減壓閥球頭磨損故障分析及改進(jìn)

徐登偉，朱建國，羅大亮，曾維亮

(西安航天動(dòng)力研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

恒壓擠壓式增壓系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中，減壓閥屬于該系統(tǒng)的核心組件，其作用是將氣瓶內(nèi)的高壓氣體壓力調(diào)整至(額定)增壓壓力，且在不同流量下保證系統(tǒng)增壓壓力穩(wěn)定。

某恒壓擠壓式發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過程中，減壓閥出口壓力出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，導(dǎo)致個(gè)別工況壓力超過系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。分解發(fā)現(xiàn)減壓閥內(nèi)部調(diào)節(jié)元件有磨損、蹭傷痕跡，其中主彈簧座球頭(以下簡稱球頭)磨損極為嚴(yán)重。根據(jù)減壓閥內(nèi)部各零件磨損現(xiàn)象分析和故障排查，球頭磨損是導(dǎo)致減壓閥出口壓力振蕩的主要原因。隨即對以往的典試產(chǎn)品進(jìn)行分解檢查，同樣存在球頭嚴(yán)重磨損的現(xiàn)象。球頭磨損可能導(dǎo)致減壓閥閥芯自找正能力降低，彈簧調(diào)節(jié)系統(tǒng)對中性不良，進(jìn)而導(dǎo)致內(nèi)部各調(diào)節(jié)零件間異常接觸、摩擦力增大，引起出口壓力的振蕩，從而影響減壓閥的工作可靠性。因此，亟需采用措施解決減壓閥球頭磨損的問題。

本文針對減壓閥球頭磨損的問題，開展故障機(jī)理分析，通過仿真軟件對球頭接觸處的應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行了計(jì)算，提出結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，并驗(yàn)證了改進(jìn)措施的有效性。

1 減壓閥球頭磨損故障

1.1 結(jié)構(gòu)介紹

減壓閥中壓蓋球窩(以下簡稱球窩)與主彈簧座球頭的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其作用是加載彈簧力時(shí)，減小摩擦力，防止膜片感壓元件受力褶皺，造成膜片的破壞或剛度改變，從而影響減壓閥的工作可靠性，廣泛應(yīng)用于液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)減壓閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。設(shè)計(jì)時(shí)球頭的圓弧一般小于或等于球窩的圓弧，通常球窩圓弧稍大一點(diǎn)。對于彈簧力較大的結(jié)構(gòu)應(yīng)選用圓弧半徑較大者，有利于提高球頭結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度；當(dāng)球頭與球窩圓弧尺寸存在一定差值時(shí)，有利于降低摩擦力，有利于減壓閥裝配和調(diào)整。某型減壓閥球窩和球頭的材料均為不銹鋼2Cr13，其中球窩半徑為2.5 mm，硬度為32～38；球頭半徑為2 mm，硬度為45～51。

圖1 球窩與球頭結(jié)構(gòu)圖

如圖2所示，裝配減壓閥時(shí)，先將主彈簧座放在彈簧上一并放入彈簧外套中，彈簧外套通過螺紋與壓緊套筒連接，在加載彈簧力的過程中，彈簧外套旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)球頭旋轉(zhuǎn)，起初球頭與球窩不接觸，隨著螺紋的旋合，球頭逐漸接觸球窩，由于壓蓋隨膜片一起壓緊固定，球窩處于靜止?fàn)顟B(tài)，球頭隨彈簧外套和彈簧處于轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)；隨著彈簧力的加載，力值逐漸增大，直至施加的彈簧力滿足減壓閥出口額定點(diǎn)的要求。當(dāng)額定點(diǎn)超出要求時(shí)，需卸載彈簧力重新調(diào)整。因此，在減壓閥的裝配及調(diào)試過程中，球頭與球窩逐漸接觸，接觸應(yīng)力逐步增大，并伴有球頭的旋轉(zhuǎn)。

圖2 減壓閥裝配過程示意圖

1.2 磨損現(xiàn)象分析

減壓閥球頭磨損如圖3所示，磨損部位呈現(xiàn)螺旋一周的深度劃痕，球頭頂端圓弧幾乎磨平。磨損部位除了細(xì)小的顆粒外，還有大塊的金屬顆粒，理化分析與球頭材料一樣。從磨損的形貌可以看出，當(dāng)減壓閥球頭與球窩發(fā)生相對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)才會(huì)出現(xiàn)該部位磨損現(xiàn)象，而裝配后的球頭在彈簧力的作用下與球窩配合壓緊，無摩擦運(yùn)動(dòng)。因此，球頭與球窩的磨損現(xiàn)象只能發(fā)生在減壓閥的裝配及調(diào)試過程中。

