某型號單向閥工作異常分析及解決措施

周伊優(yōu)，郭朝陽，汪 海，王秀賓

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引 言

飛行器燃油系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)、氧氣系統(tǒng)的管路中，均裝有單向閥，用于正向接通管路及防止介質(zhì)反方向流動，以實現(xiàn)系統(tǒng)的特定功能。 目前相應系統(tǒng)中裝有多種型號的單向閥，長期以來，這些產(chǎn)品一直工作穩(wěn)定，較好地發(fā)揮了其應有的作用。但是，近期某型號單向閥在使用前測試時，存在工作異常現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為開啟壓力超過指標上限，且數(shù)量較多。為解決上述問題，杜絕故障的再次發(fā)生，需進行研究分析，找出問題的原因，并采取措施加以解決。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及原理

1.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

單向閥用于正向接通管路， 并反向防止介質(zhì)流動，本單向閥結(jié)構(gòu)見圖1，由殼體、閥門、彈簧、墊片、密封圈、閥門座和管嘴等組成。

1.2 工作原理

單向閥工作原理如圖1 所示， 當產(chǎn)品正向加壓時，閥門克服彈簧力，向內(nèi)移動，產(chǎn)品打開，接通介質(zhì)管路；反向加壓時，閥門壓緊殼體，產(chǎn)品關(guān)閉，防止介質(zhì)倒流。

圖1 單向閥結(jié)構(gòu)

2 問題描述

按照技術(shù)規(guī)范要求，該單向閥安裝使用前應進行性能測試，但是某批次產(chǎn)品測試時，共30 件產(chǎn)品，僅有1 件開啟壓力滿足指標要求， 其余29 件產(chǎn)品均在進口加壓50kPa 以上才開啟（指標要求產(chǎn)品開啟壓力應在20kPa～50kPa 范圍內(nèi)）試驗結(jié)果詳見表1。

表1 使用前測試開啟壓力記錄

將庫存同批次未進行過測試的20 件產(chǎn)品取出，進行開啟壓力試驗，結(jié)果僅3 件產(chǎn)品合格，17 件產(chǎn)品開啟壓力超過50kPa。

取同批次已測試合格的6 件產(chǎn)品，重新進行開啟壓力試驗， 其中2 件產(chǎn)品開啟壓力滿足要求， 其余4件產(chǎn)品開啟壓力超過50kPa，即不合格，詳見表2。

表2 使用前測試已合格產(chǎn)品復試記錄

為此，使用前測試共計56 件產(chǎn)品，合格6 件，不合格50 件，同時，存在復試不合格問題，故可認為該型號單向閥存在批次性質(zhì)量問題。

3 原因分析

3.1 分解檢查

對上述50 件產(chǎn)品開啟壓力超差問題分析，取5件（編號：18、19、20、21、22）產(chǎn)品進行分解檢查，取出管嘴、閥門座、彈簧等零件，只保留殼體和閥門，結(jié)果發(fā)現(xiàn)5 件產(chǎn)品閥門與殼體均粘連在一起，為確認粘連作用的影響，按圖2 所示加壓使閥門脫落并記錄壓力值，結(jié)果使閥門脫落的壓力值在13kPa～20kPa 范圍內(nèi)，詳見表3。

圖2 加壓閥門脫落

表3 加壓使閥門脫落壓力值記錄

3.2 原因分析

根據(jù)單向閥結(jié)構(gòu)及工作原理，并結(jié)合問題現(xiàn)象建立分析框圖（見圖3），對造成問題的可能原因進行查找及分析。

圖3 單向閥問題分析框圖

根據(jù)上述分析框圖，逐一進行分析：

分析1（試驗設(shè)備不符合要求）：

對試驗設(shè)備進行檢查， 設(shè)備所用儀表均為量程100kPa，精度0.4 級，符合要求，試驗臺工作原理正確，不會對試驗產(chǎn)生影響。

分析2（試驗方法錯誤）：

圖4 為開啟壓力試驗方法原理圖， 從原理圖得知， 試驗過程中均有管接頭將產(chǎn)品與檢驗介質(zhì)隔開，因此認為不會對試驗產(chǎn)生影響。

圖4 開啟壓力試驗原理圖

分析3（彈簧壓力變化影響）：

取5 件產(chǎn)品分解，將彈簧進行關(guān)鍵尺寸檢測，結(jié)果均合格，詳見表4。 對彈簧彈力進行檢測，并與出廠時所記錄的彈力范圍進行對比，未發(fā)現(xiàn)變化，詳見表5。

