低溫環境對氣體減壓閥調節特性的影響

田 川，廉英琦，雷小飛，羅大亮

(1.空軍裝備部駐西安地區軍事代表局，陜西 西安 710043；2.西安航天動力研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

氣體減壓閥是擠壓式軌姿控發動機的關鍵組件，其出口壓力特性直接決定了系統推力性能，也影響到推力室工作的可靠性[1-2]。減壓閥在制造時通過調整彈簧力預先設定出口壓力值。減壓閥在閥芯開始動作的瞬間，閥芯處于最大開度，高壓氣體以最大流量充填出口容腔，當出口容腔壓力達到關閉壓力時，閥芯開始向關閉方向運動，這個過程中出口壓力一般表現為較高的壓力峰值，然后下降到平衡壓力。出口壓力穩定的過程則是作用在減壓閥運動部件上力的動態平衡過程，往往會引起出口壓力振蕩[3]。發動機系統要求減壓閥在流量大范圍快速變化情況下動態特性穩定、出口壓力偏差小。

減壓閥出口壓力特性受到諸多因素的影響。尤裕榮、曾維亮等人的研究表明，摩擦力、流體穩態力對減壓閥靜態特性偏差有不同程度的影響，并對此進行仿真分析，研究了氣體壓力、溫度、流量及閥芯開度等參數對減壓閥啟動特性的影響，提出了減壓閥優化設計的措施[3-4]。曹明主要討論了結構參數對減壓閥靜態特性的影響[5]。朱建國等人討論了閥芯開度、限流圈、管路系統等因素對減壓閥動作瞬間壓力峰值及振蕩的影響，提出了抑制振蕩的措施[6]。目前國內外對減壓閥特性的研究主要關注結構參數的影響[7-15]，少有涉及低溫環境對減壓閥特性的影響。

本文針對某發動機用氣體減壓閥低溫工作特性，開展動態仿真和試驗研究，獲得了減壓閥出口壓力特性隨溫度變化的規律，分析了低溫環境影響減壓閥特性的主要因素，為減壓閥低溫工作特性趨勢判斷提供依據。

1 低溫環境影響分析

典型逆向式減壓閥結構原理如圖1所示，主要由主副彈簧、密封圈、閥芯、閥座、膜片以及阻尼罩組成。減壓閥的動態特性本質上是閥芯在氣體介質力作用下受力的動態平衡過程。軌姿控發動機用減壓閥最低使用環境溫度一般為-35～-50 ℃，該溫度環境影響減壓閥閥芯受力和調節特性的主要因素包括：

1)剛度變化：減壓閥的剛度由彈簧和膜片共同組成，低溫環境下，材料彈性模量發生變化，偏離設計的額定點，導致減壓閥動態特性發生變化；

2)阻尼變化：減壓閥閥芯運動阻尼主要受到膠圈摩擦力的影響。低溫環境下，橡膠收縮和潤滑脂性能降低導致閥芯運動阻尼發生變化，導致減壓閥動態特性發生變化。

1—副彈簧；2—密封圈；3—閥芯；4—閥座； 5—膜片；6—阻尼罩；7—主彈簧。 圖1 逆向卸荷式減壓閥工作原理圖Fig.1 Diagram of reverse unloading PRV

2 動態仿真分析

對減壓閥低溫動態特性進行仿真及分析，以剛度和阻尼為要素研究其對減壓閥低溫特性的影響。

2.1 彈簧剛度變化對調節特性的影響

根據GB/T 23935—2009圓柱螺旋彈簧設計計算標準，圓柱螺旋壓縮彈簧剛度

(1)

式中：G為材料切變模量， MPa；d為彈簧絲徑，mm；D為彈簧中徑，mm；n為彈簧有效圈數。

假設減壓閥彈簧常溫工作溫度為20 ℃，低溫為-35 ℃，則溫差為55 ℃。在此溫度下彈簧剛度變化率

(2)

可得

(3)

(4)

由式(4)可得低溫下彈簧剛度變化率主要由材料的切變模量變化率決定。假設低溫下材料切變模量隨溫度近似線性變化，通過插值法可以得到不同溫度下的不銹鋼材料切變模量，進而得到不同溫度下的彈簧剛度，如表1所示。

表1 不銹鋼彈簧低溫剛度Tab.1 Low temperature stiffness of stainless steel spring

建立典型逆向式結構減壓閥的AMESim仿真模型，如圖2所示，采用表1計算的彈簧剛度對減壓閥在溫度為20、0、-15、-35 ℃時啟動過程中的動態特性進行仿真。氣體介質采用氮氣，入口壓力為28 MPa；出口壓力隨時間變化的仿真結果如圖3所示。

由圖3可以看出，隨著溫度降低啟動瞬間壓力峰值及穩定后出口壓力均略有升高，但壓力峰值與穩態出口壓力的比值為1.092～1.121，差別較小(相對變化2.66%)。

圖2 減壓閥仿真模型Fig.2 Simulation model of PRV

圖3 不同彈簧剛度條件下出口壓力動態仿真曲線Fig.3 Dynamic simulation curve of outlet pressure at different stiffness of spring