圖3 磨損(左)及脫落金屬塊(右)的照片

1.3 故障分析

將減壓閥主彈簧座球頭基體脫落作為頂事件，出現(xiàn)基體脫落的可能原因有球頭硬度偏低、球頭部位應(yīng)力超大及材料選用不合理，建立故障樹如圖4所示。

圖4 故障樹

對減壓閥球頭和球窩的硬度值進(jìn)行復(fù)測，實(shí)測硬度為47.6～48.2，滿足技術(shù)文件中硬度43～51的要求，故障模式X1排除。

采用軟件 ABAQUS對主彈簧座球頭結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算模型見圖5，設(shè)定主彈簧力為3 500 N，得到主彈簧座球頭的Mises應(yīng)力分布及等效塑性應(yīng)變分布，如圖6所示，接觸部位最大Mises應(yīng)力為1 339 MPa，最大等效塑性應(yīng)變0.031，接觸應(yīng)力已超過材料的屈服極限。因此，故障模式X2不能排除。

圖5 接觸部位計(jì)算模型

圖6 接觸部位應(yīng)力及應(yīng)變計(jì)算結(jié)果

通過對球頭和球窩磨損部位的顯微鏡觀察，部分金屬物黏著在球窩表面，而主彈簧座和壓蓋材料均為不銹鋼2Cr13，一般來說， 相同金屬或晶格類型，晶格間距、電子密度、電化學(xué)性質(zhì)相近的金屬，在高應(yīng)力的作用下易發(fā)生磨損。因此，故障模式X3不能排除。

綜上分析，故障模式X2、X3均不能排除。因此，本文對減壓閥球頭部位應(yīng)力和金屬材料配對副磨損開展研究。

2 不同硬度2Cr13組合下應(yīng)力/應(yīng)變

不同硬度的材料組合能夠提高抗黏附磨損能力，脆性材料的抗黏著性能比塑性材料好。因此，開展了不同硬度2Cr13球頭和球窩配對組合下，接觸點(diǎn)應(yīng)力和應(yīng)變的變化研究。首先采用不同的回火溫度對不銹鋼2Cr13鋼棒試樣進(jìn)行熱處理，對其力學(xué)性能進(jìn)行測試，獲得不同硬度下鋼棒2Cr13試樣力學(xué)性能，每種狀態(tài)鋼棒試樣各3件，測試結(jié)果取均值后各狀態(tài)力學(xué)性能如表1所示。

表1 鋼棒2Cr13不同硬度的力學(xué)性能(實(shí)驗(yàn)實(shí)測值)

按現(xiàn)有球頭和球窩的結(jié)構(gòu)尺寸，將不同硬度2Cr13實(shí)測的力學(xué)性能修正到仿真模型中，分別計(jì)算彈簧力3 kN、3.5 kN、4.2 kN 3種工況下，接觸點(diǎn)處的應(yīng)力與應(yīng)變。計(jì)算時(shí)，還考慮了球頭旋轉(zhuǎn)的摩擦力，球頭與球窩的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表2。由應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可以看出，隨著零件硬度提高，其接觸應(yīng)力增大；同一配對組合狀態(tài)下，隨著彈簧力的增大，球頭和球窩的最大應(yīng)力幾乎沒有變化，均略高于屈服強(qiáng)度，說明接觸部位已發(fā)生局部結(jié)構(gòu)變形和磨損。因此，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過材料熱處理獲得零件高硬度的方式不能解決磨損的問題，需通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)降低接觸應(yīng)力。

表2 不同球頭球窩組合應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

由表3所示應(yīng)變計(jì)算結(jié)果可以看出，隨著材料硬度提高，各零件的最大應(yīng)變降低；隨著彈簧力的增大，各零件的應(yīng)變均呈現(xiàn)增大趨勢，且球頭的應(yīng)變量相對更大，進(jìn)一步說明球頭強(qiáng)度不足是結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。

表3 不同球頭球窩組合應(yīng)變計(jì)算結(jié)果

為降低球頭的接觸應(yīng)力，將球頭半徑從2.0 mm增大至2.5 mm，仿真計(jì)算結(jié)果如表4、圖7所示，在最大工況下，球頭和球窩接觸處的最大應(yīng)力均未超過320 MPa，且遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，接觸部分均未發(fā)生塑性變形，說明球頭應(yīng)力超大的問題得到解決。

表4 改進(jìn)后不同球頭球窩組合應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖7 改進(jìn)后接觸部位應(yīng)力及應(yīng)變計(jì)算結(jié)果

3 金屬材料配對副磨損研究

磨損除了與接觸應(yīng)力大小密切相關(guān)外，還與材料的性質(zhì)有關(guān)。材料的晶體結(jié)構(gòu)決定材料的性質(zhì)，常見的晶體結(jié)構(gòu)包括面心立方晶體、密排六方晶體和體心立方晶體。其中面心立方結(jié)構(gòu)是層狀的，晶胞每個(gè)面上的原子多，晶胞之間相互滑移的位移短，造成了晶胞之間容易滑移錯(cuò)位，宏觀上表現(xiàn)為質(zhì)軟，容易變形，即容易被磨損、黏著。而密排六方金屬滑移系少，滑移過程中可能采取的空間位向少，故塑性差。體心立方金屬滑移系較多，故比密排六方金屬塑性好，但其滑移面原子密排程度不如面心立方，滑移方向的數(shù)量少于面心立方，故體心立方金屬不如面心立方金屬塑性好。因此，金屬材料配對副應(yīng)優(yōu)先采用密排六方晶體或體心立方晶體材料，避免采用面心立方晶體材料，特別要避免采用奧氏體鋼，此外還要避免使用同種金屬配對副。常用材料中鈦合金是以鈦為基礎(chǔ)加入其他元素組成的合金，鈦有兩種同質(zhì)異晶體，882 ℃以下為密排六方結(jié)構(gòu)α鈦，882 ℃以上為體心立方的β鈦。所以，采用鈦合金作為摩擦配對材料具有一定優(yōu)勢。

