基于氣動(dòng)反饋式電信號(hào)控制裝置的設(shè)計(jì)

梁 秦 盧 猛 周明陽

（凱邁（洛陽）氣源有限公司，洛陽471003）

引言

目前航天航空用高壓氣源裝置，多為遠(yuǎn)程電動(dòng)控制開瓶。為了實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)氣源裝置已經(jīng)開瓶工作功能，在氣源裝置的電動(dòng)開瓶結(jié)構(gòu)上進(jìn)行電信號(hào)反饋設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)雖然能夠提供電信號(hào)反饋，但只監(jiān)測(cè)了開瓶結(jié)構(gòu)是否工作，而不是氣源裝置是否開瓶供氣。

基于此，本文設(shè)計(jì)了一種基于氣動(dòng)反饋式電信號(hào)控制裝置。利用氣源裝置開瓶供氣后的氣體作用在裝置上，實(shí)現(xiàn)電信號(hào)反饋，從而更準(zhǔn)確的判斷氣源裝置的工作狀態(tài)。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 技術(shù)參數(shù)

①工作壓力：51MPa（常溫）；②電阻：不大于1Ω；③工作后檢測(cè)絕緣電阻：不小于1MΩ/100V；④工作電壓：28.5±3V DC。

1.2 電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)如圖1所示的電路，當(dāng)裝置未工作時(shí)，電路上的燈常亮。當(dāng)裝置工作后，電路上的燈熄滅。通過燈的常亮/熄滅，可以直觀的觀察、了解裝置是否工作，從而判斷氣源裝置是否已開瓶供氣。

圖1 電路圖

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)圖1所示電路圖，該裝置主要實(shí)現(xiàn)通斷功能。基于此，設(shè)計(jì)了如圖2所示的結(jié)構(gòu)圖，由導(dǎo)線、活塞、堵頭、銷子、密封圈等組成。當(dāng)氣源裝置開瓶工作后，氣體作用在該裝置內(nèi)的活塞上，使活塞快速移動(dòng)，從而使穿過活塞的導(dǎo)線被剪斷，導(dǎo)線由通路變斷路，從而實(shí)現(xiàn)電信號(hào)反饋功能。

2 理論設(shè)計(jì)過程

2.1 導(dǎo)線的選用

選用鍍銀銅芯氟塑料繞包金屬屏蔽安裝電線AFR-250-0.5，能夠承受500V的直流電壓，滿足工作電壓28.5±3V DC的要求。結(jié)合裝置的使用特點(diǎn)，導(dǎo)線的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1m，通過計(jì)算其電阻值為0.036Ω，滿足不大于1Ω的要求。

圖2 結(jié)構(gòu)示意圖

電線基本性能：①橫截面積：0.5mm2；②絕緣電阻：0.25mm；③電線外徑：1.45mm；④額定電壓：600V；⑤銅芯極限拉伸強(qiáng)度：450MPa；⑥抗剪切強(qiáng)度：150MPa；⑦20℃時(shí)導(dǎo)體直流電阻：36Ω/km，⑧工作溫度：（-60～+250）℃。

2.2 絕緣性

活塞、襯套的材料選用聚砜S-180[1]。該材料具有良好的絕緣性和較高的強(qiáng)度，其彎曲強(qiáng)度118MPa、拉伸強(qiáng)度19MPa、體積電阻率1×1014Ω·m、表面電阻率1×1016Ω·m。通過絕緣電阻計(jì)算公式得出絕緣電阻為0.382×1011MΩ。

2.3 導(dǎo)線所受剪切力

導(dǎo)線受到的剪切應(yīng)力τ為作用到活塞上的力F與導(dǎo)線的剪切截面積S之比，通過計(jì)算得出F為1852.167N、S為0.0725mm2、τ為25547.13MPa。該剪切應(yīng)力遠(yuǎn)大于導(dǎo)線的抗剪切強(qiáng)度（150MPa），故該裝置能夠可靠的將導(dǎo)線剪斷。

2.4 殼體安全性設(shè)計(jì)

殼體是裝置的主要承壓零件，決定著裝置的耐壓安全性。殼體材料宜選用力學(xué)性能和耐候性更好的馬氏體沉淀不銹鋼，其最薄弱的地方為安裝堵頭處的退刀槽。按照安全系數(shù)計(jì)算公式得出殼體安全系數(shù)為7.39。一般安全系數(shù)應(yīng)≥2.5，可見殼體對(duì)于耐壓值有足夠的安全系數(shù)，滿足使用安全性。

2.5 通斷及密封性設(shè)計(jì)

將導(dǎo)線處于緊繃、固定狀態(tài)，然后在導(dǎo)線與殼體之間填充結(jié)構(gòu)膠，使導(dǎo)線鎖緊；

活塞與襯套之間使用過渡配合，且在活塞與襯套橫穿導(dǎo)線的孔結(jié)構(gòu)處保留尖角；

活塞與殼體之間通過密封圈進(jìn)行密封，同時(shí)對(duì)活塞的移動(dòng)距離進(jìn)行限制，使得活塞移動(dòng)后其密封圈不會(huì)到達(dá)導(dǎo)線穿孔位置，保證密封圈的密封功能不失效；

在活塞后端的堵頭上開有氣孔，使活塞的后端空間與大氣環(huán)境連接，當(dāng)活塞受氣壓時(shí)，能夠順利的后移；

在襯套上安裝有濾網(wǎng)，主要用于防止大氣環(huán)境的微小顆粒、異物通過堵頭上的氣孔進(jìn)行裝置內(nèi)部，影響裝置性能。

3 試制、試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試制

嚴(yán)格按照?qǐng)D紙要求和加工工藝規(guī)程，對(duì)裝置的零件進(jìn)行加工，再按照裝配工藝規(guī)程要求進(jìn)行裝配。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

按照電路圖連接電路，此時(shí)電路中的燈處于常亮狀態(tài)；

向裝置提供51MPa氣體，此時(shí)裝置應(yīng)能正常工作，電路中的燈會(huì)瞬間處于熄滅狀態(tài)；

將工作后的裝置放入盛有酒精的燒杯中觀察5min，裝置的各接口應(yīng)無氣泡產(chǎn)生；

用100V的兆歐表檢測(cè)導(dǎo)線與殼體之間的絕緣電阻，應(yīng)不小于1MΩ。

按照以上要求進(jìn)行試驗(yàn)后，裝置能夠順利的完成通斷功能，并且工作后裝置未出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，絕緣電阻無窮大，滿足要求。

以上試驗(yàn)驗(yàn)證基于高壓狀態(tài)，未驗(yàn)證在低壓狀態(tài)時(shí)裝置是否滿足通斷功能。故對(duì)裝置進(jìn)行了氣壓1MPa的驗(yàn)證，通氣后導(dǎo)線仍能被順利的被剪斷，氣密性良好，絕緣電阻滿足要求。

4 結(jié)論

通過對(duì)該裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)其功能性能滿足使用要求。該裝置的成功試制，不僅為基于氣動(dòng)反饋式電信號(hào)控制裝置積攢了設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、工藝經(jīng)驗(yàn)，而且使用在航天航空用遠(yuǎn)程控制開瓶的氣源裝置上后，可以進(jìn)一步提高了氣源裝置的安全性、可靠性。