航天用金屬波紋軟管清洗吹除一體化裝置的研制*

李 慧，孔德斌，朱曉驊

（1.上海空間推進(jìn)研究所，上海 201112；2.上海空間發(fā)動(dòng)機(jī)工程技術(shù)研究中心，上海 201112）

武器儲(chǔ)箱加注一般使用M16 接頭和金屬波紋軟管，在加注過(guò)程中，需對(duì)多個(gè)儲(chǔ)箱進(jìn)行加注[1]。當(dāng)對(duì)不同的儲(chǔ)箱加注時(shí)，管路必須重新清洗與吹除。在加注管路清洗過(guò)程中，應(yīng)使用去離子水、酒精依次對(duì)其進(jìn)行清洗，然后將其吹除[2]。由于管路的端口為M16 螺紋端口，口徑較小，使得液體注入難度較大[3]。金屬波紋軟管內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈波紋狀，容易在死角位置存留多余物，清洗方面存在困難[4]。

目前，通常清洗航天用金屬波紋軟管的方法為：將去離子水、酒精直接依次注入加注管路。當(dāng)在航天發(fā)射場(chǎng)對(duì)加注管路進(jìn)行清洗時(shí)，將去離子水、酒精直接注入管路相對(duì)困難，且會(huì)外漏造成大量浪費(fèi)，不容易將波紋軟管中死角處多余物清洗干凈。在清洗完成后，需將管路接入氮?dú)饪谶M(jìn)行吹除，工藝程序較為繁瑣且效率極低[5]。

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，設(shè)計(jì)了一種航天用金屬波紋軟管清洗吹除一體化裝置。該裝置主要用于清洗及吹除管路，易于將去離子水及酒精快捷、準(zhǔn)確地注入管路中，方便操作人員進(jìn)行管路死角多余物的徹底清洗。同時(shí)，也可節(jié)約大量的去離子水和酒精，降低經(jīng)濟(jì)成本及人工成本。此外，無(wú)需在清洗完成后再將管路接入氮?dú)饪谶M(jìn)行吹除，省卻了復(fù)雜的操作步驟，達(dá)到了管路清洗、吹除自動(dòng)一體化的目的。

1 裝置整體設(shè)計(jì)方案

航天用金屬波紋軟管清洗吹除一體化裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示，主要包括儲(chǔ)液管（1）、注入管（2）、氣體導(dǎo)入管（3）、PLC 控制板（7）及振動(dòng)裝置（6）。儲(chǔ)液管包括提供清潔用液體加注的進(jìn)口端以及儲(chǔ)存一定量的清洗用液體的中間部，儲(chǔ)液管的另一端口與注入管連通。注入管作為待清洗的金屬波紋軟管與待清洗液和吹除氣體連通的輸送通道，另一端口與待清洗的金屬波紋軟管連通，注入管的中間部分與氣體導(dǎo)入管連通。儲(chǔ)液管與注入管的連通、注入管與氣體導(dǎo)入管的連通以及注入管與待清洗的金屬波紋軟管的連通均可通過(guò)螺紋的連接方式實(shí)現(xiàn)密封連接。

圖1 航天用金屬波紋軟管清洗吹除一體化裝置結(jié)構(gòu)示意圖

在儲(chǔ)液管與注入管連通點(diǎn)和注入管與氣體導(dǎo)入管連通點(diǎn)的兩點(diǎn)之間安裝有第一閥門（4），用于控制儲(chǔ)液管內(nèi)的液體是否通過(guò)注入管進(jìn)入金屬波紋軟管內(nèi)。在氣體導(dǎo)入管上設(shè)置有第二閥門（5），用于控制氮?dú)馐欠裢ㄟ^(guò)注入管進(jìn)入金屬波紋軟管內(nèi)。兩閥門的選擇類型均為電磁閥。

2 裝置主要組成部分

2.1 儲(chǔ)液管

儲(chǔ)液管設(shè)計(jì)為錐體結(jié)構(gòu)段，其清潔液加注的一端的端口口徑較大，與注入管連通的一端口徑較小，可通過(guò)錐形結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)液管自動(dòng)實(shí)施增壓。打開(kāi)第一閥門后，清潔液體能夠以一定的壓力通過(guò)注入管進(jìn)入金屬波紋軟管內(nèi)，帶有壓力的清潔液體可進(jìn)一步提高對(duì)金屬波紋軟管的清洗效果，同時(shí)配合PLC 控制板對(duì)第一閥門的間隔開(kāi)啟與關(guān)閉，實(shí)施對(duì)金屬波紋軟管脈沖式的帶壓清洗，大幅度提高清洗效果，縮短清洗時(shí)間。

儲(chǔ)液管分為直管段（11）和錐管段（12），見(jiàn)圖1。直管段為柱形管，高度大于錐管段。通過(guò)控制直管段與錐管段的高度比，可達(dá)到相應(yīng)的壓力要求，相對(duì)于儲(chǔ)液管整體為錐體結(jié)構(gòu)，可降低儲(chǔ)液管的體積。

