蝶閥串漏量問(wèn)題分析及試驗(yàn)

摘 要：本文介紹了飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)中蝶閥密封設(shè)計(jì)因素造成的泄漏問(wèn)題。目前，飛機(jī)中蝶閥防止內(nèi)漏的密封圈常為金屬漲圈，本文對(duì)其外圓與通道的貼合度和活門板槽的密封等進(jìn)行試驗(yàn)，所得結(jié)論如下。漲圈外圓和通道內(nèi)圓應(yīng)盡量匹配，應(yīng)進(jìn)行組合式裝配并嚴(yán)格要求漲圈端面的平面度，采用減少保險(xiǎn)絲孔裝配后的間隙等措施來(lái)減少蝶閥的串漏量。這樣不僅能保證產(chǎn)品串漏量一次裝試合格率，還能形成設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)蝶閥類產(chǎn)品串漏量結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)；蝶閥；串漏量；漲圈

中圖分類號(hào)：V 245 " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

我國(guó)國(guó)防的發(fā)展和航空航天技術(shù)的不斷進(jìn)步對(duì)機(jī)載蝶閥體積、質(zhì)量和耐環(huán)境的要求越來(lái)越高[1]。蝶閥主要負(fù)責(zé)對(duì)引氣進(jìn)行關(guān)斷控制和調(diào)節(jié)壓力，多處于嚴(yán)酷的機(jī)械環(huán)境，需要承受巨大的飛機(jī)振動(dòng)載荷和自身產(chǎn)生的共振，飛機(jī)的振動(dòng)頻率也會(huì)對(duì)蝶閥閥體產(chǎn)生模態(tài)應(yīng)力損傷，從而增加蝶閥竄漏量。作為飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)主要組成元件和重要的控制元件，蝶閥的位置越來(lái)越重要[2]。本文研究的主要內(nèi)容是漲圈、活門板和通道等蝶閥部件對(duì)串漏量的影響，找出漲圈、活門板和通道的設(shè)計(jì)參數(shù)與產(chǎn)品串漏量的關(guān)系，并探索其對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)的控制要求，為后續(xù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 蝶閥產(chǎn)品串漏量定位

蝶閥產(chǎn)品載關(guān)閉狀態(tài)下通過(guò)漲圈與活門板、通道形成密封。分析蝶閥活門結(jié)構(gòu)可知其主要串漏量來(lái)源如下。1）漲圈外圓與通道內(nèi)孔密封串漏。2）漲圈端面與活門板槽端面密封串漏。3）漲圈與活門板保險(xiǎn)絲孔串漏。如圖1所示。與非金屬密封相比，金屬密封在高溫引氣蝶閥中應(yīng)用較多，其優(yōu)點(diǎn)包括可在高溫下持續(xù)工作并保持良好的穩(wěn)定性；可在較低的壓差下工作，減少對(duì)外界條件的影響；金屬材料對(duì)腐蝕環(huán)境有更好的抵抗性及抗磨損性。金屬密封的缺點(diǎn)主要是彈性較差。金屬密封器需要較大的預(yù)緊力，因此電機(jī)要有較大扭矩才能帶動(dòng)活門板的密封面轉(zhuǎn)動(dòng)；金屬密封的密封面和通道的粗糙度、配合精度要求較高，細(xì)小的劃痕也會(huì)造成較大的泄漏量；金屬密封圈和通道的材料線膨脹系數(shù)不能太大。

常見(jiàn)蝶閥的金屬漲圈類型有“V”形密封圈，其密封唇有較好的活動(dòng)性和自適應(yīng)特性，可補(bǔ)償較大的公差和角度偏差。“O”形密封圈一般用于往復(fù)運(yùn)動(dòng)緩慢的調(diào)節(jié)流量閥門；矩形密封圈常用于通道為矩形的蝶閥類。在飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)中，蝶閥調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)頻繁，機(jī)械環(huán)境嚴(yán)酷，常采用的金屬漲圈類型為“V”形，金屬表面須做滲氮處理，以提高硬度，抵抗運(yùn)動(dòng)磨損。

分析蝶閥各處串漏量來(lái)源，串漏的主要原因如下。1）漲圈外圓粗糙度較低，不能和通道表面進(jìn)行嚙合，漲圈型線與通道內(nèi)廓也不能完全匹配，導(dǎo)致金屬漲圈外圓與通道內(nèi)孔密封泄漏。2）漲圈端面平面度較低，造成漲圈端面與活門板槽端面密封泄漏。3）活門板保險(xiǎn)絲孔與保險(xiǎn)絲存在間隙，造成活門板保險(xiǎn)絲孔串漏。

