航空航天用管閥關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

劉佳良

摘? 要：各種設(shè)備管路是由管閥進行控制的，管閥廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€領(lǐng)域，在國防和航天等技術(shù)領(lǐng)域，對流體閥門的使用要求其具備各種特殊性能，對其使用剛、強性能、靈敏度以及疲勞壽命等有著更高的要求指標(biāo)。本文在現(xiàn)有航空航天管閥基礎(chǔ)上對其設(shè)計原理、密封技術(shù)、生產(chǎn)、儲存注意事項及泄漏問題解決方法進行詳細闡述，為航空航天用管閥的發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：航天管閥? 設(shè)計原理? 密封技術(shù)? 泄漏

中圖分類號：TB42? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）02（b）-0001-04

Key Technology Application of Aerospace Pipe Valve

LIU Jialiang

（Yibin Sanjiang Machinery Co.， Ltd.， Yibin， Sichuan Province， 644007 China）

Abstract： All kinds of equipment pipelines are controlled by pipe valves， which are widely used in various fields of people's daily life. In the technical fields of national defense and aerospace， the use of fluid valves requires that they have various special properties， and have higher requirements for their stiffness， strength， sensitivity and fatigue life. In this paper， based on the existing Aerospace pipe valve， the design principle， sealing technology， production， storage precautions and leakage solutions are described in detail， which provides a reference for the development of aerospace pipe valves.

Key Words： Aerospace pipe valve; Design principle; Sealing technology; Leakage

管道系統(tǒng)是航空、航天飛行器設(shè)施的重要組成部分，主要提供航空航天器運行、戰(zhàn)斗中動力介質(zhì)的傳遞及生活所需介質(zhì)的運輸。管路系統(tǒng)主要包括固定滅火系統(tǒng)、彈藥倉噴灌排水系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、艙室空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)等。高靈敏度的管閥控制開關(guān)關(guān)系著航天飛行器系統(tǒng)正常運行和順利完成工作中起著決定性作用。對傳統(tǒng)航空航天飛行器的管道閥門技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，但是仍存在著諸多問題亟待解決，對航空航天飛行器特殊環(huán)境下管閥的使用技術(shù)的進一步研究有著重要研究意義[1]。

1? 管閥設(shè)計原理及分類

對閥門的分類具有多種分類方法，其中按照功能分類，市場上常見的有流量控制閥、壓力控制閥、方向控制閥等三類，其中方向控制閥又可以詳細分為單向閥門和換向閥門兩種，流量控制閥門最常見的有節(jié)流閥門和調(diào)速閥門兩種，壓力控制閥門有溢流閥、順序閥、減壓閥和流量控制器等幾類[2-3]。所有的閥類構(gòu)件在其組成結(jié)構(gòu)上大致可分為閥體、閥芯和驅(qū)使閥芯動作的部件等幾部分組成;適用于不同工作環(huán)境的閥門其參數(shù)不盡相同，但是就其工作原理而言，所有的閥門其開口大小和出口壓力差以及流量之間的關(guān)系都符合孔口流量公式，原理上并無不同。

對管閥的基本要求包括：

（1）靈敏性、可靠性高，振動和沖擊性小;

（2）油液流過的壓力損失小;

（3）密封性好;

（4）安裝、使用簡單，維護方便。

其中，單向閥的性能要求包括：正向?qū)〞r，壓力損失要小，反向截止時，密封性要好;對換向閥性能要求：油液導(dǎo)通時壓力損失要小，油液斷開時泄漏要小，閥芯換位時操縱力要小。

其中航天系統(tǒng)中，對流量控制閥的要求較高，主要用來控制氣體和液體的阻斷和開啟作用的管閥系統(tǒng)對航天飛行器正常工作的準(zhǔn)確飛行起到了決定性作用。普通節(jié)流閥、調(diào)速閥、單向節(jié)流閥、單向調(diào)速閥等流量控制閥等能夠通過調(diào)整節(jié)流口局部阻力的大小或流通通道的深度來調(diào)整流量，從而達到所要求的節(jié)流速度。

節(jié)流口的形式以薄壁小孔較為理想，其中對流量穩(wěn)定性影響較大的因素主要包括以下幾方面：節(jié)流口的抗堵塞性、溫度對流量的影響、壓差對流量的影響等[4]。

