3、設計
3.1、材料選用
航天火箭用低溫推進劑一般有液氫、液氧和氟等,因此要求閥門材料能耐低溫、耐腐蝕與低溫介質(zhì)相容并具有比較低的導熱性。目前,運用較多的金屬材料有奧氏體鋼、銅或鋁等,非金屬材料有玻璃鋼、聚四氟乙烯等。
從金相考慮,金屬材料中具有面心立方晶格的奧氏體鋼、銅和鋁在低溫狀態(tài)下不會出現(xiàn)低溫脆性,但因鋁及鋁合金的硬度不高,鋁密封面的耐磨、耐擦傷性能差,所以在低溫閥門中的使用有一定的限制,僅用于低壓和小口徑閥門中。
低溫閥門用墊片必須在常溫、低溫及溫度變化下具有可靠的密封性和復原性,因此一般選擇性能變化小的墊片材料。如浸漬聚四氟乙烯的石棉填料或成型塑料件填料,而玻璃鋼由于導熱系數(shù)很小,大多用作熱橋元件。
3.2、密封結(jié)構(gòu)
在關(guān)閉件設計時,閥座采用較硬的材料———不銹鋼,閥瓣采用較軟的材料———銅,當?shù)蜏叵聤W氏體發(fā)生相變時,密封面高低不平,軟材料在操作力的作用下產(chǎn)生形變而使其與閥座貼合緊密,補償由于熱應力和組織應力引起的材料變形,解決了高壓低溫工況下的密封性問題。
3.3、絕熱結(jié)構(gòu)
為較好地實現(xiàn)低溫截止閥的絕熱,將閥蓋設計成細長結(jié)構(gòu),加長熱橋,防止因填料函部分過冷而使處在填料函部位的閥桿以及閥蓋上部的零件結(jié)霜,影響使用。采用隔熱墊(材料為環(huán)氧酚醛層壓玻璃鋼布)將閥桿分為上、下兩部分,減小熱流,實現(xiàn)絕熱。閥門整體采用外絕熱形式,使用聚氨脂發(fā)泡保溫,保層厚200mm。
4、故障分析
低溫截止閥應用于試驗系統(tǒng)后,出現(xiàn)了無法動作的故障。在對該閥解體后發(fā)現(xiàn),閥桿與閥蓋出現(xiàn)了咬合,閥桿表面的中心線對稱位置處有兩處較深的劃痕,與之相配的閥蓋下法蘭相應位置上也有兩處劃痕。經(jīng)過分析,引起故障的原因有兩方面。
(1)存儲期
閥門存放期間水平放置并處于開啟狀態(tài),閥桿與閥瓣形成懸臂梁結(jié)構(gòu),懸臂長147mm,懸臂重418kg。由于重力作用引起下閥桿彎曲,使得下閥桿和閥蓋法蘭孔同軸度偏差增大。原設計中同軸度最大偏差為0.1mm,拆除后實測同軸度偏差約為0.4mm。由于兩零件材料均為OCr18Ni9不銹鋼,低溫下無法進行潤滑,動作時由于同軸度偏差大產(chǎn)生咬合現(xiàn)象。
(2)加工期
經(jīng)檢查,閥蓋上的銷釘槽沒有按圖紙加工(圖1)。將圖紙中的方形槽加工成圓弧形槽,影響了銷釘和銷釘槽的正常配合,下閥桿承受側(cè)向力,從而導致下閥桿和閥蓋產(chǎn)生干涉。
5、改進
針對分析中存在的問題,對低溫截止閥結(jié)構(gòu)做了改進。
(1)閥桿與閥蓋配合部分在下閥桿<51mm處壓入一個H62銅套(圖2),不銹鋼OCr18Ni9硬度160HB,黃銅H62硬度56HB,采用這種方式可避免同種材料直接接觸而產(chǎn)生咬合現(xiàn)象。將閥蓋下法蘭孔<51mm加工至<57mm,與下閥桿相應處采用間隙配合(H8/f7),既保證了配合件具有較小的動摩擦力,又起到了導向作用。
(2)閥桿防轉(zhuǎn)裝置銷釘和銷釘槽配合的作用是避免閥桿旋轉(zhuǎn)。由于該閥的閥瓣、閥桿、汽缸和活塞等為回轉(zhuǎn)體,其閥桿是否旋轉(zhuǎn)對其密封和啟閉性能不會產(chǎn)生影響。為了避免由于銷釘和銷釘槽配合不當而使下閥桿承受側(cè)向力,取消了銷釘。
6、結(jié)語
改進后的截止閥在實際使用中動作性能良好。一般情況下,低溫閥門運動副在間隙適當時,可以采用不銹鋼,但是長期使用在有側(cè)向力或者軸變形工況時易產(chǎn)生咬合,因此盡量不用。另外,閥門要豎直放置和使用,長期不用時,應使閥門處于關(guān)閉狀態(tài)。
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