在低温下使用的气动阀门的设计与分析
发布时间：2024-07-04 点击：85
0 引言
随着中国航天技术的不断深入发展，载人航天技术、绕月探月乃至登月的实现，大型运载火箭（长征五号）得到快速发展。高压（lh2及lo2高达15mpa、rp-3高达45mpa、气压高达60mpa）、大流量（水流量224kg/s、空气流量1.15kg/s）、低温（-254℃及-183℃）、快速响应（开关响应3~8ms）等高性能阀门需求越来越大。本设计即是为了设计一种低温气动阀，完成严酷环境下运载火箭气瓶的充、放气功能。
1 设计要求
（1）工作介质：氦气、氮气、氧气、压缩空气。
（2）控制气压力：4mpa～4.5mpa。
（3）气源压力（工作压力）：22.6±0.5mpa。
（4）工作温度：190～313k。
（5）打开压差：不大于0.5mpa。
（6）阀门公称通径：φ4、连接螺纹m12×1.25-6h。
（7）工作寿命：可靠接通不低于200次。
2 方案调研
经对目前国内现有的气动阀门及耐低温情况调研可知，气动或液动阀门是以一定压力的空气、水或油为动力源，利用气缸（或液压缸）和活塞的运动来驱动阀门的，一般气动的空气压力小于0.8mpa，液动的水压或油压为2.5～25mpa。气液驱动装置又可分成往复型和回转型两种。往复型气、液驱动装置用于驱动闸阀、截止阀或隔膜阀。
凡温度低于-40℃的温度工作的阀门为低温阀，低温阀能在温度降至-196℃的情况下输送液化气体，如氮气、氧气或天然气等。低温阀*显著的特点通常是在主阀体与操作手轮（操纵杆）之间装有气柱和加长阀盖机构，其作用在于使阀门从极低温度到工作点有一个温度梯度。
目前国内广泛采用的qq型系列部分回转阀门气动装置：使用环境温度为-25～+70℃、工作介质温度为5～60℃，供气压力为0.4～0.7mpa。
低温阀门可采用无填料的波纹管密封结构。但单层波纹管即使采用加强环，其使用寿命仍然很短。这是由于低温阀中阀门快速关闭或液体管道中可能存在气穴等引起水击所致，但使用多层波纹管就可大大提高阀门的使用寿命。
3 总体方案设计
由于本产品直接用于运载火箭，所以产品设计在满足用户要求的技术指标、环境条件、外形及接口条件下，还要求结构上工艺性好、质量小、体积小、可靠性高。
根据本产品总体技术指标要求，必须采用气动控制阀与单向阀的复合式结构。在轴向主阀体内采用升降式结构，弹簧力作用在主活门上，保证主活门的预紧力及主活门的复位；主密封部位采用金属“r”型面与氟塑料平面配合的软密封结构；打开方式为控制气通过导杆传导力打开主活门放气，撤掉控制气主活门通过弹簧自动关闭。方案结构图如图1所示。
4 结构设计
低温气动阀采用气动控制就存在导向密封，方式有活塞密封及波纹管密封，活塞密封必须有“o”形圈，本产品的使用温度为190k～313k，相当于-83～+40℃。经查找有关资料，目前我国橡胶的使用温度的下限为-70℃，已超过本产品的使用温度下限，所以“o”形圈结构无法采用，因此，用“o”型橡胶圈密封的活塞作动器基本上不能使用，故只有采用金属波纹管作为动密封，金属波纹管作为动密封使用温度范围为-253～+600℃，满足要求。为调节波纹管组件的长度，装配时要求顶杆可以根据具体要求长度进行加工，以保证顶杆头距阀芯端面有0～0.5mm的间隙。顶杆直径为7～10mm，而顶杆头直径为3mm，顶杆铣成多棱，既保证波纹管内部通气又给波纹管组件导向。确保在任何情况下，阀芯开度为0.7mm，因此低温气动阀工作时，双波纹管组件总的压缩行程是0.7～1.2mm。另外，据以往经验，顶杆头直径为3mm，材料为f151、fs46作为密封材料是可行的。在-83～+40℃温度范围使用，配合间隙为h9/e9即可防止低温卡死。
充气活门采用升降式单向活门结构，弹簧力作用在付活门上，保证付活门的预紧力及付活门的复位；密封部位采用金属“r”型面与氟塑料平面配合的软密封结构，弹簧设计满足不大于0.5mpa的打开压差。活门密封结构示意图如图2所示。
由于软铝垫片硬密封结构不能满足低温密封结构，而聚四氟乙烯膨胀系数大，随着温度降低，氟塑料收缩量很大，会使密封性能下降，容易引起泄漏。为保证低温状态下的密封可靠性，产品的外密封部位均采用软铝垫片表面喷涂形式，其密封形式已经过大氢氧试验站用氢氧排气阀的试验验证，使用温度*低可至-190℃以下。
5 主要材料及元器件的选型