表4 彈簧關(guān)鍵尺寸檢測記錄

表5 彈簧彈力檢測記錄

由表5 數(shù)據(jù)可以排除彈簧彈力變化的原因。

分析4（內(nèi)部多余物）：

在分解上述5 件產(chǎn)品時，檢查內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)可見多余物。 排除內(nèi)部有多余物的原因。

分析5（內(nèi)部零件銹蝕）：

在分解上述5 件產(chǎn)品時，檢查內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)零件銹蝕現(xiàn)象；且按圖5 所示放置，用拇指將閥門壓至緊貼閥門座后離開，閥門均能自由脫落。

圖5 閥門自由脫落

故排除零件銹蝕造成的閥門與閥門座卡滯原因。

分析6（橡膠變形受力變?。?/p>

由產(chǎn)品結(jié)構(gòu)原理可知，產(chǎn)品為軟密封結(jié)構(gòu)，在關(guān)閉狀態(tài)下，閥門一直受彈簧力作用，隨著時間增加，膠料會被壓縮， 直至閥門頂端限位裝置與殼體接觸，此段時間閥門向前移動，產(chǎn)品進口處受力面積變小（如圖6 所示），故當需要感受相同的作用力來開啟時，產(chǎn)品進口所通氣體壓力增大。

圖6 單向閥進口感壓面積變化示意

由產(chǎn)品結(jié)構(gòu)原理可知， 進口面積變小導致開啟壓力升高為該結(jié)構(gòu)產(chǎn)品固有特性，不可避免，為確定其影響，對其導致開啟壓力升高的最大值進行理論計算。

產(chǎn)品安裝后彈簧力預緊力為F=5.4N， 壓縮高度H=17mm，計算彈簧剛度為：

K=F/H=5.4/17=0.317N/mm

閥門橡膠剛接觸時密封面直徑d 為Φ14mm，計算氣壓作用面積為：

A=πd2/4=3.14×142/4=153.6mm2

對應的打開壓力為:

P=F/A=5.4/153.6=0.035MPa=35kPa。

閥門橡膠在彈簧力的作用下不斷被壓縮，產(chǎn)生不規(guī)則變形。閥門橡膠材料牌號為氟橡膠F275，邵氏硬度為75，在彈簧力F 作用下，得出閥門橡膠與殼體接觸面最低點直徑為φ13.3mm， 得出閥門變形后的進口感壓面積為：

A1=πd2/4=3.14×13.32/4=138.5mm2。

提取閥門整體位移l=0.8mm，對應此時彈簧力為:

F1=F-kl=5.4-0.317×0.8=5.15N

由此得橡膠變形后的打開壓力為：

P1=5.15/138.5=0.0378MPa=37.2kPa

由于閥門橡膠變形引起氣壓作用面積變小進而影響打開壓力升高為：

ΔP=P1-P=37.2-35=2.2kPa

由以上分析和計算可知， 面積變化是固有特性，且升高為2.2kPa，與故障批產(chǎn)品開啟壓力的升高值相差較大， 所以面積變化雖然可以使開啟壓力升高，但不是造成此故障的根本原因。

分析7（調(diào)試壓力偏高）：

經(jīng)復查該批故障件產(chǎn)品的出廠試驗記錄， 發(fā)現(xiàn)調(diào)試開啟壓力均在（34～39）kPa 范圍內(nèi)，在產(chǎn)品所要求的開啟壓力范圍為（20～50）kPa 的中線偏上，而由產(chǎn)品結(jié)構(gòu)原理可知， 該結(jié)構(gòu)產(chǎn)品存在開啟壓力會升高的固有特性，故當產(chǎn)品調(diào)試開啟壓力值偏上限時，在開啟壓力升高的作用下，可能導致開啟壓力超出上限不合格，因此不能排除開啟壓力調(diào)試偏高對產(chǎn)生故障的影響。

分析8（表面處理發(fā)粘）：

已分解的故障件殼體密封面用手進行觸碰，未發(fā)現(xiàn)發(fā)粘現(xiàn)象，但因是否發(fā)粘僅靠用手觸碰無法準確判斷，為確認殼體對產(chǎn)品故障的影響，需對單向閥殼體表面處理工藝規(guī)程進行分析。

