燃油插板閥的密封性改進(jìn)設(shè)計

摘要：工廠研制的燃油插板閥在機上使用過程中因摩擦力過大，導(dǎo)致電機損壞，影響飛行安全，通過對閥門的故障機理進(jìn)行理論計算分析，確定了故障原因，并選用摩擦系數(shù)小的聚四氟乙烯作為密封材料，在滿足密封性的同時，可以有效減小摩擦力，經(jīng)試驗驗證，改進(jìn)措施合理可行，為燃油插板閥的密封設(shè)計提供了理論支持。

關(guān)鍵詞：燃油插板閥;摩擦;密封

0? 引言

工廠研制的RDK-64A主動油切斷閥（Φ62）安裝在主動燃油總管上，用于控制燃油從供油管向主動燃油子系統(tǒng)的流動。

該產(chǎn)品為電動插板活門結(jié)構(gòu)，主要由活門部分、減速器、直流電機和接插件組成，見圖1。通過活門內(nèi)部的搖臂部件將電動機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，帶動插板實現(xiàn)產(chǎn)品的開關(guān)動作。

1? 故障現(xiàn)象及定位

1.1 故障現(xiàn)象

2019年8月19日，主動油切斷閥RDK-64A（Φ62） 1#產(chǎn)品在地面聯(lián)試中，閥門從全關(guān)位置向“開”方向工作至半開位置時停止工作，電機發(fā)熱。經(jīng)現(xiàn)場通電檢查確認(rèn)，產(chǎn)品工作電流超過3A，用力矩扳手測量活門驅(qū)動力矩為15N·m。同時，對2#產(chǎn)品通電復(fù)查時，產(chǎn)品不工作，測量活門驅(qū)動力矩為12N·m。根據(jù)故障現(xiàn)象初步判定，因活門驅(qū)動力矩過大，電機已經(jīng)堵轉(zhuǎn)燒毀。

1.2 問題定位

對活門進(jìn)行分解，活門板上有擦痕，活門殼體、搖臂等零件均完好。

利用0～30N·m的力矩扳手對活門部分在未通介質(zhì)、夾緊狀態(tài)下進(jìn)行力矩檢測，活門從開到關(guān)的最大驅(qū)動力矩為7N·m，從關(guān)到開的最大驅(qū)動力矩為6N·m，小于機構(gòu)額定力矩9N·m，即在活門空載、夾緊情況下，產(chǎn)品能正常工作。

為模擬故障時的工作狀況，將活門部分裝夾在燃油壽命試驗臺上，通以0.35MPa的RP-3煤油，在此狀態(tài)下進(jìn)行力矩檢測，活門從開到關(guān)的最大驅(qū)動力矩為7N·m，從關(guān)到開的最大驅(qū)動力矩為15N·m，大于機構(gòu)設(shè)計力矩。逐漸升高工作壓力，活門從開到關(guān)的驅(qū)動力矩保持不變，而從關(guān)到開的驅(qū)動力矩逐漸增大，見表1。

經(jīng)以上對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工作原理分析以及相關(guān)的分解檢查，可確認(rèn)引起產(chǎn)品不工作的故障現(xiàn)象的原因是由于活門在從關(guān)到開的驅(qū)動力矩過大，機構(gòu)驅(qū)動困難，導(dǎo)致電流過大，電機燒壞。

2? 故障原因分析

2.1 試驗狀態(tài)分析

由于工廠燃油產(chǎn)品傳統(tǒng)的驗收試驗方法為：將產(chǎn)品通過試驗連接工裝連接在燃油靜壓試驗臺上，產(chǎn)品工作性能檢查時，活門板不受油壓。該驗收方法未能模擬產(chǎn)品實際工況，進(jìn)行動壓考核，即場內(nèi)試驗狀態(tài)與產(chǎn)品實際工況存在差異，導(dǎo)致產(chǎn)品在場內(nèi)試驗時未出現(xiàn)問題。

2.2 理論分析

2.2.1 活門板受力狀態(tài)分析

產(chǎn)品活門部分結(jié)構(gòu)見圖2，產(chǎn)品在管路夾緊狀態(tài)，且未通入工作介質(zhì)的情況下，密封圈3在蝶形彈簧變形產(chǎn)生的彈力作用下與插板平面貼合起到密封作用，此時活門力矩主要為活門板與密封圈3產(chǎn)生的摩擦力。當(dāng)活門處于全關(guān)狀態(tài)通一定壓力的工作介質(zhì)時，該壓力作用在活門板上，由于密封圈3與活門板為柔性接觸，在實際運動中，活門板與襯套接觸，產(chǎn)生的摩擦力通過搖臂部件傳遞到活門軸上，即為活門的驅(qū)動力矩。

2.2.2 力矩計算

活門在工況下的力矩計算如下：

根據(jù)《閥門設(shè)計手冊》可知，活門密封面上總作用力QMZ由公式（1）計算可得，活門需要的驅(qū)動力矩T由公式（4）計算可得。

式中，QMZ→活門密封面上總作用力;

