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低溫截止閥故(gu)障分(fen)析(xi)與(yu)改(gai)進

1、概述
低溫截止閥是一種工作在低溫氣氫或液氫介質中,用來接通或切斷管路介質的裝置。本文介紹一種用于氫氧發動機試驗臺上的低溫截止閥,針對在使用過程中出現閥門無法動作的問題,進行了故障分析,通過改進結構,使閥門正常運行于試驗系統中。
2、結構特點
2.1、技術參數
低溫截止閥的技術參數如下。
工作介質低溫氣氫、液氫
公稱通徑65mm
高使用壓力25MPa
最低使用溫度液氫溫度
驅動方式氣動(氣缸雙向通氣)
操作氣源氮氣,5±012MPa
連接方式法蘭式
2.2、結構
低溫(wen)截止閥由閥體(ti)、閥瓣、閥桿(gan)和汽(qi)缸等組成(cheng)。閥體(ti)、閥蓋和閥桿(gan)等均(jun)采(cai)用(yong)(yong)(yong)(yong)不銹鋼(gang),閥瓣采(cai)用(yong)(yong)(yong)(yong)銅。上下(xia)兩段閥桿(gan)中間用(yong)(yong)(yong)(yong)環氧(yang)酚醛層(ceng)壓玻璃鋼(gang)布(bu)板實(shi)現絕熱,法蘭密封(feng)面采(cai)用(yong)(yong)(yong)(yong)鋁(lv)墊片,填料使用(yong)(yong)(yong)(yong)聚(ju)四氟乙(yi)烯,汽(qi)缸使用(yong)(yong)(yong)(yong)雙特(te)密封(feng),以(yi)減小摩擦力(li),閥門整體(ti)采(cai)用(yong)(yong)(yong)(yong)聚(ju)氨酯發泡保溫(wen)。

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、銅和鋁在低溫狀態下不會出現低溫脆性,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很小,大多用作熱橋元件。
3.2、密封結構
在關閉件設計時,閥座采用較硬的材料———不銹鋼,閥瓣采用較軟的材料———銅,當低溫下奧氏體發生相變時,密封面高低不平,軟材料在操作力的作用下產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、絕熱結構
為較好地實(shi)現低溫截止閥的(de)絕熱(re)(re),將(jiang)閥蓋設計成細長(chang)結構,加長(chang)熱(re)(re)橋,防止因填料(liao)函(han)部分過冷而使(shi)處在填料(liao)函(han)部位(wei)的(de)閥桿以及閥蓋上部的(de)零(ling)件結霜,影響使(shi)用。采(cai)用隔熱(re)(re)墊(材(cai)料(liao)為環氧(yang)酚醛層(ceng)壓玻璃鋼布)將(jiang)閥桿分為上、下兩部分,減小熱(re)(re)流,實(shi)現絕熱(re)(re)。閥門整(zheng)體(ti)采(cai)用外絕熱(re)(re)形式(shi),使(shi)用聚氨(an)脂發(fa)泡保溫,保層(ceng)厚200mm。

4、故障分析
低溫截止閥應用于試驗系統后,出現了無法動作的故障。在對該閥解體后發現,閥桿與閥蓋出現了咬合,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,閥桿與閥瓣形成懸臂梁結構,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生咬合現象。
(2)加工期
經檢(jian)查,閥(fa)蓋(gai)上的銷釘(ding)槽沒(mei)有按圖紙加工(gong)(圖1)。將圖紙中的方(fang)形槽加工(gong)成圓弧形槽,影響(xiang)了銷釘(ding)和銷釘(ding)槽的正常(chang)配合,下閥(fa)桿承受側向力(li),從(cong)而導致下閥(fa)桿和閥(fa)蓋(gai)產生干涉。

5、改進
針對分析中存在的問題,對低溫截止閥結構做了改進。
(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生咬合現象。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)閥桿防轉裝置銷釘和銷釘槽配合的作用是避免閥桿旋轉。由于該閥的閥瓣、閥桿、汽缸和活塞等為回轉體,其閥桿是否旋轉對其密封和啟閉性能不會產生影響。為了避免由于銷釘和銷釘槽配合不當而使下閥桿承受側向力,取消了銷釘。
6、結語
改進后的(de)截(jie)止(zhi)閥(fa)在(zai)實(shi)際(ji)使(shi)用(yong)中動作性能良好(hao)。一(yi)般情(qing)況下,低溫閥(fa)門(men)運動副在(zai)間隙(xi)適當時,可以采用(yong)不(bu)(bu)銹鋼,但是(shi)長期使(shi)用(yong)在(zai)有側(ce)向力或者軸變形工況時易(yi)產生咬合,因此盡量不(bu)(bu)用(yong)。另外,閥(fa)門(men)要豎直放(fang)置和使(shi)用(yong),長期不(bu)(bu)用(yong)時,應使(shi)閥(fa)門(men)處于關(guan)閉狀態。

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