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冷氦電磁閥裝配性能對密封的影響研究與改進
2020-1-3 11:35 中國泵閥制造網 作者:何世林 白亞群 韓春陽 于長吉 王禹森 點擊:1848
【中國泵閥制造網 行業論文】冷氦電磁閥是運載火箭等產品中增壓輸送系統的重要結構單元,其在低溫振動條件下的密封性能差是亟待解決的技術難關。本文從冷氦電磁閥的密封結構入手,分析了閥芯與殼體形位公差和波紋帶的尺寸與安裝狀態對密封性能的影響,然后,在此基礎上提出同軸度公差與裝配間隙關聯表,并改進了波紋帶的形狀參數,提高了冷氦電磁閥的密封性能。本文的研究結果將為冷氦電磁閥的裝配參數選配和合格率提升提供理論分析基礎,從而為高密度的發

冷氦電磁閥裝配性能對密封的影響研究與改進

何世林 白亞群 韓春陽 于長吉 王禹森
首都航天機械有限公司

Analysis and Improvement of the Influence of Cryogenic He Solenoid Valve's Assembly Performance on SealingHE Shi-lin BAI Ya-qun HAN Chun-yang YU Chang-ji WANG Yu-senCapital Aerospace Machinery Co.,Ltd.

0 引言

運載火箭低溫閥門是運載火箭動力裝置增壓輸送系統的重要組成部分,其主要作用是執行流體介質通路的啟閉、保護系統安全、調節系統流量和壓力等。閥門在運載火箭中發揮著重要作用,失效多為單點模式,一旦失效,可能引發極其嚴重的后果。

閥門密封是冷氦電磁閥的重要性能指標,冷氦電磁閥的密封設計綜合運用了機械設計、流體力學、固體力學、密封和超低溫等理論;閥門制造技術包括機械加工、焊接、材料表面處理、檢漏、精密測量技術等多技術領域。運載火箭低溫閥門工作介質為液氫(-253℃)和液氧(-183℃),由于受低溫條件下的密封變化規律掌握不足、零部件制造過程不穩定等因素影響,低溫環境密封性能差,產品合格率低,導致活門批產配套數量無法滿足二代導航發射任務需求。

本文將以典型的低溫閥門———冷氦電磁閥的閥芯和殼體密封結構部位為研究對象,分析配合零件的形位偏差和波紋帶的尺寸與裝配狀態對密封性能的影響,從而找出提高冷氦電磁閥密封性的方法,提高產品合格率,為高密度的發射任務做好準備。

1 冷氦電磁閥密封結構介紹

低溫閥門的主要組成零組件包括殼體和閥芯,殼體出口孔內端為活門座,該部位與閥芯非金屬部位接觸,是閥門的主要密封部位,其密封性對整個閥門的工作性能起決定性作用。圖1是典型的殼體與閥芯裝配示意圖。金屬閥芯頂端粘接一層非金屬,該部分是密封部位的主要結構;閥芯軸面與殼體孔面之間裝配有兩圈波紋帶和漲圈,用于調節控制閥芯與殼體孔壁之間的摩擦力,波紋帶還對閥芯軸線的垂直度有一定的影響。

2 形位偏差對密封性的影響分析與改進

2.1 垂直度公差對密封的影響

首先針對冷氦電磁閥閥芯,在無傾斜力矩作用下,單純考慮由配合間隙及垂直度公差導致的密封面傾斜時,產生的密封失效的模式,并最后提出垂直度偏差與配合間隙的關聯數據表。

閥芯密封端面的傾斜會造成密封面的壓力分布不均,若要使密封有效則密封壓力最小值應大于設計密封壓力。如圖2所示,密封面傾斜為δ,編寫Ansys命令流計算在傾斜為δ時密封面的接觸壓力分布。修改δ直至整個密封面的最小接觸壓力處為設計比壓,此時的δ是保證密封容許的閥芯端面的最大傾斜值。

1MPa工作壓力下,閥芯端面傾斜值δ=0.009mm,閥芯接觸壓力分布及綜合應力分布如圖3所示。

由圖3可知由于端面的傾斜,下部平均接觸壓力大于上部平均接觸壓力。下部平均接觸壓力為6.90MPa,上部平均接觸壓力為3.04MPa。

閥芯最小接觸壓力可以達到設計比壓2.987MPa。

圖1 殼體與閥芯裝配示意圖-中國泵閥制造網

圖1 殼體與閥芯裝配示意圖

圖2 閥芯傾斜值δ-中國泵閥制造網

圖2 閥芯傾斜值δ

1MPa是最小工作壓力。在1MPa下如果可以保持密封,則在其他工作壓力下也可以保持密封。故只需計算1MPa工作壓力下對垂直度的要求即可。即在各工作壓力下,端面傾斜值小于0.009mm閥芯即可保證密封。