2 金屬漲圈外圓與通道內(nèi)孔密封分析

活門板與通道泄漏的原因是金屬漲圈外圓與通道不能完全嚙合，其中漲圈的材料選擇、通道的加工方式和熱表面處理都會(huì)影響通道的粗糙度、同心度等要素，從而影響蝶閥的密封性能。下面著重根據(jù)蝶閥的泄漏點(diǎn)分析機(jī)加工藝、粗糙度和嚙合對(duì)密封的影響。

2.1 漲圈外圓與通道內(nèi)孔密封串漏分析

對(duì)漲圈進(jìn)行受力分析，如圖2（b）所示，P0為產(chǎn)品入口壓力，在漲圈初始彈力的作用下，P0大于漲圈與通道間泄漏的氣體壓力PF。漲圈會(huì)受一個(gè)徑向向外的力，使?jié)q圈外圓進(jìn)一步與通道貼合，形成漲圈外圓與通道內(nèi)孔間密封[3]。因此，漲圈外圓與通道內(nèi)孔處密封的主要原因是漲圈外圓與通道不貼合，主要影響因素包括漲圈型線與通道不匹配造成的嚙合度低、漲圈與通道粗糙度低。

2.2 漲圈型線與通道不匹配分析

當(dāng)漲圈外圓與通道內(nèi)孔在裝配狀態(tài)下型線不一致時(shí)，無(wú)法形成完整的徑向密封線。間隙處、漲圈外圓處同樣為入口壓力，在加壓狀態(tài)下依然無(wú)法使?jié)q圈壓緊在通道內(nèi)孔上。傳統(tǒng)漲圈的加工方式為按尺寸要求對(duì)內(nèi)孔、外圓進(jìn)行粗、精加工后，再對(duì)漲圈進(jìn)行切口，使?jié)q圈通過(guò)材料自身的塑性產(chǎn)生變形，具有一定的回彈力。在使用過(guò)程中，漲圈一般與通道內(nèi)孔過(guò)盈配合。漲圈裝配到通道后會(huì)發(fā)生變形，成為非標(biāo)準(zhǔn)圓形，導(dǎo)致部分密封部位存在縫隙，無(wú)法貼合，密封不連續(xù)，入口氣體直接通過(guò)縫隙串流到產(chǎn)品出口。同時(shí)，每次關(guān)閉時(shí)漲圈與通道的實(shí)際貼合狀態(tài)也不一致。串流的氣體使Pf值升高，漲圈受到的徑向氣動(dòng)壓緊力變小，與通道貼合減弱，導(dǎo)致串漏量大。

針對(duì)傳統(tǒng)漲圈型線與通道不貼合的情況，需要使?jié)q圈裝配時(shí)型線與通道盡可能一致。因此，在保證通道內(nèi)孔圓度的同時(shí)，應(yīng)盡可能保證漲圈外圓加工時(shí)尺寸與通道尺寸一致。同時(shí)，考慮漲圈初始的彈力會(huì)影響漲圈外圓與通道初始?jí)壕o狀態(tài)，進(jìn)而影響漲圈內(nèi)、外側(cè)壓差的建立，因此應(yīng)對(duì)漲圈進(jìn)行加工，步驟如下。先對(duì)漲圈進(jìn)行粗加工，然后對(duì)漲圈進(jìn)行切口。切口時(shí)應(yīng)計(jì)算切口角度的補(bǔ)償量，保證當(dāng)切口尺寸壓縮到要求尺寸時(shí)為平行狀態(tài)。初始切口尺寸與壓縮后要求尺寸差值應(yīng)盡可能大，漲圈初始?jí)壕o力才會(huì)大，更有利于減少串漏量。再將漲圈切口尺寸壓縮到要求尺寸并進(jìn)行固定，對(duì)漲圈內(nèi)、外圓進(jìn)行精加工，保證加工時(shí)漲圈狀態(tài)與漲圈裝配后狀態(tài)一致。改進(jìn)后的漲圈例圖如圖3所示。

2.3 漲圈與通道粗糙度低的分析

在微觀狀態(tài)下，漲圈與通道配合處存在較多孔隙，使?jié)q圈外圓與通道貼合處壓力（PF）升高，漲圈壓緊在通道內(nèi)孔的合力變小，進(jìn)而使產(chǎn)品入口氣體串流到產(chǎn)品出口[4]。因此，漲圈外圓與通道配合處應(yīng)有較高的粗糙度，Ra（表面粗糙度）≥0.8。同時(shí)，提高漲圈外圓與通道配合處的粗糙度也有利于減少蝶閥轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的摩擦力和磨損。

3 漲圈端面與活門板槽端面密封串漏分析

漲圈端面與活門板槽端面配合如圖4所示。在入口壓力P0的作用下，漲圈沿軸線被壓縮在活門板槽端面上，形成金屬面接觸密封。因此，影響漲圈端面與活門板槽端面密封的主要原因?yàn)闈q圈端面與活門板槽端面不貼合，主要影響因素為漲圈端面平面度較低。

