面積變化是固有特性，且升高為2.2kPa，與故障批產(chǎn)品開啟壓力的升高值相差較大， 所以面積變化雖然可以使開啟壓力升高，但不是造成此故障的根本原因。

分析7（調(diào)試壓力偏高）：

經(jīng)復(fù)查該批故障件產(chǎn)品的出廠試驗(yàn)記錄， 發(fā)現(xiàn)調(diào)試開啟壓力均在（34～39）kPa 范圍內(nèi)，在產(chǎn)品所要求的開啟壓力范圍為（20～50）kPa 的中線偏上，而由產(chǎn)品結(jié)構(gòu)原理可知， 該結(jié)構(gòu)產(chǎn)品存在開啟壓力會(huì)升高的固有特性，故當(dāng)產(chǎn)品調(diào)試開啟壓力值偏上限時(shí)，在開啟壓力升高的作用下，可能導(dǎo)致開啟壓力超出上限不合格，因此不能排除開啟壓力調(diào)試偏高對(duì)產(chǎn)生故障的影響。

分析8（表面處理發(fā)粘）：

已分解的故障件殼體密封面用手進(jìn)行觸碰，未發(fā)現(xiàn)發(fā)粘現(xiàn)象，但因是否發(fā)粘僅靠用手觸碰無法準(zhǔn)確判斷，為確認(rèn)殼體對(duì)產(chǎn)品故障的影響，需對(duì)單向閥殼體表面處理工藝規(guī)程進(jìn)行分析。

該零件在航空外貿(mào)陽極化生產(chǎn)線進(jìn)行表面處理，生產(chǎn)線定期檢驗(yàn)為每月進(jìn)行一次， 生產(chǎn)過程要求嚴(yán)格；水槽配備齊全，清洗水槽均為兩道逆流漂洗，清洗更加充分；電源可控性好，為自動(dòng)設(shè)置升壓，自動(dòng)控制開關(guān)，均有利于質(zhì)量穩(wěn)定，與產(chǎn)品故障無關(guān)。

分析9（硫化用膠料不合格）：

故障批次產(chǎn)品所用閥門端部橡膠原材料，化驗(yàn)編號(hào)為2016-369， 該批原材料廠家合格證記錄5 項(xiàng)指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，原材料到貨后進(jìn)行了入廠復(fù)驗(yàn)，5項(xiàng)指標(biāo)同樣均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，詳見表6，因此橡膠原材料不合格導(dǎo)致產(chǎn)品故障的原因可排除。

表6 橡膠原材料指標(biāo)記錄

本產(chǎn)品閥門二段硫化在電熱鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行，現(xiàn)有干燥箱由于本身功能限制， 無自動(dòng)控溫系統(tǒng)，階段溫度控制依靠人工。閥門二段過程的升溫過程要求每0.5h 升10℃，升溫時(shí)間共計(jì)4h。 需要操作者頻繁調(diào)整干燥箱溫度， 并盡量保持升溫過程緩慢均勻，對(duì)于操作者技能要求較高。

為確定操作者對(duì)二段硫化的影響，對(duì)操作氟橡膠膠料二段硫化過程進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)干燥箱上水銀溫度計(jì)實(shí)際溫度顯示為180℃，但烘箱正在升溫，其記錄溫度為200℃，存在記錄與實(shí)際操作不符現(xiàn)象。 因此，人工調(diào)節(jié)干燥箱溫度可能會(huì)存在實(shí)際溫度低于二段硫化溫度的可能性，閥門硫化實(shí)際溫度低于二段硫化溫度的可能性不能排除。

4 問題定位

經(jīng)上述排查， 認(rèn)為產(chǎn)品開啟壓力不合格的原因?yàn)椋洪y門硫化過程控制存在問題，導(dǎo)致二段硫化恒溫保溫溫度低于要求值，引起閥門與殼體粘連進(jìn)而使產(chǎn)品開啟壓力異常升高（13～20）kPa，且該產(chǎn)品調(diào)試開啟壓力因結(jié)構(gòu)所限，通常為（34～39）kPa，偏高于要求值（20～50）kPa 的上限，所留余量（11～16）kPa 無法包含異常升高值， 使產(chǎn)品開啟壓力升高后超出上限要求，開啟壓力不合格。

5 改進(jìn)方案

針對(duì)單向閥開啟壓力異常升高故障，制訂三項(xiàng)解決措施如下：

1） 使用新的具有自動(dòng)控溫干燥箱進(jìn)行產(chǎn)品硫化處理；

2） 閥門硫化過程每批要有試樣，并進(jìn)行檢測和保存。

3） 將閥門橡膠硫條件確定為一段：170℃×10min，二段：200℃×9h。

6 試驗(yàn)驗(yàn)證

按上述措施改進(jìn)后，再生產(chǎn)120 件單向閥，其中30 件產(chǎn)品完成調(diào)試，放置20 天后，進(jìn)行開啟壓力復(fù)試，結(jié)果開啟壓力最高位38kPa，滿足指標(biāo)要求，詳見表7，因此，可以認(rèn)為改進(jìn)方案實(shí)施后效果明顯。

表7 開啟壓力試驗(yàn)記錄

7 結(jié) 論

某型號(hào)單向閥工作異常，開啟壓力超差，最高開啟壓力超過上限值的原因是：第一，閥門硫化過程控制存在問題，導(dǎo)致二段硫化恒溫保溫溫度低于要求值，引起閥門與殼體粘連，使產(chǎn)品開啟壓力因此升高13～20kPa；第二，因結(jié)構(gòu)所限，該產(chǎn)品調(diào)試開啟壓力過高，為34～39kPa，比要求值20～50kPa 偏高，所留余量僅為11～16kPa，小于異常升高值，故使得產(chǎn)品開啟壓力超出上限要求。 第二個(gè)故障原因，產(chǎn)品出廠調(diào)試開啟壓力值偏高，因?yàn)楫a(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)決定，無法改變；第一個(gè)故障原因，閥門與殼體粘連，則采取嚴(yán)格控制閥門硫化過程，更換控溫更好的新干燥箱，閥門硫化條件按一段：170℃×10min，二段：200℃×9h 的措施。 按上述方案改進(jìn)后，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，問題得到解決。 建議后續(xù)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮開啟壓力的調(diào)試范圍，并將出廠交付時(shí)的開啟壓力調(diào)整到規(guī)定值的下限附近，這樣可以克服閥門開啟壓力隨儲(chǔ)存時(shí)間變長而增加的固有特性帶來的問題，以徹底杜絕故障再次發(fā)生。