運載火箭發(fā)動機某減壓閥閥芯斷裂問題分析

賈靜雅 高 琦 杜峻松 次世青 賈梅杰 陸 蒙 齊 浩

運載火箭發(fā)動機某減壓閥閥芯斷裂問題分析

賈靜雅 高 琦 杜峻松 次世青 賈梅杰 陸 蒙 齊 浩

（首都航天機械有限公司，北京 100076）

針對某運載火箭發(fā)動機減壓閥閥芯在試驗過程中斷裂的問題，檢查閥芯斷口外觀，分析斷口原因，結果表明：閥芯的閥桿應是受到較大軸壓載荷作用導致小通孔部位發(fā)生塑性失穩(wěn)變形，隨變形程度增大變形區(qū)邊緣受彎發(fā)生脆性斷裂。通過分析零件缺陷、裝配損害、測試摩擦力損壞及分解損壞等各種原因，最終定位在摩擦力測試過程中，測試設備的測試頭撞擊閥芯所致，在分解時又用手動壓力機壓閥芯，致使閥芯出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。針對該現(xiàn)象提出了量化參數(shù)的方法，實現(xiàn)測量閥芯摩擦力測量，并采用首件使用工藝試驗件，試驗完成后通過數(shù)據判讀的方法完成合格品篩選。

減壓閥；摩擦力測試；斷裂

1 引言

運載火箭發(fā)動機某減壓閥將控制氣瓶供應的高壓氣源降低為所需要的壓力，為發(fā)動機被控閥門提供恒壓控制氣。該減壓閥主要由殼體、閥芯、閥座、膜片組合件、筒、主彈簧、副彈簧、過濾器、保險活門（裝有耗氣組件）等零組件組成。

按照產品設計要求，需要測量閥芯運動時的摩擦力。在測摩擦力過程中發(fā)現(xiàn)摩擦力數(shù)值較小，與以往產品測量結果有差異，于是分解檢查，發(fā)現(xiàn)閥芯卡滯。利用壓力機分解阻尼套筒時，發(fā)現(xiàn)閥芯斷裂。

2 斷口分析

2.1 斷口宏觀形貌

發(fā)現(xiàn)閥芯斷裂后，分析閥芯斷口形貌，端口形貌如圖1所示。

圖1 閥芯斷口形貌

2.2 斷口微觀形貌

采用掃描電鏡觀察斷口，同時在閥桿未變形區(qū)域制備人工斷口比對觀察，結果表明：斷口未損傷區(qū)域（宏觀呈顆粒狀）與人工斷口形貌一致，均呈沿晶+少量韌窩形貌，未見材料缺陷，斷口微觀形貌見圖2。

圖2 斷口微觀形貌

對斷面的能譜分析顯示，含有Fe（主）、Cr（14.4%）、Mn（0.7%）、Si（0.4%）等元素，主合金元素及含量未見異常。

2.3 斷口金相分析

從閥桿變形最嚴重區(qū)域沿軸線方向截取部分試樣進行金相分析及顯微硬度測試，結果如下：

a. 金相試樣的顯微硬度測試結果見表1，變形區(qū)域硬度較正常區(qū)域偏高，應是發(fā)生形變硬化所致。

表1 顯微硬度測試結果（HV0.2）

b. 材料顯微組織為屈氏體組織，未見組織缺陷；變形最嚴重部位可見明顯的流線，流線方向與軸向夾角約45°，可見沿流線開裂的裂紋；斷口區(qū)域組織未見異常，如圖3所示。

圖3 顯微組織形貌

3 試驗與故障分析

3.1 試驗結論

通過能譜分析、金相分析及顯微硬度測試的結果表明，閥芯所用材料的主成分及組織狀態(tài)未見異常。

閥芯整個閥桿存在明顯的彎曲變形，其中部的小通孔處變形最嚴重，呈“S”形，該區(qū)域材料存在明顯的軸向擠壓堆積現(xiàn)象，組織中可見與軸向夾角約45°的變形流線及沿流線開裂的裂紋，具有典型的受軸壓破壞特征。變形最嚴重區(qū)域邊緣發(fā)生斷裂，整個斷面微觀均呈沿晶形貌，未見材料缺陷，應是受彎發(fā)生脆性斷裂。由于2Cr13材料硬度為HRC36對應的回火溫度約550℃，該溫度下材料沖擊韌性較低，具有回火脆性[1]，斷口呈脆性特征應與此有關。

