充氣卸荷開關(guān)泄漏機理分析

張連萬，薛立鵬，馬 飛，李文斌，余武江，張志廣

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

充氣卸荷開關(guān)泄漏機理分析

張連萬，薛立鵬，馬 飛，李文斌，余武江，張志廣

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

某發(fā)射場進行火箭發(fā)動機氣瓶充氣時出現(xiàn)充氣卸荷開關(guān)關(guān)閉后泄漏故障，分解卸荷開關(guān)后發(fā)現(xiàn)卸荷開關(guān)閥芯導(dǎo)向部位存在異常磨損，且閥芯非金屬密封面周向密封壓痕深度不均勻，結(jié)合故障形貌，采用有限元仿真計算壓痕深度，對泄漏故障的根本原因進行深入剖析。分析結(jié)果表明：卸荷開關(guān)閥芯導(dǎo)向部位存在微小原始缺陷，多次動作后在閥芯與殼體導(dǎo)向部位產(chǎn)生粘著磨損，閥芯在殼體導(dǎo)向孔中回位發(fā)生偏斜，造成閥芯非金屬密封面出現(xiàn)不均勻壓痕，最終導(dǎo)致卸荷開關(guān)在測試時漏率超標。

卸荷開關(guān)；形貌分析；有限元分析；泄漏機理

0 引言

充氣卸荷開關(guān)是運載火箭增壓輸送系統(tǒng)關(guān)鍵單機之一，在火箭發(fā)射準備階段用于向發(fā)動機控制及吹除氣瓶充放氣。通過手動操作使卸荷開關(guān)打開或關(guān)閉，實現(xiàn)充氣路的導(dǎo)通和關(guān)閉。在某次運載火箭發(fā)射場測試過程中，出現(xiàn)了卸荷開關(guān)泄漏現(xiàn)象，導(dǎo)致氣瓶壓力異常，影響了后續(xù)測試工作。因此閥門零部件損傷或缺陷對其性能影響的研究顯得越來越重要。

對于閥門零部件損傷失效分析和有限元分析方面，研究人員提出了一些行之有效的方法。王偉等通過對彈性材料平頭壓痕試驗的有限元數(shù)值模擬，比較了荷載-位移曲線和接觸面分布應(yīng)力的理論解和數(shù)值解[1]。孫淵等利用有限元法分析了不同材料在載荷作用下接觸區(qū)域的彈塑性行為，研究結(jié)果表明載荷、材料屈服強度對壓痕彈塑性行為影響大，而彈性模量、泊松比對其壓痕彈塑性行為影響較小[2]。閆五柱等通過研究壓頭尺寸對穩(wěn)態(tài)壓痕速率的影響規(guī)律，提出了由試驗確定穩(wěn)態(tài)蠕變參數(shù)的一種新方法[3]。于善虎、沃恒洲等利用掃描電鏡分析了針閥密封錐面磨損形貌及其磨損機制[4-5]。趙雙龍、董東等針對閥門由于閥芯/閥座撞擊變形導(dǎo)致閥芯卡死以及活門桿彎曲卡死現(xiàn)象，進行了失效機理分析[6-7]。目前，對壓痕單獨進行有限元仿真的研究較多，但將壓痕分析(宏觀形貌、微觀形貌、金相分析、硬度檢測)和有限元方法結(jié)合起來進行泄漏機理分析的研究較少，尤其對于閥門閥芯導(dǎo)向與非金屬壓痕影響關(guān)系相關(guān)研究更少。

1 卸荷開關(guān)工作原理

充氣卸荷開關(guān)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，主要由殼體、頂桿、彈簧、閥芯及卸荷閥芯等組成。閥門工作原理：當(dāng)需要為氣瓶充氣時，通過旋進頂桿，頂開卸荷閥芯，卸荷閥芯帶動閥芯打開，實現(xiàn)充氣功能，充氣完畢后，旋出頂桿，卸荷閥芯在回位彈簧力作用下帶動閥芯回位，實現(xiàn)密封；當(dāng)需要為氣瓶放氣時，通過旋進頂桿，頂開卸荷閥芯，閥芯在不平衡面積氣壓力作用下打開，實現(xiàn)放氣功能，放氣完畢后，旋出頂桿，在回位彈簧的作用力下，閥芯、卸荷閥芯實現(xiàn)回位。此外，卸荷開關(guān)可實現(xiàn)自動補壓功能，原理是：頂桿旋出狀態(tài)下，當(dāng)入口壓力與出口壓力壓差大于彈簧力時，閥芯打開實現(xiàn)自動補壓，此功能一般在射前使用。

