電爆閥啟動過程的響應特性與活塞撞擊變形分析

尤裕榮，杜大華，袁洪濱，王春民

（西安航天動力研究所，陜西 西安710100）

0 引言

電爆閥包括常開式與常閉式兩種結構類型，是一種采用火藥爆炸釋放出的高溫、高壓氣體和沖擊波來驅動啟閉件運動，實現打開或關閉功能的閥門。由于電爆閥采用火工裝置進行操縱，而火工裝置具有體積小、結構簡單和可靠性高等特點，并且功耗小，作用時間短，同步性高。因此，在航天飛行器上廣泛采用電爆閥對各種流體系統進行控制，對航天器的飛行起著關鍵作用。由于電爆閥電爆啟動動作非常快，響應時間極短，再加上測量手段的限制，因此對電爆閥動態特性試驗研究開展的相對較少，運動過程尚不十分清楚，而采用仿真技術可深入研究電爆閥的啟動工作過程，并且可以用于分析和確定出現故障的原因以及改進措施有效性的一種評估手段。同時，通過仿真分析可以更好地了解電爆閥的動態響應特性與啟閉件的撞擊變形情況，為提高電爆閥及系統的可靠性提供分析依據。

1 電爆閥工作原理

所使用的電爆閥工作原理如圖1所示。該電爆閥為常閉式高壓電爆閥，電爆管未通電前，閥門處于關閉狀態。當流體通道需要打開時，給電爆管通電，電爆管起爆后產生的高溫、高壓燃氣及沖擊波推動活塞迅速向右移動并切斷閥芯，流道打開。活塞錐面接觸到殼體內腔錐面后，在慣性和燃氣壓力的作用下撞擊、楔入殼體內腔錐面，使活塞與殼體發生變形，活塞可靠鎖緊并形成密封，防止流體介質外漏。

該電爆閥在實現打開流體通道后，其另外一個主要功能是保證活塞與殼體之間楔緊所形成的可靠密封，而影響活塞與殼體之間楔緊密封性的因素主要有：電爆管爆壓特性、電爆閥出口背壓以及活塞與殼體材料性能等。因此，通過對電爆閥電爆啟動過程的動態響應特性進行仿真以及活塞與殼體撞擊過程進行模擬分析，并對影響活塞與殼體楔緊密封的因素進行比較分析，可為進一步改進和提高電爆閥的可靠性提供指導。

2 電爆試驗與特性仿真

電爆閥的電爆試驗系統如圖2所示。主要考慮模擬電爆閥實際的工作系統要求，電爆閥進口與氣瓶相連，出口連接一段封閉管路，其中氣瓶容積為1 L，電爆閥進口管路長約600 mm，出口管路長約330 mm，進出口管路都為內徑4 mm的不銹鋼管，工作氣體介質為氦氣。由于電爆閥電爆啟動時的動態響應過程非常之快，特別是電爆管起爆過程極為復雜，以目前現有的試驗條件，測量燃氣腔的相關參數變化存在較大困難，同時系統工作壓力很高，造成對活塞運動位移的直接測量也存在一定困難。

圖2 電爆閥電爆試驗系統簡圖Fig.2 Sketch of pyro-valve experiment system

因此，根據電爆管模擬容腔爆壓試驗結果，反算至電爆閥電爆前燃氣腔容積所對應的爆壓取值為120 MPa。在仿真計算過程中，忽略傳熱的影響，氣體狀態變化為絕熱過程。另外，從發出電爆指令到燃氣腔建壓和活塞切斷閥芯時刻考慮3 ms延遲，且假設活塞切斷閥芯后，認為活塞推動閥芯一起移動。

仿真計算結果與試驗結果對比如圖3所示，從中可以看出氣瓶壓力與電爆閥出口壓力的計算結果與試驗結果吻合得較好，電爆閥出口壓力建壓時間與氣瓶壓力下降時間都為5.7 ms，試驗記錄表明電爆閥出口壓力存在一定波動。另外，通過試驗測量得到的振動和沖擊加速度變化趨勢反映出從電爆管起爆到活塞碰上殼體的響應時間約為0.26 ms，與仿真計算得到的活塞運動時間0.23 ms相接近（見圖4），進一步表明仿真結果與試驗結果基本相一致。

圖3 電爆閥試驗壓力與仿真結果比較Fig.3 Comparison of pressure test and simulation results of pyro-valve

圖4 活塞運動位移與速度仿真結果Fig.4 Simulation results of piston displacement and velocity

3 活塞撞擊變形分析

活塞的鎖緊程度取決于活塞撞擊殼體時所產生的變形量，它是反映活塞與殼體之間密封性以及電爆閥工作可靠性的重要特征。另外，活塞的撞擊變形量與電爆管差異性、活塞與殼體材料性能以及電爆閥出口壓力條件等密切相關。對活塞撞擊殼體產生變形的動態過程進行仿真計算，分析不同的使用條件對其撞擊變形量的影響。

為了比較不同的材料性能與電爆管爆壓范圍等條件對變形量計算結果的影響，分別采用2批次材料與電爆管組合而成的電爆閥產品狀態進行計算分析，其中2批次電爆閥活塞與殼體材料的力學性能見表1所示，A批次電爆管爆壓范圍為81.4～120.8 MPa，B批次電爆管爆壓范圍為73.1～141.9 MPa。