2.2 密封面傾斜值δ與垂直度、間隙的關系

閥芯與閥座密封結構示意圖如圖4所示。圖中,α即為閥芯的傾斜角度,χ為運動接觸點離導向面的距離。

根據各參數關系,可建立如下方程:

密封面傾斜值δ與垂直度、間隙的關系-中國泵閥制造網

當導向間隙設置為最大時,解上述方程組,得出方程組的解α為0.74°,x為14.16mm;當導向間隙設置為最小時,解上述方程組,得出方程組的解α為0.44°,x為14.18mm。

圖4 閥芯偏轉角度示意圖-中國泵閥制造網

圖4 閥芯偏轉角度示意圖

考慮安裝時閥芯軸線與導向軸線有偏心e,定義安裝不重合度ε。

5.jpg

閥芯閥座實際間隙=ε×理論間隙

導向與閥芯的實際間隙產生閥芯的實際偏轉角度為α’,設垂直度為β。當閥芯動作時,垂直度產生的端面傾斜使密封面上的一點先與導向接觸。由于不考慮傾斜力矩,且閥芯導向有一定間隙,在壓力的作用下,閥芯軸線與導向軸線將產生相對轉動,即閥芯繞接觸點在導向內滾動,直至閥芯尾部與導向接觸。

圖3 閥芯接觸壓力及綜合應力分布-中國泵閥制造網

圖3 閥芯接觸壓力及綜合應力分布

轉動角度的最大值即為實際間隙產生閥芯的實際偏轉角度α’。此轉動角度可以消除垂直度產生的端面傾斜,也就是說當閥芯端面垂直度誤差存在時,由于密封過程中間隙產生閥芯的轉動,可以減小導向的最終偏斜值δ。

其幾何關系為:

最終偏斜值δ-中國泵閥制造網

2.3 裝配參數關聯表

由上節內容可知偏斜值δ應小于0.009mm。垂直度偏差β、配合間隙(Δ=L5-L2)和安裝不重合度ε的關聯數據表如表1。

表1 裝配關聯數據表 下載原表

(單位:mm)

 裝配關聯數據表-中國泵閥制造網

裝配時首先測出閥芯端面垂直度偏差和閥芯的外徑實際尺寸,估計可能出現的安裝不重合度ε,從關聯數據表中查得許用的裝配間隙Δ,確定閥座內徑應滿足的尺寸要求,根據要求選擇閥座進行裝配。

3 波紋帶對閥門密封性能的影響與改進

3.1 波紋帶與閥芯受力分析

冷氦電磁閥波紋帶的波紋數一般為8個。當殘缺波端部伸出的量小于1/2個完整波段時,此殘缺波段與外部漲圈和內部的閥芯均不發生接觸,處于自由懸空狀態,無需考慮此段波段;如果當殘缺波端部伸出量大于1/2個完整波段時,此部分殘缺波段就會與外部漲圈或內部的閥芯發生接觸,造成閥芯所受合作用力發生改變,所以需要將考慮此類情況的發生。

本文假設的先決條件是整條波紋帶中的每段凸出的波紋段的徑向彈性變量相同,因此本文僅對波紋帶中單個波紋為建模對象進行有限元分析,有限元模型示意圖見圖5。

波紋帶的徑向彈性變量的影響因素有:密封槽深度尺寸,導向面間隙大小及外部漲圈的厚度尺寸。為了更好地研究波紋帶徑向彈性變量對于閥門密封的影響程度,本文取波紋帶徑向彈性變量的極大與極小限值。當密封槽深度取最小尺寸,導向面間隙取最小值,外部漲圈厚度選最大,此時,徑向彈性變量為最大;相反,當密封槽深度取最大尺寸,導向面間隙取最大值,外部漲圈厚度選最小,此時,徑向彈性變量為最小。

對圖5的有限元模型進行分析,得出了波紋帶徑向彈性變量取最大及最小值情況下對閥芯的合力。本文討論的冷氦電磁閥閥芯由兩條波紋帶及漲圈支撐,若此兩條波紋帶圓周方向有角度差時,內部閥芯前后所受徑向壓力不同,導致閥芯裝配后與閥座密封面存在傾斜角度。當兩條波紋帶圓周方向完全相反,閥芯前后所受徑向壓力相應的相反,閥芯裝配后與閥座密封面傾斜角度最大,此時波紋帶對冷氦電磁閥密封性能的影響最大。

