一種新型溫控活門的研制

摘 要：溫控活門具有安裝簡(jiǎn)單、不需要外接能源且性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，常用于飛機(jī)滑油系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)中，通過旁路通斷優(yōu)化系統(tǒng)性能。常見的溫控活門僅為單系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力，本文設(shè)計(jì)了一種新型溫控活門，能夠感受燃油的溫度，控制滑油旁路的開關(guān)，進(jìn)而調(diào)節(jié)燃油的溫度高低。感溫元件連接燃油系統(tǒng)和滑油系統(tǒng)，將動(dòng)密封改為靜密封，可增加系統(tǒng)可靠性并提高系統(tǒng)性能。

關(guān)鍵詞：溫控活門；燃油系統(tǒng)；滑油系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TH 69" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

按照工作原理，溫控活門可分為自力式溫控活門和電動(dòng)溫控活門[1]。電動(dòng)溫控活門由恒溫控制器感應(yīng)環(huán)境溫度，并由連接件控制閥體閥芯移動(dòng)，這種閥門常用于民品室內(nèi)溫度精確控制，需要外部能源且結(jié)構(gòu)較大；自力式溫控活門利用材料本身熱脹冷縮原理實(shí)現(xiàn)閥芯開、關(guān)，具有安裝簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊且性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，常用于汽車、飛機(jī)等滑油系統(tǒng)中，客戶可以根據(jù)自身對(duì)溫度的需求定制不同的溫控活門。

某型發(fā)動(dòng)機(jī)為優(yōu)化整體性能和提高能量利用率，需要在燃油-滑油散熱器前段增加控溫裝置——溫控活門[2]。自力式溫控活門以其自動(dòng)控溫、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和流量穩(wěn)定等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于石油、化工和供暖等系統(tǒng)中。為滿足某型發(fā)動(dòng)機(jī)控溫的要求，本文對(duì)傳統(tǒng)的溫控活門進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示，功能原理圖如圖2所示。閥芯感受燃油系統(tǒng)的溫控可以調(diào)節(jié)滑油旁路的開關(guān)，結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的感溫元件仍然通過石蠟的熱脹冷縮來推動(dòng)導(dǎo)向桿伸長(zhǎng)并調(diào)節(jié)活門開度。

1 工作原理和結(jié)構(gòu)組成

溫控活門是現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，其自控功能對(duì)保證發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。溫控活門的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由上下端蓋、感溫元件、彈簧和密封圈組成。

這款活門通過感溫元件來感知燃油溫度的變化，進(jìn)而控制滑油旁路的開啟與關(guān)閉。其安裝位置為發(fā)動(dòng)機(jī)附件傳動(dòng)機(jī)匣油濾組件，可確保發(fā)動(dòng)機(jī)在各種工作條件下都能得到適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑和冷卻。

工作原理如圖2所示。當(dāng)燃油溫度低于（27±5）℃時(shí)，溫控活門會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，此時(shí)滑油通過燃油加熱器進(jìn)行加熱，以確保其達(dá)到適合發(fā)動(dòng)機(jī)工作的溫度。當(dāng)燃油溫度高于（40±5）℃時(shí)，感溫元件會(huì)感知到這一變化并伸長(zhǎng)，進(jìn)而打開活門，使大部分滑油繞過燃油加熱器直接流向滑油濾芯，僅少部分滑油通過加熱器流出。該設(shè)計(jì)旨在根據(jù)燃油溫度的變化，自動(dòng)調(diào)整滑油的加熱和旁通，以實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的溫度控制。通過這種方式，溫控活門不僅能夠提高發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率，還能延長(zhǎng)使用壽命，減少因溫度過高或過低導(dǎo)致的故障和損壞。

2 詳細(xì)設(shè)計(jì)

主要設(shè)計(jì)指標(biāo)見表1。

2.1 流阻校核和流通面積計(jì)算

根據(jù)流量Q、介質(zhì)密度ρ和最小流阻等要求，可以得到所需的最小流通面積Smin。

前后壓差如公式（1）所示[3]。

ΔP=1/2μρυ2 （1）

式中：ΔP為前后壓差；μ為流阻系數(shù)；υ為流體速度。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，流阻系數(shù)選取4～6，可根據(jù)具體的活門形式來選取不同的流阻系數(shù)（參考老活門的技術(shù)指標(biāo)），也可根據(jù)閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)等相關(guān)書籍推算，理論推算后同樣需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)乘比例因子。

ρ為流體介質(zhì)密度，密度是隨溫度而變化的，一般取定值。ν為流體介質(zhì)流速，如公式（2）所示。

v=Q/Smin （2）

式中：Q為額定流量；Smin為最小流通面積。

根據(jù)公式（1）、公式（2）可以得到所需最小流通面積，乘以安全系數(shù)1.1（靈活選?。?，可以得到所需流通面積。

綜上所述，當(dāng)活門流通面積為254.34mm2，即活門流通通徑為18mm時(shí)，取流阻系數(shù)為5.1，活門的流阻為16.99kPa，在要求的范圍內(nèi)。