表1 電爆閥活塞與殼體材料的力學性能Tab.1 Mechanics performance of materials of pyro-valve piston and valve body

活塞與殼體的碰撞和沖擊過程是一個復雜的高度非線性問題，其中撞擊運動過程包括材料非線性、邊界非線性及幾何非線性等瞬態動力學問題。若對電爆閥的整個動態運動和撞擊工作過程進行完整的模擬和仿真，則具有很大的困難，因此，本文的做法是先對電爆閥的活塞動態運動過程進行仿真計算，得到活塞與殼體接觸時刻的速度、燃氣腔壓力以及閥腔壓力，作為活塞與殼體撞擊過程強度分析計算的初始邊界條件，進而對活塞的撞擊運動過程進行計算分析。電爆閥的軸對稱計算模型見圖5。采用Abaqus軟件對電爆閥電爆后活塞運動撞擊殼體的過程進行模擬，得到活塞與殼體的撞擊變形情況，見圖6。

圖5 電爆閥活塞與殼體撞擊計算模型Fig.5 Calculation model of piston impact on pyro-valve body

圖6 活塞與殼體撞擊變形情況Fig.6 Impact deformation of piston and valve body

3.1 電爆管對變形量的影響

電爆管作為電爆閥的啟動和驅動能量裝置其特性與電爆閥的工作可靠性密切相關。為了分析電爆管特性的差異性對電爆閥工作性能的影響，這里采用001批電爆閥活塞與殼體材料與A和B批次電爆管組合成001/A與001/B的電爆閥產品狀態，對不同的電爆閥入口壓力工況下的性能特性進行仿真計算，由此得到了不同批次的電爆管對活塞變形量的影響，見圖7所示，其中變形量上下限對應為電爆管爆壓上下限計算結果。

圖7 電爆管對活塞變形量影響比較Fig.7 Influence of different initiators on piston impact deformation

對001/A與001/B批次電爆閥產品的計算結果比較，可知電爆管B爆壓帶寬相對于電爆管A的爆壓帶寬上下偏差分別為+53.5%與-21%，對應的活塞變形量帶寬上下偏差約為+42%與-34%。由此可見，電爆管爆壓范圍對活塞變形量大小存在較大的影響。

3.2 材料性能對變形量的影響

對001/B與002/B電爆閥產品狀態進行比較計算，得到了不同的材料性能對活塞變形量的影響見圖8所示。由活塞與殼體材料性能可知，001批活塞強度高于002批，且殼體強度比002批低，理論上分析，001/B電爆閥的變形量應該大于電爆閥002/B，但從計算結果可以看出，在電爆管的爆壓下限計算得到的001/B電爆閥變形量基本上都大于電爆閥002/B，而在電爆管的爆壓上限計算得到的變形量兩者各有高低，但相差很小。由以上分析結果可知：在電爆管爆壓較低的情況下，材料性能對活塞與殼體撞擊變形量影響稍大些；而在電爆管爆壓高的情況下，材料性能對變形量影響不大，即活塞與殼體的材料性能不是影響電爆閥工作可靠性的主導因素。

圖8 材料性能對活塞變形量影響比較Fig.8 Influence of different material characteristics on piston impact deformation

3.3 出口壓力對變形量的影響

前面的計算工況都是基于額定工作工況，即電爆閥出口壓力為4 MPa的條件計算得到的結果。為了分析出口壓力條件對電爆閥工作可靠性的影響，對電爆閥入口壓力30 MPa，出口壓力分別為4 MPa和30 MPa條件下，比較了001/B，002/B和001/A三種電爆閥產品狀態的活塞與殼體撞擊變形量，計算結果如圖9所示。

由以上分析知，在電爆閥出口壓力為30 MPa條件下，001/B，002/B與001/A三種電爆閥產品狀態下的變形量比出口壓力為4 MPa工況，減小的均值分別為－52%，－50%和－73%。由此表明了電爆閥出口壓力對活塞與殼體撞擊變形量存在很大影響，即出口壓力越高，則活塞變形量越小，對其楔緊越不利，電爆閥可靠性隨之降低。

圖9 出口壓力對活塞變形量影響比較Fig.9 Influence of different valve outlet pressure on piston impact deformation

4 結論

通過對電爆閥啟動過程的動態特性進行仿真計算，結果與試驗吻合較好。在此基礎上，對電爆閥啟動工作過程中活塞與殼體的碰撞行為進行顯式非線性動力學分析，可以得出以下結論：

1） 電爆管特性對電爆閥的工作性能影響較大，爆壓值越大對應的活塞撞擊變形量也增大；

2） 活塞與殼體的材料性能不是影響電爆閥工作可靠性的主導因素，在電爆管爆壓較低時，材料性能對活塞與殼體撞擊變形量影響稍大些，爆壓高時，材料性能對變形量影響不大；

3） 電爆閥出口壓力對活塞與殼體撞擊變形量影響最大，出口壓力越高，則活塞變形量越小，對其楔緊越不利，電爆閥可靠性隨之降低。

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