根据低温气动阀的使用要求和特点，结合实际生产及工艺的特点，确定本产品主要零、部件的材料，据有关资料介绍，在工作介质为有氧气时，限制了阀门材料的使用范围：即钛、钛合金不能使用，如果充放氧气速度超过30m/s，则含钛合金不能使用，否则会烧掉。因此为保证可靠密封和抗挤，压单向阀阀口密封副选用fs3-f151、聚砜-1cr18ni9。控制腔内波纹管，在充气时，要能承受22.6mpa的压力，选用屈服极限高的gh4169合金，它的屈服极限为900mpa，弹簧材料选用1cr18ni9yb（t）11-1983，以上这些材料均不含钛。接管嘴材料为f151（hrc33～38），阀体材料为1cr18ni9，外密封部位密封垫材料采用软铝垫片（1035-0）表面喷涂fs46，满足整体设计要求。
经调研对比选择了沈阳仪器仪表研究院生产的u形金属波纹管，该院生产的金属波纹管已大量应用于火箭发动机，质量性能可靠。选用的波纹管技术性能指标如下，管坯为gh4169、工作压力：p内=22.6mpa、使用温度范围为-253～+600℃、工作寿命不低于200次、工作行程为2mm。u形金属波纹管结构如图3所示。
d-外径d-内径a-波厚t0-波距δ-单层壁厚l-总长
l1-有效长度d1、d1-端头直径l-接头长度，左端为外配合
6 承压强度校核
6.1 工作腔强度校核
6.2 控制腔强度校核
6.3 波纹管强度校核
根据与波纹管生产厂家的协调，波纹管选择6层，实际厚度为1.02mm，理论计算爆破压力应为44mpa，满足要求。.
6.4 波纹管的承压面积校核
波纹管的承压面积取波纹管内径与外径的中间值，外径为φ25、内径为φ16.6，则波纹管承压面积为339.8mm2（φ20.8）为28.26mm2（φ6）的12倍，控制气压力为4.5mpa，气瓶工作压力22.6mpa，气瓶工作压力仅为控制压力的4倍，当气瓶放气时，顶杆足够打开主阀放气。
6.5 顶杆拉压应力校核
7 密封比压验算
7.1 充气口密封比压验算
进行密封设计时，应满足下列条件：
smf——材料的*小比压，单位为kg/cm2；
α、c——与密封材料有关的系数；
δp——密封压差，单位为kg/cm2；
b——密封面宽度，单位为cm；
s——*小设计比压，单位为kg/cm2；
s'——*大设计比压，单位为kg/cm2；
f——密封力，单位为kg；
de——密封面等效直径，单位为cm；
[s]——密封材料的许用比压，单位为kg/cm2。
故充气口密封比压满足设计要求。
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随着中国航天技术的不断深入发展，载人航天技术、绕月探月乃至登月的实现，大型运载火箭（长征五号）得到快速发展。高压（lh2及lo2高达15mpa、rp-3高达45mpa、气压高达60mpa）、大流量（水流量224kg/s、空气流量1.15kg/s）、低温（-254℃及-183℃）、快速响应（开关响应3~8ms）等高性能阀门需求越来越大。本设计即是为了设计一种低温气动阀，完成严酷环境下运载火箭气瓶的充、放气功能。
1 设计要求
（1）工作介质：氦气、氮气、氧气、压缩空气。
（2）控制气压力：4mpa～4.5mpa。
（3）气源压力（工作压力）：22.6±0.5mpa。
（4）工作温度：190～313k。
（5）打开压差：不大于0.5mpa。
（6）阀门公称通径：φ4、连接螺纹m12×1.25-6h。
（7）工作寿命：可靠接通不低于200次。
2 方案调研
经对目前国内现有的气动阀门及耐低温情况调研可知，气动或液动阀门是以一定压力的空气、水或油为动力源，利用气缸（或液压缸）和活塞的运动来驱动阀门的，一般气动的空气压力小于0.8mpa，液动的水压或油压为2.5～25mpa。气液驱动装置又可分成往复型和回转型两种。往复型气、液驱动装置用于驱动闸阀、截止阀或隔膜阀。
凡温度低于-40℃的温度工作的阀门为低温阀，低温阀能在温度降至-196℃的情况下输送液化气体，如氮气、氧气或天然气等。低温阀*显著的特点通常是在主阀体与操作手轮（操纵杆）之间装有气柱和加长阀盖机构，其作用在于使阀门从极低温度到工作点有一个温度梯度。
目前国内广泛采用的qq型系列部分回转阀门气动装置：使用环境温度为-25～+70℃、工作介质温度为5～60℃，供气压力为0.4～0.7mpa。
低温阀门可采用无填料的波纹管密封结构。但单层波纹管即使采用加强环，其使用寿命仍然很短。这是由于低温阀中阀门快速关闭或液体管道中可能存在气穴等引起水击所致，但使用多层波纹管就可大大提高阀门的使用寿命。
3 总体方案设计
由于本产品直接用于运载火箭，所以产品设计在满足用户要求的技术指标、环境条件、外形及接口条件下，还要求结构上工艺性好、质量小、体积小、可靠性高。
根据本产品总体技术指标要求，必须采用气动控制阀与单向阀的复合式结构。在轴向主阀体内采用升降式结构，弹簧力作用在主活门上，保证主活门的预紧力及主活门的复位；主密封部位采用金属“r”型面与氟塑料平面配合的软密封结构；打开方式为控制气通过导杆传导力打开主活门放气，撤掉控制气主活门通过弹簧自动关闭。方案结构图如图1所示。