2.2 膜片剛度變化對調節特性的影響

軌姿控發動機用減壓閥常使用橡膠膜片作為感壓元件，具有出口壓力精度高、結構緊湊的特點。橡膠作為一種有機高分子材料，具有高彈性、大變形、壓縮性差等超彈性力學特性。相比普通金屬材料，橡膠的彈性階段材料屬性有著顯著差異，其具有發生大變形而不發生破壞的能力。而且在小變形區域內，橡膠材料的彈性模量不是一個定值，因此無法使用常用的賦予各向同性材料屬性的方法對膜片的剛度進行計算。

圖4 不同溫度下膜片應力與變形仿真結果Fig.4 Simulation results of directional deformation and equivalent stress of diaphragm at different temperatures

研究人員常采用應變能函數W(E)來描述超彈性材料的力學性能，該函數可以準確描述橡膠等超彈性材料。很多學者使用唯象的方法，提出了多種基于應變能函數的超彈性材料本構方程。針對橡膠材料的本構模型包括Ogden-Tschegl模型、Klosner-Segal模型、Monney-Rivlin模型等。其中Monney-Rivlin模型(M—R模型)更貼近橡膠材料真實特性，且被大量的實驗驗證[16-18]。M—R模型的一般形式為

(5)

式中：akl為 M—R關系系數；K為體積模量(超彈性材料的不可壓縮性)。

M—R模型依據參數不同，分為2、5和9參數M—R模型。針對不同型號的超彈性材料，需要進行材料的單軸拉伸、單軸壓縮、平面剪切等材料力學性能測試，通過參數擬合方法得到這些參數，從而完成針對一種材料的M—R材料本構模型的構建。

針對航天丁腈橡膠材料，傅海明開展不同溫度下的材料力學試驗，并擬合出不同溫度下航天丁腈橡膠材料的9參數M—R本構模型[19]，該模型能較準確地反映丁腈橡膠材料在常溫、低溫下的力學性能，因此適用于本減壓閥橡膠膜片的剛度分析。

采用有限元分析對膜片剛度進行仿真計算。材料參數設置為超彈性模型，選擇9參數M—R本構模型。改變環境溫度，分別設置-35、-15、20 ℃以計算不同溫度下膜片的剛度。仿真結果如圖4所示，剛度計算結果如表2所示。

表2 不同溫度膜片剛度計算結果Tab.2 Computation results of diaphragm stiffness at different temperatures

由上述彈簧剛度及膜片剛度的分析計算可以看出，-35 ℃膜片剛度相對于20 ℃時的變化量遠大于彈簧在相同溫差下的變化量，達到了8.7倍。因此低溫下減壓閥由于剛度變化而發生的特性差異主要是由膜片剛度變化引起的。

引入膜片剛度的變化，對減壓閥在不同溫度下啟動過程中的動態特性進行仿真。出口壓力隨時間變化的仿真結果如圖5所示。

圖5 不同膜片剛度條件下出口壓力動態仿真曲線Fig.5 Dynamic simulation curve of outlet pressure at different stiffness of diaphragm

由圖5可以看出，隨著溫度降低啟動瞬間壓力峰值及穩定后出口壓力均略有升高，但壓力峰值與穩態出口壓力的比值為1.092～1.259，差別明顯(相對變化15.29%，約在彈簧剛度變化基礎上引入了12.63%)。

2.3 阻尼變化對調節特性的影響

減壓閥閥芯運動阻尼主要由O形橡膠密封圈摩擦力提供。低溫下，由于密封圈的彈性模量發生變化，會導致密封圈的接觸應力和接觸寬度發生變化，進而影響密封圈的摩擦力。由于減壓閥行程小(不大于0.3 mm)，在該行程下，密封圈屬于微動狀態[20]，其摩擦力為靜摩擦力，可以采用有限元靜力分析對密封圈不同溫度下接觸應力分布進行計算，進而得到不同溫度下密封圈的摩擦力。仿真結果如圖6所示，靜摩擦力計算結果如表3所示。

表3 不同溫度O形圈靜摩擦力計算結果Tab.3 Calculation results of O-ring static friction at different temperatures

將上述計算結果作為閥芯運動阻尼的條件，對減壓閥在不同溫度下啟動過程中的動態特性進行仿真。出口壓力隨時間變化的仿真結果如圖7所示。

圖6 不同溫度下O形圈接觸應力仿真結果Fig.6 Simulation results of contact stress of O-ring at different temperatures

圖7 不同阻尼條件下出口壓力動態仿真曲線Fig.7 Dynamic simulation curve of outlet pressure at different damping

由圖7可以看出，隨著溫度降低啟動瞬間壓力峰值及穩定后出口壓力均略有升高，但壓力峰值與穩態出口壓力的比值為1.092～1.429，差別明顯(相對變化30.86%，約在彈簧剛度變化基礎上引入了15.57%)。