2.2 活門最大開度和殼體最大內(nèi)徑計(jì)算

活門最大開度K是活門是否能夠完全開啟的關(guān)鍵指標(biāo)[4]，如公式（3）所示。

K·πD=Smin （3）

式中：D為最小流通面積的真實(shí)通徑；π取3.14。

一般公式（3）可簡(jiǎn)化為K=D/4。

在活門的整個(gè)流通過程中，最小流通面積是流體在流道過程中的最小橫截面積，流體流出活門后有一圈環(huán)形最小面積，它決定了殼體最小內(nèi)徑，如公式（4）所示。

π（Dmin2-Ddmax2）/4=Smin （4）

式中：Dmin為殼體內(nèi)徑；Ddmax為活門最大直徑。

將活門通徑18mm帶入上述公式，可得K開度為4.5mm，殼體最小內(nèi)徑為25.4mm。

2.3 上、下端蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

上、下端蓋是燃滑油溫控活門中關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。主要作用是承壓、耐振、協(xié)助活門運(yùn)動(dòng)以及與其他零部件進(jìn)行安裝連接。采用不銹鋼0Cr17Ni4Cu4Nb，HRC≥38，表面鈍化處理，能夠保證產(chǎn)品使用要求。

設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮上、下端蓋的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、耐腐性能，還要保證活門在下端蓋的運(yùn)動(dòng)和密封功能。為了保證活門運(yùn)動(dòng)順暢，下端蓋與活門采用小間隙配合，配合公差為0.1～0.18，配合面粗糙度設(shè)計(jì)為Ra0.4。另外，下端蓋導(dǎo)向面圓度設(shè)計(jì)為0.05，粗糙度設(shè)計(jì)為Ra0.8。

2.4 溫控組件設(shè)計(jì)

溫控組件由上端蓋、感溫元件和密封圈組成，如圖4所示。感溫元件安裝有密封圈，可與機(jī)匣油濾組件殼體進(jìn)行徑向密封，將燃油腔與滑油旁通油路分開。上端蓋安裝有密封圈，可防止燃油液體外漏。感溫元件頭部由螺紋與上端蓋螺紋孔進(jìn)行連接，形成溫控組件。

當(dāng)燃油溫度低于（27±5）℃時(shí)，感溫元件內(nèi)部石蠟處于收縮狀態(tài)，滑油旁通油路完全關(guān)閉。當(dāng)燃油溫度逐漸升高時(shí)，石蠟受熱產(chǎn)生固液相變并膨脹，推動(dòng)頂桿產(chǎn)生動(dòng)力和行程，頂桿逐漸伸長(zhǎng)頂開活門，滑油旁通油路逐漸打開。當(dāng)燃油溫度達(dá)到（40±5）℃時(shí)，滑油旁通油路完全開啟。

2.5 關(guān)鍵特性分析

2.5.1 活門密封性設(shè)計(jì)

選擇活門密封形式時(shí)，需要綜合考慮客戶對(duì)泄漏量的嚴(yán)格要求、實(shí)際使用環(huán)境以及常開/常閉的工作狀態(tài)[5]。例如，在發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)中，滑油系統(tǒng)屬于熱邊，而空氣、燃油等則屬于冷邊。通常換熱器可為燃油加溫，同時(shí)也為滑油系統(tǒng)降溫。當(dāng)燃油溫度較低時(shí)，冷邊滑油進(jìn)入換熱器加熱燃油；當(dāng)燃油溫度過高時(shí)，溫控活門會(huì)旁通換熱器。由于金屬錐形活門具有較長(zhǎng)的使用壽命和良好的維護(hù)性，因此選擇金屬錐形活門更合適。

這款活門采用不銹鋼圓錐形設(shè)計(jì)，其關(guān)鍵功能是在燃油溫度達(dá)到（40±5）℃時(shí)自動(dòng)關(guān)閉，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。為了確保產(chǎn)品的密封性能，本文將錐形圓面作為密封面，并嚴(yán)格提升了2個(gè)零件間配合面的圓度和粗糙度。該設(shè)計(jì)不僅保證了密封的可靠性，同時(shí)也增強(qiáng)了產(chǎn)品的耐用性和穩(wěn)定性。

2.5.2 活門導(dǎo)向設(shè)計(jì)

導(dǎo)向設(shè)計(jì)在溫控活門執(zhí)行機(jī)構(gòu)中具有重要作用。在活門設(shè)計(jì)中增加導(dǎo)向的主要目的是確保大流量介質(zhì)通過時(shí)，活門能夠穩(wěn)定工作，避免徑向滑動(dòng)或?qū)硬粐?yán)導(dǎo)致的關(guān)閉失效。