綜合分析認為，閥芯閥桿是受到較大軸壓載荷作用導致小通孔部位發(fā)生塑性失穩(wěn)變形，隨變形程度增大變形區(qū)邊緣受彎發(fā)生脆性斷裂。

在分析閥芯斷裂問題時，建立以下故障分析圖，如圖4所示。

圖4 故障分析圖

3.2 故障分析

3.2.1 原材料分析

經能譜分析、金相分析及顯微硬度測試，結果表明閥芯所用材料的主成分及組織狀態(tài)未見異常，因此排除該原因。

3.2.2 零件質量分析

在閥芯摩擦力測試過程中，發(fā)現(xiàn)摩擦力測試結果異常。若摩擦力過大，有可能在測摩擦力時造成閥芯損壞。因此比對本批產品所涉及的閥芯和殼體的配合間隙、彈簧力和閥芯運動時摩擦力等數(shù)據，均符合要求，無超差現(xiàn)象，排除該原因。

3.2.3 熱處理情況分析

經檢查，熱處理生產過程符合工藝要求，生產過程中未見異常，硬度檢測結果滿足設計指標要求。使用設備精度滿足工藝要求，操作者經培訓取證后上崗。生產過程質量可控，結果檢測滿足設計要求。另根據理化分析，閥芯所用材料的主成分及組織狀態(tài)未見異常，排除該原因。

3.2.4 閥芯裝配不當

若閥芯裝配不當，會造成閥芯偏斜，閥芯運動時可能摩擦力增大，并出現(xiàn)閥芯卡滯現(xiàn)象，使閥芯在測摩擦力和分解時損壞。針對上述情況對閥芯裝配過程進行復查，從多媒體記錄情況可看出，整個裝配過程未見閥芯出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，因此排除該原因。

3.2.5 裝配帶入多余物

復查裝配過程中多余物控制情況，具體工作如下：

a. 已按工藝文件要求進行了清洗；

b. 零部件表面質量檢查；

c. 檢查內腔應無劃傷、多余物等不符合驗收要求的缺陷存在；

d. 對有細長孔和相交孔的零件用內窺鏡檢查。

通過復查，上述工作均已落實，于是用線切割方法剖切故障件擋塊、閥芯，如圖5所示。

理化分析蹭痕，閥芯和擋塊磨損處電鏡下觀察未見多余物，見圖6、圖7及表2～表5，磨損處能譜成分與正常位置能譜成分無明顯差異，與2Cr13牌號主成分一致。

圖6 磨損處電鏡形貌

圖7 閥芯電鏡形貌

表2 磨損處能譜成分 %

表3 正常位置能譜成分 %

表4 磨損處能譜成分 %

表5 正常位置能譜成分 %

由此可知，閥門裝配過程中未帶入多余物，排除該原因。

3.2.6 壓力機參數(shù)設置錯誤

若壓力機測試參數(shù)設置不當，可能造成測試設備測試頭運動過快，撞擊閥芯，使閥芯損壞。

故障試驗采用了CMT5504電子萬能試驗機測試該減壓閥閥芯摩擦力。在測量閥芯摩擦力前，不裝產品，手動調試試驗設備，無異常。

然后使用該產品測量閥芯摩擦力，變化趨勢與正常產品未存在明顯差異。而且在摩擦力測試過程中，設備設置了行程和壓力值雙重保護程序，達到任意一個條件則測量過程自動終止，因此排除該原因。