4 故障定位及機(jī)理分析

減壓閥球頭與球窩屬于點(diǎn)接觸，在較大彈簧力和旋轉(zhuǎn)摩擦力的作用下，局部接觸點(diǎn)的應(yīng)力較高，并超過了材料的屈服極限。由于球窩相對較軟，接觸部位產(chǎn)生塑性變形，在高應(yīng)力作用下伴隨著球頭的旋轉(zhuǎn)，接觸區(qū)域表面溫度急劇升高，導(dǎo)致接觸處材料熔化并形成黏結(jié)點(diǎn)，進(jìn)而發(fā)生焊合。焊合點(diǎn)的強(qiáng)度高于材料的抗剪強(qiáng)度，其原因是材料晶粒滑移面上的碎晶塊和附加晶格的強(qiáng)烈扭曲，增大了滑移阻力，使其繼續(xù)滑移難于進(jìn)行，在后續(xù)摩擦副的反復(fù)旋轉(zhuǎn)摩擦過程中，摩擦系數(shù)增大，引起球頭與球窩金屬基體的撕裂，在兩者接觸表面出現(xiàn)擦傷和劃傷，從而形成黏附磨損。該磨損過程發(fā)生得非常突然，往往一連串動(dòng)作就發(fā)生在短短幾秒鐘內(nèi)。由于主彈簧座硬度較高，材料相對較脆，焊合點(diǎn)墊在球頭與球窩之間，進(jìn)一步阻礙了主彈簧座球頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，球頭出現(xiàn)崩碎、顆粒。減壓閥球頭的磨損現(xiàn)象，前期為黏附磨損，后期主要為磨料磨損。

5 結(jié)構(gòu)改進(jìn)及試驗(yàn)驗(yàn)證

從減小接觸應(yīng)力和避免黏附磨損的改進(jìn)思路出發(fā)，根據(jù)目前型號常用的球頭與球窩組合和仿真計(jì)算結(jié)果，將球頭半徑增大至2.5 mm，并策劃了4種不同材料的組合方案，每種方案各3套配對零件，分別裝配到減壓閥上進(jìn)行磨損對比試驗(yàn)，每種狀態(tài)每套配對零件磨損10次，將減壓閥彈簧外套由自由狀態(tài)擰至額定點(diǎn)附近，再退至自由狀態(tài)為1次磨損試驗(yàn)，最終通過磨損的程度確定優(yōu)選組合。

改進(jìn)方案磨損試驗(yàn)對比如表5所示，結(jié)果表明同種類型的材料配對時(shí)，磨損比較嚴(yán)重，與材料的力學(xué)性能無關(guān)。J1、J2為同種類型材料組合，磨損嚴(yán)重。J3、J4為異種材料組合，磨損較輕或幾乎看不出磨損，說明相同的應(yīng)力下異種材料具有較好的耐磨性。通過J2與J3磨損照片對比發(fā)現(xiàn)，鈦合金TC4 比不銹鋼1Cr11Ni2W2MoV的強(qiáng)度低很多，但后者磨損很嚴(yán)重，進(jìn)一步說明磨損與材料的晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，與材料硬度無直接關(guān)系。通過J3與J4磨損照片對比發(fā)現(xiàn)，J3狀態(tài)球頭無磨損痕跡。因此，最終減壓閥采用J3的改進(jìn)方案。

表5 減壓閥球窩/球頭磨損對比

改進(jìn)后的減壓閥經(jīng)過了力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)(振動(dòng)試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)，加速度試驗(yàn))、典型試驗(yàn)及整機(jī)試車考核，減壓閥各項(xiàng)性能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，分解檢查主彈簧座球頭、壓蓋球窩無磨損現(xiàn)象，磨損問題得到徹底解決。目前改進(jìn)措施已成功應(yīng)用到多個(gè)型號的減壓閥中，并經(jīng)過飛行考核。

6 結(jié)束語

利用仿真和試驗(yàn)相結(jié)合的方法，分析了減壓閥主彈簧座球頭磨損的故障機(jī)理，并提出結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施，通過磨損對比試驗(yàn)驗(yàn)證，確定了減壓閥的最終改進(jìn)方案。經(jīng)過減壓閥多個(gè)批次試驗(yàn)考核，球頭磨損的問題得到徹底解決，驗(yàn)證了改進(jìn)措施的有效性。研究結(jié)果表明，在接觸應(yīng)力未超出材料屈服強(qiáng)度的前提下，磨損與材料的晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，常用金屬材料鈦合金作為摩擦副材料具有一定的優(yōu)勢，為高應(yīng)力摩擦副材料的選用提供參考。