4 结构设计
低温气动阀采用气动控制就存在导向密封，方式有活塞密封及波纹管密封，活塞密封必须有“o”形圈，本产品的使用温度为190k～313k，相当于-83～+40℃。经查找有关资料，目前我国橡胶的使用温度的下限为-70℃，已超过本产品的使用温度下限，所以“o”形圈结构无法采用，因此，用“o”型橡胶圈密封的活塞作动器基本上不能使用，故只有采用金属波纹管作为动密封，金属波纹管作为动密封使用温度范围为-253～+600℃，满足要求。为调节波纹管组件的长度，装配时要求顶杆可以根据具体要求长度进行加工，以保证顶杆头距阀芯端面有0～0.5mm的间隙。顶杆直径为7～10mm，而顶杆头直径为3mm，顶杆铣成多棱，既保证波纹管内部通气又给波纹管组件导向。确保在任何情况下，阀芯开度为0.7mm，因此低温气动阀工作时，双波纹管组件总的压缩行程是0.7～1.2mm。另外，据以往经验，顶杆头直径为3mm，材料为f151、fs46作为密封材料是可行的。在-83～+40℃温度范围使用，配合间隙为h9/e9即可防止低温卡死。
充气活门采用升降式单向活门结构，弹簧力作用在付活门上，保证付活门的预紧力及付活门的复位；密封部位采用金属“r”型面与氟塑料平面配合的软密封结构，弹簧设计满足不大于0.5mpa的打开压差。活门密封结构示意图如图2所示。
由于软铝垫片硬密封结构不能满足低温密封结构，而聚四氟乙烯膨胀系数大，随着温度降低，氟塑料收缩量很大，会使密封性能下降，容易引起泄漏。为保证低温状态下的密封可靠性，产品的外密封部位均采用软铝垫片表面喷涂形式，其密封形式已经过大氢氧试验站用氢氧排气阀的试验验证，使用温度*低可至-190℃以下。
5 主要材料及元器件的选型
根据低温气动阀的使用要求和特点，结合实际生产及工艺的特点，确定本产品主要零、部件的材料，据有关资料介绍，在工作介质为有氧气时，限制了阀门材料的使用范围：即钛、钛合金不能使用，如果充放氧气速度超过30m/s，则含钛合金不能使用，否则会烧掉。因此为保证可靠密封和抗挤，压单向阀阀口密封副选用fs3-f151、聚砜-1cr18ni9。控制腔内波纹管，在充气时，要能承受22.6mpa的压力，选用屈服极限高的gh4169合金，它的屈服极限为900mpa，弹簧材料选用1cr18ni9yb（t）11-1983，以上这些材料均不含钛。接管嘴材料为f151（hrc33～38），阀体材料为1cr18ni9，外密封部位密封垫材料采用软铝垫片（1035-0）表面喷涂fs46，满足整体设计要求。
经调研对比选择了沈阳仪器仪表研究院生产的u形金属波纹管，该院生产的金属波纹管已大量应用于火箭发动机，质量性能可靠。选用的波纹管技术性能指标如下，管坯为gh4169、工作压力：p内=22.6mpa、使用温度范围为-253～+600℃、工作寿命不低于200次、工作行程为2mm。u形金属波纹管结构如图3所示。
d-外径d-内径a-波厚t0-波距δ-单层壁厚l-总长
l1-有效长度d1、d1-端头直径l-接头长度，左端为外配合
6 承压强度校核
6.1 工作腔强度校核
6.2 控制腔强度校核
6.3 波纹管强度校核
根据与波纹管生产厂家的协调，波纹管选择6层，实际厚度为1.02mm，理论计算爆破压力应为44mpa，满足要求。.
6.4 波纹管的承压面积校核
波纹管的承压面积取波纹管内径与外径的中间值，外径为φ25、内径为φ16.6，则波纹管承压面积为339.8mm2（φ20.8）为28.26mm2（φ6）的12倍，控制气压力为4.5mpa，气瓶工作压力22.6mpa，气瓶工作压力仅为控制压力的4倍，当气瓶放气时，顶杆足够打开主阀放气。
6.5 顶杆拉压应力校核
7 密封比压验算
7.1 充气口密封比压验算
进行密封设计时，应满足下列条件：
smf——材料的*小比压，单位为kg/cm2；
α、c——与密封材料有关的系数；
δp——密封压差，单位为kg/cm2；
b——密封面宽度，单位为cm；
s——*小设计比压，单位为kg/cm2；
s'——*大设计比压，单位为kg/cm2；
f——密封力，单位为kg；
de——密封面等效直径，单位为cm；
[s]——密封材料的许用比压，单位为kg/cm2。
故充气口密封比压满足设计要求。
天津船用蝶阀如何介绍的
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单向阀常见故障和维修方法
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