在現(xiàn)代化航空、航天、國防技術(shù)應(yīng)用中，管閥的應(yīng)用得到了空前的發(fā)展，表1簡單列舉了代表性的應(yīng)用對象及用途和使用場合。

2? 管閥密封原理

長期工作在較高溫度和較大的壓差范圍內(nèi)的密封圈，由于工作環(huán)境惡劣，很難長期保持零泄漏性能?！盎钊?yīng)”和彈簧加載的浮動座圈密封結(jié)構(gòu)能夠在實際應(yīng)用中有效解決這類難題，有著優(yōu)良的使用性能。

彈簧加載浮動座圈的原理在于使運載介質(zhì)的壓力作用在不同的環(huán)面上，其承受的作用力大于反作用力，產(chǎn)生的正向壓差有效地解決了介質(zhì)泄漏問題，確保了上下游密封圈在工作過程中始終貼緊球體兩邊，針對傳統(tǒng)的單向控制流體介質(zhì)，實現(xiàn)了多向控制的作用，加強了密封效率。

密封和最大操縱扭矩的關(guān)系決定了密封的有效性，這是相同規(guī)格閥門操作扭矩與密封可靠性差異產(chǎn)生的原因，而密封期間緊貼力矩取決于受力面的面積差和彈簧剛度[5-6]。同時，固定軸支撐的方式消除了單側(cè)操作壓力作用導(dǎo)致的密封載荷過大的問題，使得密封系統(tǒng)使用壽命大大增強。密封結(jié)構(gòu)支撐軸具有高光潔度，并且配備具有潤滑作用的軸瓦，減小了相對摩擦阻力。固定軸的這種結(jié)構(gòu)特點使得閥門即使在單側(cè)受壓的情況下同樣也能夠避免較大的操作扭矩。除此之外，由于加工工藝問題，支撐軸襯套在實際應(yīng)用當(dāng)中的材料選擇對密封性影響非常大。

3? 航空航天管閥制造、試驗及儲存使用

3.1 管閥制造

在眾多衡量指標(biāo)中，高密封性和低扭矩是衡量管閥質(zhì)量的最重要指標(biāo)，加工工藝性直接影響著產(chǎn)品的加工質(zhì)量。國內(nèi)管法加工操作簡單、方便，但是由于切削刃尖的磨損和切削線速度的差異，管閥的加工精度、圓度等均存在問題，導(dǎo)致國產(chǎn)管閥扭矩大，密封性能差。

在產(chǎn)品組裝的最后一道工序中，焊接后不允許拆卸的全焊接閥體是保證閥門密封性能的重要保證。閥體焊接的關(guān)鍵在于保證溫度場、軸向變形和徑向變形的預(yù)測與控制，以及在焊接過程中殘余應(yīng)力的控制等問題都是閥體強度和密封使用性能的有效保障。在解決這些問題的過程中，應(yīng)盡量保證恰當(dāng)?shù)暮附臃椒ê秃附庸に?，制造專用的自動化焊接設(shè)備及工裝，同時對焊接工藝進行評定和相當(dāng)?shù)募夹g(shù)評估方法。

3.2 實驗

為確保產(chǎn)品的可靠性，國內(nèi)外管閥生產(chǎn)廠家及科研工作者進行了大量試驗。在對基體的基礎(chǔ)載荷能力、軸向載荷和安裝載荷的影響以及密封結(jié)構(gòu)在開關(guān)過程中的可靠性的考核中，包括外載荷彎曲試驗、外載荷拉伸和壓縮試驗以及吹風(fēng)試驗是保證其工作可靠性的有效保障[7]。另外，異物吹入實驗，用來測試異物入侵對密封性能的影響;異物磨損試驗，用來測試磨損性能;緊急密封脂注入試驗，用于檢測密封脂注入時密封面損傷恢復(fù)其密封性能的情況;承載試驗用于評定管閥承受均布載荷時的可靠性能;抗震試驗，測定管閥工作中的抗震能力;長期浸漬試驗，用于評定特殊材料在特殊工作環(huán)境中的抗硫特性;火燒實驗，測試管閥高溫環(huán)境的工作性能;壽命試驗用于全面評估煩悶使用過程中的平均壽命。

