水擊壓力校準系統快關閥的研發與應用

王乃世，羅 軍，張俊鋒

(西安航天動力試驗技術研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

在液體火箭發動機試驗入口閥啟閉迅速的情況下，必然會引起管路中流體流速的急劇變化，同時會伴隨著液體壓力交替升降，交替升降的壓力作用在管路或閥上就像錘擊一樣，這種液流的不穩定現象稱為水擊現象，交替升降的壓力稱為水擊壓力。水擊壓力數據是發動機結構、主閥、試驗系統入口管路、試車架結構設計可靠性的主要參考依據。為了準確獲得水擊壓力數據，首先要對測量用的水擊壓力傳感器進行現場動態標定，為了獲得真實的現場校準數據，需要設計一套能夠模擬發動機試驗啟閉過程的校準裝置。

由于水擊壓力現場校準裝置需要產生瞬態水擊壓力，為了模擬真實試驗狀態，設計了快關閥，要求閥關閉速度滿足產生預定水擊壓力的要求，完成水擊壓力現場校準。

1 設計要求

液體水擊壓力主要是試驗時入口隔離電爆閥快速開啟和關閉情況下產生的，根據電爆閥性能試驗結構，其開關閥速度可達到7～10 ms?？礻P閥作為水擊壓力發生源系統的關鍵設備，要求其關閉速度能夠達到電爆閥關閉速度條件，以盡量使現場試驗條件與發動機試驗程序一致，同時要求其結構可靠，能夠實現高沖擊壓力下的密封。目前，市場通用閥開關速度一般在100 ms以上，難以實現本試驗系統閥快速關閉要求。要使快關閥關閉速度達到5 ms或小于5 ms，必須通過特殊方式實現。

根據水擊發生原理和試驗過程中的變化規律，快關閥需要能夠實現快速關閉，其關閉速度(從全開到全關)能夠達到與電爆閥相當(≤8 ms)的要求。因此，對于快關閥研制提出以下條件：一是關閥速度滿足水擊壓力發生和變化需求，閥設計關閉速度要求≤5 ms；二是快關閥在關閉瞬間產生最大水擊壓力(10 MPa)時能夠可靠密封。

2 設計方案

2.1 方案選擇

根據要求選用的快關閥公稱直徑為50 mm，閥有效行程不小于1/4D=12.5 mm，實現≤5 ms的關閥速度，閥運動盡可能簡單，傳動環節盡可能少。閥基本型式選擇截止閥結構，采用2～5 MPa氣源的氣動機構驅動，采用金屬材料脆性斷裂裝置和提高關閉初始加速度的方式提高閥關閉(從全開至全關)速度。

2.2 關鍵技術分析

快關閥(見圖1)主要由氣動機構、閥本體、脆性斷裂裝置及連接件等組成。其中驅動機構包括氣缸、活塞及復位彈簧等。由控制氣源驅動活塞向下運動，實現閥關閉，復位彈簧用于閥自動打開。閥體由閥桿、閥頭、閥座及密封副等組成，完成閥密封實現介質切斷。脆性斷裂裝置包括脆性片、沖壓頭和脆性片支座。沖壓頭與閥桿連接為一體，隨閥桿運動。脆性片支座安裝在閥殼體上，用于脆性片安裝固定。氣動機構設計時增大了活塞下方端蓋氣隙，使閥關閉時活塞下方空氣快速排出，氣動阻力較小。

閥使用時，首先安裝指定規格的脆性片，然后打開控制氣閥，使控制氣開始填充，氣腔內壓力達到脆性片斷裂壓力后，閥突然啟動，閥頭與閥座閉合實現閥的快速關閉。再次試驗時，關閉控制氣閥，將氣腔內控制氣放掉，在復位彈簧恢復力作用下閥恢復打開狀態。

在保證密封效果前提下，快關閥研制關鍵在于脆性片性能。要求脆性片在2～5 MPa控制氣壓力下能夠按預期斷裂，同時，斷裂力值必須達到要求值，閥運動機構才能獲得滿足關閉速度要求的初始加速度。

2.3 技術途徑解決方法

快關閥所用脆性片材料需保證斷裂時斷口整齊、均勻，斷裂力值便于控制。為選擇脆性片材料，對三種材料進行了壓斷試驗，以摸索斷裂力值和斷裂效果。進行壓斷試驗的裝置原理如圖2所示，斷裂結果見表1。