活門導(dǎo)向的設(shè)計(jì)分為小間隙導(dǎo)向和大間隙導(dǎo)向。小間隙導(dǎo)向雖然精度高，但當(dāng)介質(zhì)雜質(zhì)較多時(shí)，其抗污染能力較弱，易出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象，并且生產(chǎn)成本高昂，對(duì)安裝后的徑向間隙控制要求較高。大間隙導(dǎo)向雖然能應(yīng)對(duì)一定程度的雜質(zhì)，但長(zhǎng)期運(yùn)行下易出現(xiàn)局部磨損，進(jìn)而在特定情況下出現(xiàn)卡滯。

綜合考慮上述因素，本文選擇導(dǎo)向間隙時(shí)，權(quán)衡各種因素，不推薦使用太小的間隙配合，最小間隙不得＜0.08mm。同時(shí)，參考經(jīng)過實(shí)際考核的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，本文確定采用0.1mm～0.18mm的間隙范圍，導(dǎo)向桿與孔的最小重合長(zhǎng)度為12mm。該設(shè)計(jì)既能保證活門的穩(wěn)定性，又能降低卡滯風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，在設(shè)計(jì)中本文還特別關(guān)注了盲孔的排液?jiǎn)栴}，以確?；铋T在各種工作環(huán)境下都能順暢運(yùn)行。

2.5.3 金屬材料耐溫情況

燃滑油溫控活門選用的金屬材料為不銹鋼棒022Cr17Ni12-

Mo2、0Cr17Ni4Cu4Nb和1Cr18Ni9。不銹鋼022Cr17Ni12Mo2優(yōu)點(diǎn)突出，耐高溫且耐腐蝕性優(yōu)異。彈簧采用1Cr18Ni9奧氏體不銹鋼，將其進(jìn)行鈍化處理，可進(jìn)一步提高耐腐蝕性能。

3 溫控活門仿真驗(yàn)證

Ansys強(qiáng)度仿真是一種基于有限元分析（FEA）的仿真技術(shù)，用于預(yù)測(cè)和分析工程結(jié)構(gòu)在各種外部載荷（如力、壓力和溫度等）下的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性等性能。Ansys是一款功能強(qiáng)大的仿真軟件，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、電子、機(jī)械以及土木工程等領(lǐng)域。

在Ansys強(qiáng)度仿真中，首先需要根據(jù)溫控活門的三維結(jié)構(gòu)建立數(shù)學(xué)模型，并定義材料的屬性、邊界條件和載荷等參數(shù)。整體應(yīng)力云圖如圖5所示。其次，通過有限元網(wǎng)格劃分將結(jié)構(gòu)離散化為有限個(gè)單元，每個(gè)單元間通過節(jié)點(diǎn)連接。再次，通過求解線性或非線性方程組，得到結(jié)構(gòu)在載荷作用下的位移、應(yīng)力和應(yīng)變等響應(yīng)。最后，通過后處理功能查看和分析仿真結(jié)果，以評(píng)估活門零組件的性能，并找出潛在問題。

溫控活門的技術(shù)要求是滑油壓力為1.4MPa時(shí)保壓3min，保證燃滑油溫控活門無變形損壞；滑油壓力為2.8MPa時(shí)保壓3min，保證燃滑油溫控活門無破裂等。

在氣密試驗(yàn)壓力為1.4MPa的工況下，上端蓋應(yīng)力最大值為18.697MPa，小于材料屈服強(qiáng)度177MPa；下端蓋應(yīng)力最大值為9.791MPa，小于材料屈服強(qiáng)度1000MPa；活門應(yīng)力最大值為12.142MPa，小于材料屈服強(qiáng)度1000MPa；整體應(yīng)力最大值為18.697MPa，滿足各零部件使用要求。

4 溫控活門性能驗(yàn)證

本文重新設(shè)計(jì)了一款新型溫控活門，在燃滑油實(shí)驗(yàn)臺(tái)上主要測(cè)試了溫控活門的初開溫度和全開溫度、流阻和流通能力。試驗(yàn)情況見表2。

比較統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算數(shù)據(jù)可以看出，試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果擬合程度較好。

5 結(jié)語

本文主要介紹了溫控活門的常用計(jì)算公式，對(duì)其增加了流阻系數(shù)進(jìn)行修正，試驗(yàn)證明該計(jì)算公式較準(zhǔn)確。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，40℃以后，感溫元件繼續(xù)伸長(zhǎng)，對(duì)流通能力基本無影響，可見，活門流通能力的計(jì)算是全過程的計(jì)算，不僅要考慮活門通徑，還要評(píng)估后續(xù)開度對(duì)其的影響。

本文設(shè)計(jì)的新型溫控活門結(jié)構(gòu)在仿真和試驗(yàn)過程中通過了額定壓力的考驗(yàn)，表明該種結(jié)構(gòu)具有一定參考價(jià)值。

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