在直管段清洗液加注端口設(shè)置有密封蓋（110），其上設(shè)置有密封口（1101），關(guān)閉時(shí)呈密封狀態(tài)，如圖1 所示。密封口不僅用于提供清洗液的進(jìn)入口，還設(shè)置有氣體導(dǎo)入插口。通過(guò)密封口加入清洗液后閉合，同時(shí)通過(guò)設(shè)置于密封口上的氣體導(dǎo)入插口連通外部氣源后，給儲(chǔ)液管加壓，使其保持一定壓力，為0.1-1.3MPa。直管段上設(shè)置密封蓋，在密封蓋的密封口上設(shè)有氣體導(dǎo)入插口，使得儲(chǔ)液管可在縮短直管段高度的情況下達(dá)到相應(yīng)的壓力，而且壓力能夠在整個(gè)清洗過(guò)程中保持持續(xù)穩(wěn)定的狀態(tài)，確保清洗效果的穩(wěn)定可控，且能夠進(jìn)一步縮小儲(chǔ)液管的體積。

2.2 PLC 控制板

航天用金屬波紋軟管清洗吹除一體化裝置還設(shè)置有PLC 控制板，對(duì)閥門的開(kāi)合進(jìn)行控制，分別與第一閥門、第二閥門、振動(dòng)裝置中的兩位五通閥電連接。上位機(jī)上編寫的控制時(shí)序下載到PLC 控制板上，通過(guò)運(yùn)行控制程序驅(qū)動(dòng)閥門工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門的自動(dòng)控制[6]。

PLC 控制板對(duì)第一閥門可進(jìn)行間隔時(shí)間段的反復(fù)開(kāi)啟與關(guān)閉，啟閉的時(shí)間間隔越小，清洗效果相應(yīng)越佳，清洗作業(yè)所需的時(shí)間也就越短。為此，儲(chǔ)液管內(nèi)的清洗液將以脈沖的形式對(duì)金屬波紋軟管進(jìn)行清洗，進(jìn)一步提高清洗效果，且能縮短清洗時(shí)間，提高清洗效率。

2.3 振動(dòng)裝置

在航天用金屬波紋軟管清洗吹除一體化裝置中增加振動(dòng)裝置，用于與待清洗吹除的金屬波紋軟管連接，可實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬波紋軟管的抖動(dòng)效應(yīng)。

振動(dòng)裝置為可伸縮的氣缸，PLC 控制板通過(guò)兩位五通閥實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)裝置即氣缸活塞的循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。金屬波紋軟管固定于活塞桿的一端，可直接將金屬波紋軟管卡在氣缸活塞桿的卡槽位置。通過(guò)氣缸中活塞的運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)金屬波紋軟管抖動(dòng)，促進(jìn)清洗過(guò)程中金屬波紋軟管死角處多余物的排出，最大程度上達(dá)到對(duì)金屬波紋軟管清洗徹底的技術(shù)效果，進(jìn)一步縮短清洗作業(yè)的時(shí)間，提高清洗作業(yè)效率。該振動(dòng)裝置在去離子水清洗、酒精清洗以及吹除步驟中均可同時(shí)開(kāi)啟。

3 裝置使用方法

航天用金屬波紋軟管清洗吹除方法流程如圖2 所示。

圖2 航天用金屬波紋軟管清洗吹除方法流程圖

3.1 管路安裝步驟

將金屬波紋軟管與注入管連通，將振動(dòng)裝置與金屬波紋軟管連接。

3.2 去離子水清洗步驟

操控PLC 控制板，使第一閥門及第二閥門呈關(guān)閉狀態(tài)。將去離子水加入至儲(chǔ)液管內(nèi)后，直管段的剩余高度為其高度的1/4-1/3。直管段內(nèi)剩余的高度空間用于充入氣體進(jìn)行增壓，通過(guò)密封口處充入增壓氮?dú)猓箖?chǔ)液管內(nèi)保持0.1-0.3MPa 的穩(wěn)定壓力，確保清洗效果。

通過(guò)PLC 板控制第一閥門的啟閉，對(duì)金屬波紋軟管進(jìn)行清洗，開(kāi)啟與關(guān)閉的時(shí)間間隔為0.1-1s。同時(shí)，可通過(guò)PLC 板啟動(dòng)振動(dòng)裝置，使金屬波紋軟管在清洗過(guò)程中處于抖動(dòng)狀態(tài)。

3.3 酒精清洗步驟

使用去離子水清洗完畢后，重復(fù)去離子水清洗步驟中的相應(yīng)操作，使用酒精對(duì)清洗金屬波紋管進(jìn)行清洗。

3.4 吹除步驟

通過(guò)PLC 控制板關(guān)閉第一閥門，打開(kāi)第二閥門，通過(guò)氣體導(dǎo)入管導(dǎo)入氣體對(duì)待清洗金屬波紋管進(jìn)行吹除操作，完成金屬波紋管的清洗吹除作業(yè)。在吹除過(guò)程中，可通過(guò)PLC 控制板開(kāi)啟振動(dòng)裝置，使金屬波紋軟管在吹除過(guò)程中呈抖動(dòng)狀態(tài)，提高吹除效果。