查閱某機(jī)械廠內(nèi)部漲圈產(chǎn)品圖樣可知，產(chǎn)品均對(duì)端面平面度有所要求，一般為0.03。但檢查實(shí)際加工完成的漲圈可發(fā)現(xiàn)部分漲圈切口經(jīng)常發(fā)生一定的翹曲。其原因是在對(duì)切口處進(jìn)行去毛刺、倒角時(shí)，由于間隙較小，因此有時(shí)會(huì)存在漲圈錯(cuò)位變形后被加工的情況。當(dāng)變形量大于材料的塑性變形時(shí)，去除外力后漲圈不能恢復(fù)初始狀態(tài)，漲圈端面平面度也就無(wú)法保證。同時(shí)，在進(jìn)行漲圈裝配時(shí)，單板蝶閥活門會(huì)先將開(kāi)口的一側(cè)裝入活門板槽內(nèi)，按壓漲圈，使?jié)q圈變形時(shí)的其余部分依次進(jìn)入活門板槽內(nèi)。該過(guò)程同樣會(huì)導(dǎo)致漲圈發(fā)生不可恢復(fù)的變形，無(wú)法保證漲圈端面平面度。

因此在漲圈設(shè)計(jì)、加工、裝配的過(guò)程中，應(yīng)控制漲圈端面平面度，避免加工或裝配過(guò)程對(duì)漲圈端面平面度造成影響，進(jìn)而保證漲圈端面與活門板槽端面能夠密封。

4 活門板保險(xiǎn)絲孔串漏

為限制漲圈在活門板槽中的運(yùn)動(dòng)，避免漲圈向一側(cè)偏轉(zhuǎn)過(guò)多造成蝶閥卡滯，通?？稍诨铋T板和漲圈對(duì)應(yīng)位置鉆孔，并使用保險(xiǎn)絲進(jìn)行固定[5]。漲圈孔比保險(xiǎn)絲大，有一定的活動(dòng)量，同時(shí)可以通過(guò)保險(xiǎn)絲限制漲圈的活動(dòng)量（如圖4所示）。

以我廠某型交叉供氣活門為例。活門板保險(xiǎn)絲孔為?1mm，保險(xiǎn)絲采用1CrNi9Ti，絲徑為0.6mm，單個(gè)保險(xiǎn)絲孔通流面積為0.5m2，入口壓力為表壓0.75MPa，出口為大氣壓時(shí)，串漏量約為2.4kg/h，通過(guò)保險(xiǎn)絲孔的總串漏量約為9.6kg/h?；铋T板上孔的作用僅為穿過(guò)保險(xiǎn)絲，在能穿過(guò)保險(xiǎn)絲的情況下應(yīng)盡可能小。如果將蝶板上保險(xiǎn)絲孔直徑由?1mm改為?0.8mm，那么單個(gè)保險(xiǎn)絲孔通流面積減少約0.28m2，可計(jì)算出通過(guò)保險(xiǎn)絲孔總串漏量減少5.6kg/h，能有效減少產(chǎn)品實(shí)際串漏量。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述分析，對(duì)某機(jī)械廠交叉供氣活門進(jìn)行改進(jìn)，步驟如下。1）將漲圈與通道尺寸和公差調(diào)整一致，并將加工流程改為“初加工→切口→預(yù)裝配→精加工”。2）將鈦合金內(nèi)孔碳化鎢噴涂改為離子滲氮，將通道內(nèi)孔粗糙度由Ra3.2改為Ra0.8。3）挑選無(wú)翹曲變形的漲圈進(jìn)行裝配。4）將活門板保險(xiǎn)絲孔由?1mm改為?0.8mm。改進(jìn)后，入口壓力為表壓0.75MPa時(shí)，產(chǎn)品串漏量（產(chǎn)品通徑為?67mm）由40kg/h減至10kg/h。

6 結(jié)論

由上述分析可知，為保證蝶閥產(chǎn)品串漏量，應(yīng)注意如下4點(diǎn)。1）應(yīng)保證漲圈外圓型線與通道內(nèi)孔一致且尺寸、公差相同。2）漲圈外圓與通道內(nèi)孔粗糙度應(yīng)較高，一般為Ra≥0.8。3）應(yīng)控制漲圈端面平面度，同時(shí)避免加工和裝配過(guò)程中漲圈變形對(duì)端面平面度的影響。4）活門板上的保險(xiǎn)絲孔在能穿過(guò)保險(xiǎn)絲孔的前提下應(yīng)盡可能小。本文分析了蝶閥產(chǎn)品串漏量影響因素，識(shí)別了設(shè)計(jì)、加工、裝配等過(guò)程對(duì)蝶閥產(chǎn)品串漏量的控制要求，能有效減少蝶閥產(chǎn)品的串漏量，擴(kuò)大蝶閥產(chǎn)品的使用場(chǎng)景，為后續(xù)蝶閥類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、加工、裝配積累了經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

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