3.3 存放使用

閥門生產(chǎn)出廠后，在使用之前應(yīng)妥善存放，防止因存放環(huán)境等問題引起閥門失效、精度失效等問題[5]。這要求：

（1）儲存環(huán)境要求通風(fēng)、干燥，對閥門保護蓋和法蘭的重點防觸保護;

（2）安裝過程中盡量防止因管線熱脹引起的應(yīng)力增大而帶來閥門失效;

（3）焊接過程中注意焊接溫度，不得損壞密封材料，并且防止焊接飛濺物嵌入密封面;

（4）啟動前注意管線清洗，閥門不能長期處于半開關(guān)狀態(tài)，需添加防腐劑;

（5）閥門在使用過程中只能處于全關(guān)或全開狀態(tài)，不允許開、關(guān)不嚴(yán)情況的存在;

（6）應(yīng)注意添加逆向催化劑，防止硫化腐蝕;

（7）對密封材料的選擇應(yīng)當(dāng)考慮儲存環(huán)境和工作環(huán)境，嚴(yán)禁密封泄露，污染管閥;

（8）傳動機應(yīng)當(dāng)保證每一傳動環(huán)節(jié)精度生產(chǎn)到位。

4? 管閥泄漏問題解決措施

航空航天飛行器管路管閥一旦出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象將直接導(dǎo)致流體泄漏，嚴(yán)重影響經(jīng)濟效益、安全保障、外部環(huán)境等，造成重大經(jīng)濟損失甚至人身危害。閥門在應(yīng)用過程中所存在的問題大致可綜述為不同程度和不同形式的泄漏問題，對其密封結(jié)構(gòu)原理和安裝質(zhì)量分析，造成其泄露的原因大概可表述為以下幾種[8-11]。

（1）管閥泄漏問題發(fā)生在安裝過程中主要表現(xiàn)在管閥密封面和密封座圈受損、管道和閥腔清掃不徹底、焊渣或者砂礫卡于密封開關(guān)之間，致使密封失敗。一旦出現(xiàn)轉(zhuǎn)裝過程中的泄漏，應(yīng)當(dāng)立即在密封上游注射密封劑，延緩泄漏，必要時及時更換密封面和密封座圈。

（2）其中填料泄漏更多的是因為閥桿與閥蓋的機構(gòu)不夠密封，常態(tài)狀況下進行的填料不能繼續(xù)維持有效的運行，隨著閥門的使用，密封填料出現(xiàn)了嚴(yán)重流失磨損，其直接后果是填料老化，并且在高溫作用下失去應(yīng)有的密封作用，最終出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。

（3）閥蓋法蘭在正常運行機制下，緊固螺栓能夠?qū)崿F(xiàn)墊片壓緊壓實，進一步達到密封的效果。在螺栓的預(yù)緊過程中，法蘭會由于預(yù)緊產(chǎn)生變形，這種因彈性或者塑性造成的變形，會使法蘭接觸面上的凹凸不平填滿，最終達到密封的作用，有效地防止各類介質(zhì)的泄漏流出。但在實際運行過程中，往往會由于以下的原因造成這些現(xiàn)象。一種是螺栓的形變，在長期受熱的情況下，螺栓往往會發(fā)生形變，造成伸長的現(xiàn)象，繼而使得預(yù)緊力減小;另外一種原因是因為預(yù)緊力不均勻，螺栓在緊合的過程中受力不均勻，由于結(jié)合面不一致形成張口，從而引起泄露現(xiàn)象;三是因為墊片的失效，由于配件的貼合度不好，加之老化原因引起失效，同時高度的振動等機械因素，也可以影響貼合面的密封作用;四是因為質(zhì)量原因所導(dǎo)致的，在閥蓋與法蘭的制造生產(chǎn)過程中，兩者接觸面出現(xiàn)的凹槽、紋路等質(zhì)量原因，會加劇介質(zhì)的侵蝕作用，長期積累后引起泄漏;五是由于裝配誤差所引起的，墊片在安裝過程中出現(xiàn)問題會導(dǎo)致管閥局部出現(xiàn)過度的預(yù)緊力，使用后超出其設(shè)計的最大限度，局部密封要求達不到標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，產(chǎn)生泄漏現(xiàn)象。