2 卸荷開關(guān)泄漏現(xiàn)象

在某次運載火箭發(fā)射場測試過程中，充氣卸荷開關(guān)關(guān)閉后，通過地面配氣臺開關(guān)將地面充氣管路的壓力放氣至0 MPa表壓，放氣后關(guān)閉地面放氣開關(guān)，此時發(fā)現(xiàn)地面管路壓力異常上升，氣瓶壓力異常下降，初步判斷充氣卸荷開關(guān)泄漏。

將卸荷開關(guān)分解，發(fā)現(xiàn)閥芯非金屬密封面整周存在環(huán)形壓痕，整周壓痕存在錯位，其中弧長約15.5 mm區(qū)域(所夾圓心角約142°)壓痕相對較深、較寬，整體呈扁月牙形，測得壓痕中部最大寬度約0.73 mm，最大深度約114 μm，其他區(qū)域壓痕深度、寬度均較均勻，測得深度約14 μm、寬度約0.36 mm，具體如圖2所示，此外目視閥芯與殼體配合導(dǎo)向部位存在異常磨損；分解典試件(與故障產(chǎn)品同批的典試產(chǎn)品)，觀察發(fā)現(xiàn)典試件非金屬壓痕整周均勻，導(dǎo)向部位無異常磨損。

3 零組件損傷形貌分析

3.1 宏觀形貌分析

1)對卸荷開關(guān)閥芯非金屬密封面進一步放大觀察，整周壓痕呈明顯的擠壓形貌，未見明顯的材料缺陷、嵌入表面的多余物及其他損傷痕跡；

2)閥芯導(dǎo)向面距密封端約4.4 mm處整周存在寬約0.8～1.4 mm的軸向多次往復(fù)磨損痕跡，其中大部分為磨損程度較輕，而在弧長約16.0 mm區(qū)域磨損程度較為嚴重，見圖3所示；

3)與閥芯導(dǎo)向面配合的殼體導(dǎo)向面距內(nèi)端頭R0.5軸向約0.24 mm處周向弧長約16.2 mm區(qū)域呈多次往復(fù)磨損形貌，磨痕寬約1.0～1.3 mm，與閥芯導(dǎo)向面磨損痕跡具有對應(yīng)關(guān)系，但磨損程度較閥芯導(dǎo)向面稍輕，磨損區(qū)域表面未見明顯的異常多余物存在，如圖3所示。

3.2 微觀形貌分析

將卸荷開關(guān)閥芯置于掃描電鏡下進行微觀形貌觀察，導(dǎo)向匹配面磨損區(qū)域呈層疊狀，可見物質(zhì)轉(zhuǎn)移及堆積現(xiàn)象，未見斷裂特征及外來多余物存在；能譜分析結(jié)果表明損傷區(qū)域與正常區(qū)域成分一致，含有Fe(主)、Cr(18.3%)、Ni(9.1%)、Mn(1.4%)、Si(1.4%)、Ti(0.3%)元素，主合金元素及含量與1Cr18Ni9Ti牌號相符，微觀形貌見圖4所示。

3.3 紅外光譜分析及硬度測試

對故障件閥芯及典試件閥芯非金屬密封面材料進行紅外光譜分析，結(jié)果表明材料主成分一致均為聚酰亞胺；對故障件閥芯及典試件閥芯非金屬密封面進行邵氏D硬度測試，結(jié)果見表1，閥芯密封面材料硬度未見明顯差異。

表1 非金屬(聚酰亞胺)邵氏D硬度測試結(jié)果

4 壓痕有限元分析

為分析卸荷開關(guān)泄漏問題，利用Abaqus[8-10]

分析軟件建立了閥芯偏斜狀態(tài)壓于閥座的有限元分析模型，有限元建模時對結(jié)構(gòu)進行了簡化，建立閥芯和閥座局部模型，閥芯和閥座均采用C3D8R單元。工作狀態(tài)氣體壓力對閥芯的作用力約為2 261 N，計算工況為閥芯分別偏轉(zhuǎn)0°和0.7°，閥芯在集中力作用下壓貼在閥座，然后去掉集中力讓閥芯密封塑料自動恢復(fù)，而閥座固定，并允許閥芯Y向位移自由。