3.2.7 測試頭撞擊

在摩擦力測試準備時，產品裝到測試平臺后，閥芯與測試頭之間有較大的間隙，在調試過程中，若測試頭運動過快有可能撞擊閥芯，使閥芯損壞。因此復查閥芯摩擦力測試過程。

a. 工藝規(guī)程規(guī)定首件應使用工藝件測試，目的是檢測CMT5504電子萬能試驗機試驗數(shù)據是否穩(wěn)定，本次試驗未使用工藝件測試，直接使用該產品測量閥芯摩擦力；

b. 產品試驗前準備，目視檢查工裝與壓力機之間應有間隙，如圖8所示。

圖8 工裝與壓力機位置

在調試工裝與壓力機間隙時，存在設備瞬時速度過快，造成測試頭撞擊閥芯，使得故障件在測量閥芯摩擦力前出現(xiàn)擋塊與閥芯輕微卡滯，擋塊與閥芯蹭痕位置圖如圖9所示。

圖9 擋塊與閥芯蹭痕位置圖

當調試工裝與壓力機間隙時，未及時發(fā)現(xiàn)瞬時出現(xiàn)的工裝與壓力機之間撞擊現(xiàn)象。

在該產品測量閥芯摩擦力時，第一次測試出現(xiàn)摩擦力峰值為386N，相對正常產品低約20%，摩擦力值曲線正常，此時閥芯可能出現(xiàn)微裂紋，第二次測試摩擦力峰值為276N，相對正常產品低約40%，摩擦力值曲線異常，閥芯在微裂紋處可能出現(xiàn)滑移現(xiàn)象。因此無法排除測試頭撞擊導致閥芯變形。

3.2.8 分解損壞

該產品在分解時，發(fā)現(xiàn)閥芯無法正常分解后，利用壓力機分解，當分解阻尼套筒時，發(fā)現(xiàn)閥芯斷裂。復查分解過程，該產品測量閥芯摩擦力完畢，按照常規(guī)方法無法分解成零、組件狀態(tài)，先后進行a. 選用手動壓力機壓閥芯；b. 用專用工裝分解阻尼套筒，分解時發(fā)出異常聲響，分解完畢發(fā)現(xiàn)閥芯斷裂，如圖10所示。

圖10 閥芯斷裂

經前期摩擦力測試結果分析，若出現(xiàn)閥芯卡死現(xiàn)象，摩擦力值應遠大于要求值。本故障件實際情況與此不符，且變化趨勢與正常產品存在明顯差異。因此在分解前閥芯已被損壞，導致分解時閥芯斷裂。

4 結論分析

綜上所述，該產品閥芯斷裂的原因定位于測試過程中，測試設備的測試頭撞擊閥芯導致閥芯受損，分解時又用手動壓力機壓閥芯，致使閥芯出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。

5 結束語

針對上述試驗過程中存在的主要問題，完善了后續(xù)減壓閥測量閥芯摩擦力工藝流程：a. 優(yōu)化試驗流程；b. 首件測試產品應使用工藝試驗件。

通過此次工藝流程優(yōu)化，進行了20件減壓閥摩擦力測量工作，均未出現(xiàn)異常，證明通過此次改進，使產品工藝穩(wěn)定性得到了大幅提升，為減壓閥等高精度閥門產品摩擦力測試提供借鑒。

1 王周讓，王曉輝. 航空工程材料[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2010：87～88

Fracture Analysis of Pressure Reducing Valve Spool of A Certain Type Launch Vehicle Engine

Jia Jingya Gao Qi Du Junsong Ci Shiqing Jia Meijie Lu Meng Qi Hao

(Capital Aerospace Machinery Co., Ltd., Beijing 100076)

In order to analyze the fracture of pressure-reducing valve spool, this paper examines the appearance inspection, fracture analysis. The results indicated that the stem of the valve core should be plastic instability and deformation of the hole caused by axial compression. Through the analysis of part defects, assembly wreck, friction test wreck and decomposition wreck etc, the problem is positioned as a result of a failure during a friction test. For this phenomenon, this paper put forward that the test should be predictive before official test. After the test, it should be qualified by data interpretation.

pressure-reducing valve；friction test；rupture

賈靜雅（1984），工程師，航天發(fā)動機閥門制造專業(yè)；研究方向：閥門制造與試驗。

2020-01-03