圖2 脆性片斷裂試驗裝置

表1 脆性材料試驗結果

由斷裂試驗結果可知，對硬塑料、鑄鐵、錫青銅三種材料的脆性片進行斷裂試驗，脆性材料試驗結果表明，在驅動氣壓力調節至2 MPa時，塑料片開始出現裂紋。整個塑料片變形較大，無法達到脆性斷裂的要求；鑄鐵片加載至4 MPa時，鑄鐵片開始斷裂，觀察斷裂口發現鑄鐵片斷裂為脆性斷裂，但斷口不整齊，容易造成夾料使閥無法正常關閉；錫青銅片在加載至5 MPa時出現變形但未斷裂。為驗證錫青銅斷裂情況。加工了一組不同厚度的錫青銅片用于試驗，最終在凹槽部位錫青銅片厚度為0.2 mm、操縱氣壓力5 MPa時實現斷裂，且斷口呈現為較為規則的圓環狀。且不同厚度錫青銅脆性片斷裂力值呈現規律性。根據以上試驗結果，選擇錫青銅(QSn6.5-0.1)材料為最終快關閥脆性片材料。脆性片結構如圖3所示。

圖3 脆性片結構

脆性片固定在支座上，為一圓環狀結構，保證脆性片剛度，中部刻有環槽，使脆性片在受到沖擊時便于斷裂，斷口更加規則。脆性片中部向一側開有U型缺口，便于在閥桿部位安裝。

材料受沖擊斷裂的斷裂力為：

p=0.9Ltσb

(1)

式中：p為脆性片斷裂力，N；L為沖裁部分周線長度，mm；t為沖斷材料厚度，mm；σb為材料極限拉應力，MPa。以0.4 mm厚度脆性片尺寸進行計算，所用脆性片斷裂力值約為16.7 kN。

閥驅動力為：

F=η(F0+G-pLAS)=η(pA0+Mg-pLAS)

(2)

式中：F為閥驅動力，N；F0為控制氣施加在活塞上的壓力，MPa；η為驅動效率，不包含摩擦阻力和氣動阻力，η=0.7；M為運動機構的總質量，kg；pL為過流介質壓力，MPa；A0為活塞有效面積，mm2；AS為閥密封面積，mm2。

要使脆性片發生脆性斷裂，需F≥p，即閥驅動力大于材料斷裂力值。根據上式進行計算，要使脆性片斷裂，閥控制氣壓力最低為2.8 MPa。滿足2～5 MPa控制氣壓力下完全能夠實現脆性片的脆性斷裂。

2.4 結果驗證

將設計的脆性片用于快關閥，驗證快關閥關閉時間?？紤]控制氣持續充填效果，利用經典牛頓公式進行迭代計算，閥在5 MPa控制氣驅動條件下關閉時間為3.1 ms，由于驅動效率選擇偏保守，閥關閉時間應小于3.1 ms。對閥實際關閉速度進行了多次驗證試驗。根據系統水擊壓力發生曲線可知，系統水擊壓力第一峰上升壓力時間平均為2.4 ms，根據系統水擊壓力規律計算，直接水擊壓力上升時間為2.57 ms，此結果未包含現場條件誤差。同時比較閥信號反饋數據，閥關閉時間為3.25 ms和3.47 ms，考慮信號傳導和感應時間誤差，認為閥實際關閉時間約為3 ms。快關閥設計滿足使用要求。

3 實際應用

快關閥在水擊壓力現場動態校準試驗過程中進行了應用，為驗證實際使用效果，將某次試驗數據與用快關閥產生的水擊壓力曲線進行比對，兩次的試驗狀態和使用的傳感器等設備基本一致。

從結果可知，某次試驗水擊壓力上升時間為1.4 ms，兩次水擊壓力校準曲線水擊壓力上升時間為1.7 ms，水擊壓力發生時間相當，且水擊壓力發生值大于發動機試驗過程。根據水擊計算公式，水擊壓力值與閥動作時間有關?？礻P閥關閉速度比電爆閥快，在此前提下試驗結果與理論計算結果符合，快關閥關閉速度滿足要求，完全可用于水擊壓力現場校準試驗。通過調節控制氣壓力、更換不同剪裁厚度的脆性片進行試驗，脆性片斷裂效果良好，閥關閉速度均滿足要求，可實現預定水擊壓力值發生控制，數據曲線與試驗狀態基本一致，達到了水擊壓力現場動態校準系統對快關閥的要求。

4 結論

水擊壓力現場動態校準系統快關閥利用金屬材料脆性斷裂原理進行了詳細的結構設計和驗證試驗，成功應用于水擊壓力發生源，實現了≤5 ms關閉速度的要求，達到原有試驗系統能力的包絡范圍。