有限元分析結(jié)果如表2所示，閥芯正常回位狀態(tài)下，閥芯偏轉(zhuǎn)0°時閥芯非金屬壓痕周向均勻，最大壓痕深約為22.84 μm，閥芯偏轉(zhuǎn)0.7°時(考慮導(dǎo)向間隙)閥芯非金屬壓痕周向不均勻，壓緊的一邊最大壓痕深約108 μm，與故障件壓痕114 μm接近。

5 泄漏機理分析

故障件殼體靠近入口方向、距R0.5倒角約0.24 mm處存在軸向?qū)挾?.0～1.3 mm、周向?qū)挾?6.2 mm異常磨損，且閥芯相應(yīng)位置也存在異常磨損情況(距非金屬端面4.4 mm處，軸向?qū)挾?.8～1.4 mm、周向?qū)挾?6.0 mm)，磨損區(qū)域在行程范圍內(nèi)。根據(jù)失效分析，此異常磨損為多次磨損積累導(dǎo)致。

表2 非金屬壓痕深度計算結(jié)果

閥芯及殼體磨損位置情況如圖5所示。

比對充氣卸荷開關(guān)典試件情況，在導(dǎo)向副間，若沒有原始缺陷或多余物等外部干擾，不會形成異常磨損。由于沒有發(fā)現(xiàn)多余物，所以最大可能為存在原始缺陷。在導(dǎo)向區(qū)域存在微小原始缺陷，經(jīng)閥芯與殼體多次相對運動后，磨損逐漸在軸向、周向累積擴展(由于彈簧壓縮時會產(chǎn)生一定扭矩，從而導(dǎo)致在每次閥芯動作時可能會有一定轉(zhuǎn)動，所以會產(chǎn)生周向磨損積累)，動作次數(shù)較少時，磨損導(dǎo)致的阻滯力較小，沒有造成閥芯偏斜，所以閥門密封良好。在后續(xù)測試期間，異常磨損積累導(dǎo)致了閥芯動作不靈活，使閥芯回位出現(xiàn)偏斜，在氣瓶高壓氣體的壓力作用下，原本由密封面整圈承擔(dān)的密封壓力，大部分集中在了約1/3圈，閥芯局部密封部位壓力增大，從而導(dǎo)致壓痕偏深。閥門再次動作時，由于已經(jīng)形成了不均勻壓痕，壓痕較深處與閥座貼合不好或存在間隙，形成了不可恢復(fù)性泄漏通道。

6 結(jié)論

充氣卸荷開關(guān)作為發(fā)動機控制及吹除系統(tǒng)重要單機之一，其性能直接影響著系統(tǒng)的工作可靠性。基于該充氣卸荷開關(guān)泄漏案例，在故障分析過程中，利用掃描電鏡和有限元仿真分析方法，分析了卸荷開關(guān)閥芯及殼體導(dǎo)向部位磨損形貌及其磨損機制，對卸荷開關(guān)泄漏機理進行了深入研究分析。分析結(jié)果表明，卸荷開關(guān)泄漏的故障機理為閥芯導(dǎo)向部位存在微小原始缺陷，多次動作后磨損加劇，異常磨損積累造成閥芯動作不靈活，使閥芯回位出現(xiàn)偏斜，從而導(dǎo)致閥芯非金屬壓痕深度不均勻，最終出現(xiàn)泄漏。這種問題定位及分析方法可用于其他閥門泄漏及損傷分析，具有方法參考價值。

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Analysis on leakage mechanism of unloading valve

ZHANG Lianwan，XUE Lipeng，MA Fei，LI Wenbin，YU Wujiang，ZHANG Zhiguang

(Beijing Institute of Astronautical System Engineering，Beijing 100076，China)

When inflating gas to a gas vessel of rocket engine at a launching site，a leakage phenomenon occurred after the unloading valve was closed.Abnormal wear of the spool′s guiding part and an uneven indentation on non-metallic sealing surface were found by integrating the macro observation and micro morphology after breaking the valve.The finite element method is used to establish the model of spool and valve seat.It has verified that the calculated indentation depth is close to the measured depth.The analysis results indicate that there exists some tiny original defects in the spool’s guiding part of unloading valve，and adhesive wear appears due to the repeated motion between the spool′s guiding part and the guiding hole，which caused the return deflection of the spool in the guide hole and uneven indentation in non-metallic sealing surface，eventually led to leakage of unloading valve during the test.

unloading valve; morphology analysis; FEA; leakage mechanism

V432-34

A

1672-9374(2017)05-0034-05

2017-03-26；

2017-05-23

張連萬(1985—)，男，工程師，研究領(lǐng)域為增壓輸送系統(tǒng)閥門設(shè)計

(編輯：馬杰)