3 特性試驗

選取4臺減壓閥，分別進行不同溫度下的特性試驗，獲取啟動壓力峰值、出口壓力以及出口壓力偏差的數據。試驗系統原理如圖8所示，將氣瓶及減壓閥均置于低溫箱內，氣瓶充氣壓力為28 MPa，通過溫箱控制氣瓶內的氮氣及減壓閥的溫度，在下游通過電磁閥與節流孔控制減壓閥不同工況時的流量。試驗時依次將氮氣及減壓閥溫度調整至20、0、-10、-15、-20、-25、-30、-35℃，溫度達到平衡后，按預設程序進行特性試驗：先以750 mL/s流量工作30 s，關閉待機20 s，然后以30 mL/s流量工作30 s。測量并記錄減壓閥出口壓力數據。

1—氣瓶；2—自鎖閥；3—減壓閥；4—電磁閥； 5—限流圈；6—壓力傳感器；7—溫度傳感器。 圖8 減壓閥低溫試驗系統Fig.8 Low temperature experiment system of PRV

3.1 啟動壓力峰值試驗

不同溫度下，減壓閥啟動瞬間出口壓力峰值數據如表4所示，溫度越低，壓力峰值越高。以750 mL/s流量工作時穩態出口壓力為基準，相對壓力峰值pK/pS隨溫度變化曲線如圖9所示。20 ℃時壓力峰值最大為穩態室壓的1.09倍，而-35 ℃時壓力峰值最大為穩態室壓的1.36倍，與仿真結果對比(20 ℃時壓力峰值最大為穩態室壓的1.092倍，-35℃時壓力峰值最大為穩態室壓的1.429倍)，仿真結果偏差不大于5.07%，仿真分析精度較高。結合仿真分析中對剛度和阻尼要素的研究，綜合分析認為隨著溫度降低，減壓閥彈簧剛度增大，作用于膜片上的加載力增大，閥門的初始開度增大，高壓氣體瞬間流量更大；膜片橡膠材料剛度增大，發生低溫硬化，存在遲滯效應；閥芯運動阻尼增大，關閉需要的壓力更大，持續時間更長。因此溫度越低啟動壓力峰值越高。

表4 不同溫度下啟動壓力峰值數據Tab.4 Startup pressure peak at different temperatures

圖9 啟動壓力峰值相對值隨溫度變化曲線Fig.9 Relative value of startup pressure at different temperatures

對減壓閥啟動出口壓力最大峰值與溫度變化量進行最小二乘擬合，其相對變化符合指數函數關系

(6)

式中：pK為低溫啟動壓力峰值；pS為相應溫度750 mL/s流量下穩態出口壓力；T為低溫溫度。

3.2 出口壓力試驗研究

不同溫度下，減壓閥大流量(750 mL/s)、小流量(30 mL/s)工況出口壓力數據如表5所示，溫度降低，減壓閥出口壓力上升。以20 ℃時減壓閥出口壓力為基準，出口壓力相對值pT/p20隨溫度變化的曲線如圖10所示。大流量工況下，在-35 ℃時，減壓閥出口壓力較20 ℃時升高了8.47%～8.97%；小流量工況下，在-35 ℃時，減壓閥出口壓力較20 ℃時升高了7.85%～9.17%。4臺試驗產品在相同溫度下出口壓力相對差值不大于1.92%，具有較好的一致性。與仿真結果進行對比，-35 ℃減壓閥穩態出口壓力仿真結果為2.63 MPa，20 ℃減壓閥穩態出口壓力仿真結果為2.38 MPa，升高了10.5%，與試驗結果一致性較好。結合仿真分析中對剛度和阻尼要素的研究，綜合分析認為隨著溫度降低，減壓閥彈簧剛度增大，作用于膜片上的加載力增大，相應的與之平衡的出口穩態壓力升高，因此溫度越低出口穩態壓力越高。

表5 不同溫度下出口壓力數據Tab.5 Outlet pressure at different temperatures

圖10 出口壓力相對值隨溫度變化曲線Fig.10 Relative value of outlet pressure at different temperatures

對減壓閥低溫條件下出口壓力增量的最大值與溫度變化量進行最小二乘擬合，其變化符合指數函數關系

(7)

式中：pT為低溫時的穩態出口壓力;p20為20 ℃時穩態出口壓力;T為低溫溫度。

4 結論

通過減壓閥低溫環境下影響因素和工作特性的仿真分析與試驗研究，獲得了不同低溫條件下減壓閥啟動壓力峰值和出口壓力的變化趨勢，有以下結論：

1)減壓閥啟動出口壓力峰值隨溫度的降低而快速升高，與溫度變化呈指數函數關系；在不改變出口壓力的條件下，可以通過減小閥芯運動組件上的摩擦力(15.57%)或更換低溫性能好的膜片(12.63%)的方法，降低溫度對出口壓力峰值的影響。

2)減壓閥穩態出口壓力隨溫度的降低而升高，低溫環境下橡膠膜片特性的變化是影響減壓閥出口壓力的主要因素，降低溫度對橡膠膜片的影響，可以有效減小對出口壓力的影響。

3)獲得了減壓閥低溫環境下啟動壓力峰值和穩態出口壓力的擬合函數，可根據常溫出口壓力預估低溫啟動峰值和穩態出口壓力，滿足了發動機低溫環境系統參數設計。