此外，在去離子水清洗與酒精清洗兩步驟均可與吹除步驟相混合進(jìn)行。例如，在使用去離子水清洗步驟中，清洗與吹除兩步驟循環(huán)操作。即打開(kāi)第一閥門清洗0.5s后關(guān)閉第一閥門，打開(kāi)第二閥門使用氮?dú)獯党?.5s 后關(guān)閉第二閥門，再打開(kāi)第一閥門清洗0.5s，之后再關(guān)閉第一閥門，打開(kāi)第二閥門進(jìn)行吹除，清洗與吹除兩步驟循環(huán)一定次數(shù)后完成去離子水清洗步驟。同樣地，酒精清洗步驟可與去離子水清洗步驟基本相同，僅是在循環(huán)一定次數(shù)后，最后收尾步驟為吹除步驟。在清洗過(guò)程中加入吹除，能夠提高清洗效果，整體上縮短清洗時(shí)間，提高清洗與吹除整流程的作業(yè)效率。

4 顆粒度測(cè)試結(jié)果

為得到航天用金屬波紋軟管清洗吹除的最優(yōu)方法，采用Abakus Mob 便攜式氣體顆粒度檢測(cè)儀對(duì)本裝置的四種不同的使用方法步驟分別進(jìn)行檢測(cè)（其他條件保持一致），結(jié)果如表1 所示。

由表1 可得，四種不同方法的測(cè)試結(jié)果中含雜質(zhì)的顆粒度均小于10μm，優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求[7]。

表1 航天用金屬波紋軟管清洗吹除四種不同方法的顆粒度分布

對(duì)比方法1 和方法2 可知，方法2 的測(cè)試結(jié)果中直徑為0.5μm 的顆粒為65 個(gè)，直徑為3μm 的顆粒為3 個(gè)，顆粒度數(shù)量少于方法1 中的測(cè)試結(jié)果。這是因?yàn)椋逑磁c吹除交替進(jìn)行時(shí)，可使管路死角中的多余物加速排出，且能節(jié)省清洗液用量。由此可得，使用方法2，即清洗與吹除交替進(jìn)行的效果比方法1 的效果要好。

對(duì)比方法1 和方法3 可得，方法3 的測(cè)試結(jié)果中直徑為0.5μm 的顆粒為25 個(gè)，直徑為3μm 的顆粒為0 個(gè)，優(yōu)于方法1 中的測(cè)試結(jié)果。這是因?yàn)椋黾诱駝?dòng)裝置可促進(jìn)金屬波紋軟管死角中多余物的排出，增強(qiáng)對(duì)金屬波紋軟管的清洗能力。由此可知，通過(guò)方法3，即清洗結(jié)束后吹除且全過(guò)程均增加振動(dòng)裝置，可顯著改善對(duì)金屬波紋軟管的清洗吹除的整體效果。

對(duì)比方法2 和方法4 可知，方法4 的測(cè)試結(jié)果中直徑為0.5μm 的顆粒為8 個(gè)，直徑為3μm 的顆粒為0 個(gè)，優(yōu)于方法2 中的測(cè)試結(jié)果。由此證明，采用方法4，即清洗與吹除交替進(jìn)行時(shí)全過(guò)程均增加振動(dòng)裝置，可大大增強(qiáng)對(duì)管路的清洗吹除效果。

對(duì)比方法3 和方法4 可得，方法4 的測(cè)試結(jié)果中直徑為0.5μm 的顆粒為8 個(gè)，優(yōu)于方法3 中直徑為0.5μm的顆粒為25 個(gè)的結(jié)果。由此說(shuō)明，利用方法4，即清洗與吹除交替進(jìn)行時(shí)全過(guò)程均增加振動(dòng)裝置，效果較優(yōu)。

通過(guò)以上四種不同方法的顆粒度測(cè)試可得，選用方法4，即清洗與吹除交替進(jìn)行時(shí)全過(guò)程均增加振動(dòng)裝置，效果最佳。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)金屬波紋軟管清洗與吹除的一體化設(shè)計(jì)，解決了現(xiàn)有技術(shù)中清洗與吹除兩裝置分開(kāi)導(dǎo)致的工藝程序繁瑣以及效率低下的問(wèn)題。通過(guò)調(diào)控閥門，不但可在金屬波紋軟管清洗結(jié)束后進(jìn)行吹除，而且在使用去離子水清洗后即可進(jìn)行吹除操作，進(jìn)而再進(jìn)行酒精清洗，待酒精清洗后再進(jìn)行吹除操作，進(jìn)一步提高清洗效果的同時(shí)，縮短清洗與吹除的時(shí)間；通過(guò)對(duì)儲(chǔ)液管結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與改進(jìn)，對(duì)金屬波紋軟管實(shí)施脈沖式的帶壓清洗，進(jìn)一步提高清洗效果，縮短清洗時(shí)間，提高清洗與吹除作業(yè)的整體效率；通過(guò)增加振動(dòng)裝置，促進(jìn)金屬波紋軟管死角中多余物的排出，增強(qiáng)對(duì)金屬波紋軟管的清洗效果。