QMF→密封面上達(dá)到必需比壓時的作用力;

QMJ→作用在活門板上的介質(zhì)壓力。

式中，d→襯套內(nèi)徑，d=67.6mm;

bm→襯套接觸面寬度，bm=1.25mm;

qMF→必需比壓，根據(jù)《閥門設(shè)計手冊》可得鋼與鋼之間密封的必需比壓qMF=10.5。

式中，P→通工作介質(zhì)壓強，P=0.35MPa。

式中，T→活門需要的驅(qū)動力矩;

μ→活門板與襯套之間的摩擦系數(shù)，根據(jù)《機械工程手冊》第1卷有鋼與鋼之間的摩擦系數(shù)μ=0.15;

L→搖臂有效轉(zhuǎn)動長度，L=52mm;

α→搖臂與活門板中心線的夾角，通過圖紙計算α=63°。

聯(lián)立公式（1）～公式（4）可以得出活門需要的驅(qū)動力矩T=14.67N·m，與實測值較吻合。

3? 改進(jìn)取措施及驗證效果

3.1 改進(jìn)措施

查《航空材料手冊》第2卷，SFBN聚四氟乙烯棒具有優(yōu)異的耐熱性、耐腐蝕性，摩擦系數(shù)小，不粘、不燃，可作為密封件。因此，將密封環(huán)材料更改為SFBN聚四氟乙烯棒，查《機械工程手冊》第1卷可得SFBN聚四氟乙烯與鋼的摩擦系數(shù)為0.05。根據(jù)公式（1）～公式（4）可得活門在通0.35MPa油壓下的驅(qū)動力矩為T=4.89N·m。

將活門在通0.35～0.7MPa油壓下進(jìn)行試驗，活門的驅(qū)動力矩和工作電流見表2。

從表2的試驗結(jié)果可知，更換密封圈材料后，活門在工作狀態(tài)下的驅(qū)動力矩大幅下降，均小于理論計算值，并且活門從關(guān)到開的驅(qū)動力矩隨介質(zhì)壓力的升高變化較小，滿足使用要求。

3.2 驗證效果

按上述方案對RDK-64A地面試驗件1#和2#產(chǎn)品進(jìn)行返修更改后，活門驅(qū)動力矩和內(nèi)漏量見表3。從表3可知，活門的驅(qū)動力矩均不大于6N·m，內(nèi)漏量不超過20滴/min，產(chǎn)品的工作時間和工作電流均滿足技術(shù)要求。

對1#和2#產(chǎn)品按GJB150.5A-2009進(jìn)行溫度沖擊試驗，產(chǎn)品內(nèi)漏量和外泄量和工作性能均滿足技術(shù)要求。對這兩臺產(chǎn)品在0.35 MPa的油壓下按表4要求進(jìn)行壽命試驗考核，要求每50工作循環(huán)記錄1次工作電流和活門轉(zhuǎn)換時間、每2500工作循環(huán)進(jìn)行內(nèi)漏量和外泄量的檢查，試驗結(jié)果均滿足技術(shù)要求。

工廠生產(chǎn)的WDG-49C、WDG-49D電動機構(gòu)共15臺通過試驗檢查，機構(gòu)轉(zhuǎn)換時間為0.62～1.22s，機構(gòu)輸出軸轉(zhuǎn)動“開”角度為46°～47.5°，“關(guān)”角度為45°～48°，完全滿足技術(shù)條件中機構(gòu)轉(zhuǎn)換時間不大于1.5s，機構(gòu)輸出軸轉(zhuǎn)動“開”角度為45°～48°，“關(guān)”角度為42°～50°的要求，產(chǎn)品經(jīng)過廠內(nèi)10000次壽命試驗和裝機飛行的考核，使用過程中沒有出現(xiàn)因機構(gòu)更改而導(dǎo)致產(chǎn)品故障的現(xiàn)象。

4? 結(jié)論

結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工作原理，通過對產(chǎn)品故障機理進(jìn)行理論計算分析，確定了故障原因，并選用摩擦系數(shù)小的SFBN聚四氟乙烯棒替代原來的不銹鋼材料，經(jīng)試驗驗證，改進(jìn)措施合理可行，在滿足密封性的要求下，有效減小了活門板動作時的摩擦力，同時對工廠同類型產(chǎn)品進(jìn)行了舉一反三改進(jìn)，為燃油插板閥的密封設(shè)計提供了理論支持。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國機械設(shè)計大典 第3卷 機械零部件設(shè)計[M].南昌：江西科學(xué)技術(shù)出版社，2002，1.

[2]閥門設(shè)計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1992.

[3]機械工程手冊[M].二版.北京：機械工業(yè)出版社，2002.

[4]中國航空材料手冊（第2卷）[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，? 2002.

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作者簡介：譚敏（1982-），男，碩士，工程師，研究方向為航空電動機構(gòu)及電動閥門的設(shè)計與控制。