3.2 波紋帶對密封性能影響的改進方法

3.2.1 制定波紋帶生產及安裝規范

閥芯前后所受徑向壓力不均,導致閥門密封面壓力分布不均。因此,降低閥芯前后所受徑向壓力不均,對提升閥門密封性能有顯著作用。閥芯前后所受徑向壓力不均是因為兩條波紋帶圓周方向有角度差所致。因此,只要減小或消除此周向角度差,即可減低閥芯受力不均。針對波紋帶安裝制定相應的生產及安裝規范,可以有效提升冷氦電磁閥的密封性能。

首先,規定同一批次電磁閥裝配時采用的波紋帶也應為同一批次生產的產品,盡可能地保證前后兩條波紋帶的各項尺寸參數相近,波紋的彈力相近;其次,規定波紋帶生產過程中,每條波紋帶的截斷位置應選擇在波峰或波谷位置,能有效避免裝配完成后波紋帶尾部與內部閥芯和外部漲圈接觸受力,截斷示意圖見圖6;最后,兩條波紋帶在安裝過程中,周向角度差應盡量的小,在安裝好波紋帶后,應轉動波紋帶,目視檢查方向一致后,再將閥芯與波紋帶組件一同裝入電磁閥閥座內。

3.2.2 結構的改進

在制定波紋帶生產及安裝規范后,將閥芯前后所受徑向壓力不均減少到最小,基本可以保證閥芯靜態的密封性能。當電磁閥工作時,閥芯、漲圈與波紋帶均可能發生相對轉動,導致周向角度差改變。如何改進結構,避免波紋帶相對閥芯轉動,是本文探討的議題。對靜止狀態下的波紋帶進行受力分析,可以發現波紋帶受到閥芯和漲圈的壓力,波紋帶相對閥芯發生周向轉動,需要克服內部閥芯與外部漲圈的摩擦力。分析得出增加波紋數量,可以提高波紋帶的徑向強度,因此,增加波紋數量可以有效降低波紋帶周向轉動。

圖5 波紋帶、漲圈及閥芯的有限元模型-中國泵閥制造網

圖5 波紋帶、漲圈及閥芯的有限元模型

截斷位置示意圖-中國泵閥制造網

圖6 截斷位置示意圖

由于波紋數量與波紋半徑是相互制約的。要求數量越多對應的波紋半徑越小,由于生產能力及成本制約,波紋半徑越小,相應的波紋帶生產難度越大,成本越高。本文將波紋半徑選取2.5mm為最小值,4.5mm為最大值,相應的波紋帶參數如表2所示。

表2 不同曲率半徑下波紋帶參數 下載原表

不同曲率半徑下波紋帶參數 -中國泵閥制造網

經過分析得出,不同波紋半徑下徑向支反力和合力如表3所示,對應的位移及角度變化如表4所示。

表3 不同曲率半徑下波紋帶受力表 下載原表

不同曲率半徑下波紋帶受力表-中國泵閥制造網

表4 不同曲率半徑下波紋帶位移及角度變化 下載原表

 不同曲率半徑下波紋帶位移及角度變化-中國泵閥制造網

由上述兩表數據可以得出以下結論:隨著波紋半徑逐漸減小,支反力逐漸增大,但合力受波紋半徑和數量共同影響。理論分析結果為當數量為奇數時,波紋帶開口方向的背面為波紋的波峰,此時,此段波的受力作用點位于單段波的雙側波谷上,兩側受力的合力方向剛好與波紋帶的開口方向一致;而當數量為偶數時,波紋帶開口方向的背面為波紋的波谷,此段波的受力作用點直接位于此波谷上,反力的方向是直接指向開口方向的。由上述兩表可以看出,當波紋半徑選為4mm時,開口角度為-6.3與-1.3,說明波紋帶兩端重合,此情況下有9個完整波形。不同曲率半徑下,徑向支反力及合力增量百分比如表5所示。

表5 徑向支反力及其合力增量 下載原表

表5 徑向支反力及其合力增量-中國泵閥制造網

綜合考慮徑向支反力及其合力的增量,所列的5種長度下,最優參數為:

曲率半徑:4mm;波紋個數:9個。

圖7 波紋帶改進前后對比-中國泵閥制造網

圖7 波紋帶改進前后對比

此參數下,波紋個數為奇數,且壓縮前開口角度小,徑向力分布較為平均,故合力增量小。

4 小結

本文通過建立數學模型和有限元模型,分析了活門閥芯和導向部分的尺寸偏差及形位偏差對密封面接觸狀態的影響,揭示了垂直度公差對密封性能的影響規律,提出控制裝配間隙的幾何參數關聯數據表;并在此基礎上,進一步分析了波紋帶和漲圈的安裝方式對密封面接觸狀態的影響,對波紋帶的結構與安裝過程進行了改進,為裝配中零件的選配提供依據,有效保證低溫閥門的密封性能。

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(來源:泵閥制造網)

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