（4）閥門在生產(chǎn)過程中，由于制造本身的原因，會產(chǎn)生 氣孔、裂痕、砂眼等質(zhì)量不足的因素，也是造成閥門出現(xiàn)泄漏的根本原因，這種來自鑄造、鍛造過程中的缺陷，加大了介質(zhì)對閥門的磨損，最終導(dǎo)致管閥的外部泄漏。

（5）閥門加工工藝是閥門生產(chǎn)過程中的重要一關(guān)。閥門結(jié)構(gòu)雖然簡單，但是其精度要求相對較高，加工工藝質(zhì)量直接影響著閥門的使用精度和其使用性能。例如在加工過程中閥門的裝配間隙和各密封面積以及表面粗糙度都要達到應(yīng)有的加工精度，除此之外，對于軟密封圈材料的耐腐蝕和耐磨性也要對應(yīng)達標(biāo)，其剛度和彈性相應(yīng)滿足工作要求，過硬和太軟都會造成閥門失效。

（6）根據(jù)應(yīng)用場合選用合適的閥門。不同的工作環(huán)境對閥門質(zhì)量有著不同的精度要求，只有根據(jù)具體的工作場合選用適合的閥門才能夠物盡其用，滿足其安全性能。這樣一旦前端密封損壞，后端密封仍能起到作用。在力求絕對可靠的情況下，應(yīng)盡量選擇強制密封管閥。

（7）閥門維護要及時。不同用途的閥門應(yīng)當(dāng)配備不同的維護方法和保養(yǎng)手段。對于未失效的閥門，必須至少在安裝之后的每半年注射一次潤滑脂，只有在已經(jīng)發(fā)生泄漏或者不能完全密封情況下才必須注射適量的密封劑。值得一提的是，頻繁注射密封劑，由于其粘度大的原因反而會影響球面的自潔能力，反將細小的砂礫等污染物帶入密封之間造成閥門失效。對于非單向密封閥門，在現(xiàn)場安全許可的條件下，應(yīng)當(dāng)提前釋放內(nèi)壓，這樣能夠更好地保證密封其密封性。

5? 結(jié)語

對航空航天飛行器用管閥設(shè)計原理、密封原理、生產(chǎn)、使用過程中存在的問題進行了詳細分析敘述，對管閥使用過程中出現(xiàn)的泄漏問題進行了分析并給出降低泄漏的方案、方法。給未來航空航天用管閥技術(shù)提供的發(fā)展依據(jù)。

參考文獻

[1] 陸培文.調(diào)節(jié)閥實用技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2017.

[2] 蘇棟棟.水擊波激勵下船載動力系統(tǒng)止回閥共振失效研究[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2020.

[3] 張昭輝.顛震搖擺載荷下船載管閥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2020.

[4] Meland E，Thornhill N F，Lunde E，et al.Quantification of valve leakage rate[J].AICH E Journal，2012，58（4）：1181-1193.

[5] 褚淵博.射流管伺服閥耐久性與可靠性研究[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2017.

[6] 張亮，劉霞，謝政，等.面向制造的航天器管路數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)構(gòu)建與應(yīng)用[J].航天制造技術(shù)，2016（3）：56-59.

[7] 劉紅寶，李紅兵，滕浩，等.Study on Dynamic Characteristic of Welded Metal Bellows Used in Cryogenic Valves with Complex Vibration Condition[J].上海航天，2016，33（z1）：153-157.

[8] 范舟，盧欣，李鐵麟.航天電磁閥單元化制造工藝與質(zhì)量管控[J].國際航空航天科學(xué)，2019，7（1）：17-22.

[9] 李航，王海萍，劉兆賓，等.氫主閥波紋管組件的力學(xué)性能分析[J].機械工程師，2016（1）：154-156.

[10] 謝江輝，尚進，張德滿，等.高壓空氣管網(wǎng)系統(tǒng)閥內(nèi)流體計算及泄漏分析[J].流體機械，2018，46? ? ? ? （9）：44-50.

[11] 江帆，盧浩然，黎斯杰，等.管閥內(nèi)油水環(huán)狀流穩(wěn)定性的流固耦合分析[J].西安石油大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2020，35（1）：97-103.