液氫截止閥故障分析與改進(jìn)|資料

介紹了火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)高壓液氫截止閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),及其材料選用、密封和絕熱結(jié)構(gòu)等技術(shù)問(wèn)題的處理方法。針對(duì)其使用中出現(xiàn)閥桿與閥體之間咬合而無(wú)法動(dòng)作的問(wèn)題進(jìn)行了全面的分析,并提出了解決方案。

1、概述

低溫截止閥是一種工作在低溫氣氫或液氫介質(zhì)中,用來(lái)接通或切斷管路介質(zhì)的裝置。本文介紹一種用于氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上的低溫截止閥,針對(duì)在使用過(guò)程中出現(xiàn)閥門(mén)無(wú)法動(dòng)作的問(wèn)題,進(jìn)行了故障分析,通過(guò)改進(jìn)結(jié)構(gòu),使閥門(mén)正常運(yùn)行于試驗(yàn)系統(tǒng)中。

2、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2.1、技術(shù)參數(shù)

低溫截止閥的技術(shù)參數(shù)如下。

工作介質(zhì)低溫氣氫、液氫

公稱通徑65mm

最高使用壓力25MPa

最低使用溫度液氫溫度

驅(qū)動(dòng)方式氣動(dòng)(氣缸雙向通氣)

操作氣源氮?dú)?5±012MPa

連接方式法蘭式

2.2、結(jié)構(gòu)

低溫截止閥由閥體、閥瓣、閥桿和汽缸等組成。閥體、閥蓋和閥桿等均采用不銹鋼,閥瓣采用銅。上下兩段閥桿中間用環(huán)氧酚醛層壓玻璃鋼布板實(shí)現(xiàn)絕熱,法蘭密封面采用鋁墊片,填料使用聚四氟乙烯,汽缸使用雙特密封,以減小摩擦力,閥門(mén)整體采用聚氨酯發(fā)泡保溫。

3、設(shè)計(jì)

3.1、材料選用

航天火箭用低溫推進(jìn)劑一般有液氫、液氧和氟等,因此要求閥門(mén)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(dǎo)熱性。目前,運(yùn)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(huì)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(mén)中的使用有一定的限制,僅用于低壓和小口徑閥門(mén)中。

低溫閥門(mén)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(fù)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(dǎo)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(shè)計(jì)時(shí),閥座采用較硬的材料———不銹鋼,閥瓣采用較軟的材料———銅,當(dāng)?shù)蜏叵聤W氏體發(fā)生相變時(shí),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(bǔ)償由于熱應(yīng)力和組織應(yīng)力引起的材料變形,解決了高壓低溫工況下的密封性問(wèn)題。

3.3、絕熱結(jié)構(gòu)

為較好地實(shí)現(xiàn)低溫截止閥的絕熱,將閥蓋設(shè)計(jì)成細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu),加長(zhǎng)熱橋,防止因填料函部分過(guò)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(shí)現(xiàn)絕熱。閥門(mén)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(yīng)用于試驗(yàn)系統(tǒng)后,出現(xiàn)了無(wú)法動(dòng)作的故障。在對(duì)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(duì)稱位置處有兩處較深的劃痕,與之相配的閥蓋下法蘭相應(yīng)位置上也有兩處劃痕。經(jīng)過(guò)分析,引起故障的原因有兩方面。

(1)存儲(chǔ)期

閥門(mén)存放期間水平放置并處于開(kāi)啟狀態(tài),閥桿與閥瓣形成懸臂梁結(jié)構(gòu),懸臂長(zhǎng)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(shè)計(jì)中同軸度最大偏差為0.1mm,拆除后實(shí)測(cè)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(wú)法進(jìn)行潤(rùn)滑,動(dòng)作時(shí)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(xiāo)釘槽沒(méi)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(xiāo)釘和銷(xiāo)釘槽的正常配合,下閥桿承受側(cè)向力,從而導(dǎo)致下閥桿和閥蓋產(chǎn)生干涉。

5、改進(jìn)

針對(duì)分析中存在的問(wèn)題,對(duì)低溫截止閥結(jié)構(gòu)做了改進(jìn)。

(1)閥桿與閥蓋配合部分在下閥桿<51mm處壓入一個(gè)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(yīng)處采用間隙配合(H8/f7),既保證了配合件具有較小的動(dòng)摩擦力,又起到了導(dǎo)向作用。

(2)閥桿防轉(zhuǎn)裝置銷(xiāo)釘和銷(xiāo)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(duì)其密封和啟閉性能不會(huì)產(chǎn)生影響。為了避免由于銷(xiāo)釘和銷(xiāo)釘槽配合不當(dāng)而使下閥桿承受側(cè)向力,取消了銷(xiāo)釘。

6、結(jié)語(yǔ)

改進(jìn)后的截止閥在實(shí)際使用中動(dòng)作性能良好。一般情況下,低溫閥門(mén)運(yùn)動(dòng)副在間隙適當(dāng)時(shí),可以采用不銹鋼,但是長(zhǎng)期使用在有側(cè)向力或者軸變形工況時(shí)易產(chǎn)生咬合,因此盡量不用。另外,閥門(mén)要豎直放置和使用,長(zhǎng)期不用時(shí),應(yīng)使閥門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)。

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