該零件在航空外貿(mào)陽極化生產(chǎn)線進行表面處理，生產(chǎn)線定期檢驗為每月進行一次， 生產(chǎn)過程要求嚴格；水槽配備齊全，清洗水槽均為兩道逆流漂洗，清洗更加充分；電源可控性好，為自動設(shè)置升壓，自動控制開關(guān)，均有利于質(zhì)量穩(wěn)定，與產(chǎn)品故障無關(guān)。

分析9（硫化用膠料不合格）：

故障批次產(chǎn)品所用閥門端部橡膠原材料，化驗編號為2016-369， 該批原材料廠家合格證記錄5 項指標均滿足標準要求，原材料到貨后進行了入廠復驗，5項指標同樣均滿足標準要求，詳見表6，因此橡膠原材料不合格導致產(chǎn)品故障的原因可排除。

表6 橡膠原材料指標記錄

本產(chǎn)品閥門二段硫化在電熱鼓風干燥箱中進行，現(xiàn)有干燥箱由于本身功能限制， 無自動控溫系統(tǒng)，階段溫度控制依靠人工。閥門二段過程的升溫過程要求每0.5h 升10℃，升溫時間共計4h。 需要操作者頻繁調(diào)整干燥箱溫度， 并盡量保持升溫過程緩慢均勻，對于操作者技能要求較高。

為確定操作者對二段硫化的影響，對操作氟橡膠膠料二段硫化過程進行檢查，發(fā)現(xiàn)干燥箱上水銀溫度計實際溫度顯示為180℃，但烘箱正在升溫，其記錄溫度為200℃，存在記錄與實際操作不符現(xiàn)象。 因此，人工調(diào)節(jié)干燥箱溫度可能會存在實際溫度低于二段硫化溫度的可能性，閥門硫化實際溫度低于二段硫化溫度的可能性不能排除。

4 問題定位

經(jīng)上述排查， 認為產(chǎn)品開啟壓力不合格的原因為：閥門硫化過程控制存在問題，導致二段硫化恒溫保溫溫度低于要求值，引起閥門與殼體粘連進而使產(chǎn)品開啟壓力異常升高（13～20）kPa，且該產(chǎn)品調(diào)試開啟壓力因結(jié)構(gòu)所限，通常為（34～39）kPa，偏高于要求值（20～50）kPa 的上限，所留余量（11～16）kPa 無法包含異常升高值， 使產(chǎn)品開啟壓力升高后超出上限要求，開啟壓力不合格。

5 改進方案

針對單向閥開啟壓力異常升高故障，制訂三項解決措施如下：

1） 使用新的具有自動控溫干燥箱進行產(chǎn)品硫化處理；

2） 閥門硫化過程每批要有試樣，并進行檢測和保存。

3） 將閥門橡膠硫條件確定為一段：170℃×10min，二段：200℃×9h。

6 試驗驗證

按上述措施改進后，再生產(chǎn)120 件單向閥，其中30 件產(chǎn)品完成調(diào)試，放置20 天后，進行開啟壓力復試，結(jié)果開啟壓力最高位38kPa，滿足指標要求，詳見表7，因此，可以認為改進方案實施后效果明顯。

表7 開啟壓力試驗記錄

7 結(jié) 論

某型號單向閥工作異常，開啟壓力超差，最高開啟壓力超過上限值的原因是：第一，閥門硫化過程控制存在問題，導致二段硫化恒溫保溫溫度低于要求值，引起閥門與殼體粘連，使產(chǎn)品開啟壓力因此升高13～20kPa；第二，因結(jié)構(gòu)所限，該產(chǎn)品調(diào)試開啟壓力過高，為34～39kPa，比要求值20～50kPa 偏高，所留余量僅為11～16kPa，小于異常升高值，故使得產(chǎn)品開啟壓力超出上限要求。 第二個故障原因，產(chǎn)品出廠調(diào)試開啟壓力值偏高，因為產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)決定，無法改變；第一個故障原因，閥門與殼體粘連，則采取嚴格控制閥門硫化過程，更換控溫更好的新干燥箱，閥門硫化條件按一段：170℃×10min，二段：200℃×9h 的措施。 按上述方案改進后，經(jīng)試驗驗證，問題得到解決。 建議后續(xù)產(chǎn)品在設(shè)計時，充分考慮開啟壓力的調(diào)試范圍，并將出廠交付時的開啟壓力調(diào)整到規(guī)定值的下限附近，這樣可以克服閥門開啟壓力隨儲存時間變長而增加的固有特性帶來的問題，以徹底杜絕故障再次發(fā)生。