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低溫截(jie)止(zhi)閥(fa)故(gu)障分析與改(gai)進(jin)

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
低溫截止(zhi)閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)由(you)閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)體、閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)瓣、閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)桿和(he)汽(qi)缸等組成。閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)體、閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)蓋和(he)閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)桿等均采(cai)用(yong)不(bu)銹(xiu)鋼(gang),閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)瓣采(cai)用(yong)銅。上下兩段閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)桿中間用(yong)環氧酚(fen)醛層壓玻璃鋼(gang)布(bu)板實現絕熱(re),法(fa)蘭密(mi)封面采(cai)用(yong)鋁墊片,填料使用(yong)聚四氟乙烯,汽(qi)缸使用(yong)雙特密(mi)封,以減小摩擦力,閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)門整體采(cai)用(yong)聚氨酯(zhi)發泡保溫。

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(wei)較好地(di)實現(xian)(xian)低溫(wen)截止閥(fa)的(de)(de)絕熱(re),將(jiang)閥(fa)蓋設計成細長結構,加(jia)長熱(re)橋,防止因填料函(han)部(bu)(bu)分(fen)過(guo)冷而(er)使(shi)處在(zai)填料函(han)部(bu)(bu)位(wei)的(de)(de)閥(fa)桿以及閥(fa)蓋上(shang)部(bu)(bu)的(de)(de)零件結霜(shuang),影響使(shi)用(yong)。采(cai)用(yong)隔(ge)熱(re)墊(材(cai)料為(wei)環(huan)氧酚(fen)醛層壓玻(bo)璃鋼布(bu))將(jiang)閥(fa)桿分(fen)為(wei)上(shang)、下(xia)兩部(bu)(bu)分(fen),減(jian)小熱(re)流,實現(xian)(xian)絕熱(re)。閥(fa)門(men)整體采(cai)用(yong)外絕熱(re)形式,使(shi)用(yong)聚氨脂發泡保溫(wen),保層厚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)(fa)蓋上的銷釘槽沒有按圖紙加工(gong)(圖1)。將圖紙中(zhong)的方形(xing)槽加工(gong)成圓弧形(xing)槽,影響了銷釘和銷釘槽的正(zheng)常配合,下閥(fa)(fa)桿承受側(ce)向力,從而導致(zhi)下閥(fa)(fa)桿和閥(fa)(fa)蓋產生干(gan)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
改進后的截止(zhi)閥在實(shi)際(ji)使(shi)用(yong)中動作性能良好。一般情況下,低溫閥門(men)運動副在間隙適當時,可以采用(yong)不(bu)銹鋼(gang),但是長期使(shi)用(yong)在有側向(xiang)力或者軸(zhou)變形工況時易產生咬合(he),因此盡(jin)量(liang)不(bu)用(yong)。另外,閥門(men)要(yao)豎直(zhi)放置和使(shi)用(yong),長期不(bu)用(yong)時,應(ying)使(shi)閥門(men)處于(yu)關閉狀態。

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