閥門低溫振動試驗的多余物控制技術

楊 寒，徐慶逍

(北京航天試驗技術研究所，北京 100074)

0 引言

多余物是一種在產品中存在的、由外部進入或內部產生的、與產品規定狀態不符的物質[1]。在航天閥門與組合件試驗中，多余物控制一直是試驗質量工作的重中之重。閥門低溫振動試驗是一種在低溫狀態下，對試驗件施加額定工況的振動條件，測試其啟閉性能、密封性能的試驗，考核試驗件在箭上的工作狀態。試驗同時面臨低溫和振動兩大嚴苛考驗：一方面，大多數材料在低溫條件下韌性下降，剛性增大，發生脆性損傷的可能性增大，產生多余物的可能性增加；另一方面，振動試驗為盡可能的模擬試驗件經歷的真實工況，振動量級大，振動時間長，容易將薄弱點振動脫落。一旦有多余物進入閥門內部，輕則劃傷閥門密封面，造成閥門密封不嚴，出現內漏；重則進入發動機內，造成發動機故障，影響發射。因此，如何在閥門低溫振動試驗時對多余物進行有效控制，防止多余物進入閥門，是需要解決的問題。

1 多余物簡介

1.1 多余物類型

多余物根據產生方式、材料種類、大小形狀、危害程度的不同可以有多種分類方式。按照材料種類，將低溫振動試驗可能引入、產生的多余物分為金屬多余物、非金屬多余物和冰三大類。

1.1.1 金屬多余物

金屬多余物主要來源于系統管路、附件及試驗件，由于振動過程使脆弱點崩裂脫落，其中鉛封塊、彈簧、焊接接口、連接鉚釘等是主要的脆弱點，特別是相對運動的組件如頂桿、推桿、波紋管組件最易形成破損產生多余物。金屬多余物形態各異，尺寸范圍大，在強光照射下多呈現金屬光澤。這類多余物硬度相對較高，危害性最大，如果進入試驗件內部，嵌入到密封端面上，將導致試驗件密封不嚴，出現內漏漏率增大現象；如果通過閥門進入了渦輪泵內部，可能導致泵輪由于撞擊產生薄弱點，進而導致故障。因此，金屬多余物控制是重中之重。

1.1.2 非金屬多余物

非金屬多余物主要在試驗件生產、運輸及裝配過程中，由外界引入系統內部。低溫振動試驗中可能引入的該類多余物主要有油膏、橡膠密封件的飛邊、稠布絲、清洗液殘留物、環氧樹脂屑、非金屬纖維物、塵埃等。該類多余物在常溫下硬度大多較低，但在低溫下物性會迅速變化，對試驗件和試驗系統造成危害，必須嚴防非金屬多余物的引入。

1.1.3 冰

冰是一種相對特殊的多余物，它在常溫下表現為水蒸氣，僅能通過采集化驗進行測量量化，但是一旦進入低溫狀態下，氣體介質中所包含的水蒸氣會迅速液化、凝結為冰顆粒，并隨著溫度的下降硬度增大，在-50℃時，冰的硬度達到6(莫氏硬度)，超過了鋼鐵的硬度(莫氏硬度4～5)。在低溫振動試驗過程中，冰的危害性不亞于金屬多余物，它不僅會對試驗件的頂桿、推桿、密封面造成損傷，在恢復常溫后就會變成水蒸氣而導致其難以追溯。因此，冰是低溫試驗中需要特別注意防范的一種多余物。

1.2 多余物檢查工具

低溫振動試驗多余物主要使用目視檢測法進行檢查，所使用的工具主要有放大鏡、顯微鏡和內窺鏡3類。

1)放大鏡主要用于對試驗系統、試驗件目之所及的連接口、端口進行檢查，查看是否有多余物存在，或可能產生多余物的裂痕、劃傷。由于其操作簡單，使用方便，在試驗中應用廣泛。

2)顯微鏡主要用于對清洗液進行檢查。由于操作復雜，對環境要求高，在現場應用中較少。

3)內窺鏡可以深入試驗件內部，對內腔、細長深小孔、盲孔、連接處等部位進行檢查，是現階段最可靠的檢查工具。在檢查中有兩點應特別注意：一是對內窺鏡進行保養清潔，防止在探頭上附著灰塵引入多余物；二是在低溫下內窺鏡探頭容易爆裂，因此只能在常溫環境下使用。

2 多余物控制工藝

2.1 裝配過程

裝配過程主要是指試驗件與出入口工裝對接、出入口工裝與試驗系統對接的過程。

試驗件與出入口工裝對接過程在無塵裝配間完成，所用工裝、螺栓、螺母、裝配工具、保護蓋均為金屬材料，裝配前均應使用酒精進行清洗，而后使用氮氣吹除，清潔完畢后用放大鏡對所用工裝、螺栓、螺母、保護蓋表面進行檢查，確認潔凈、無裂紋、無磕痕后方可進行安裝對接。對接完成使用潔凈的白綢布覆蓋防止多余物進入。

出入口工裝與試驗系統對接過程在潔凈的試驗現場完成，在裝配過程中系統各接口均保持0.5 MPa正壓氣吹除，一次性裝配到位，減少對接口的旋轉摩擦，如果是螺紋連接要盡可能避免或減少油膏的使用。

2.2 介質供應系統

安裝過濾器是介質供應系統控制多余物最有效的手段，為了在保證流動通暢的情況下攔截到盡可能小的多余物，一般情況下，液氫介質使用40 μm過濾網，液氮介質使用70 μm過濾網，冷氦介質使用10 μm過濾網[2]。另外，該過濾器應盡可能安裝于靠近試驗件的位置。同時應根據實際情況定期或定頻對所用過濾器進行分解檢查，使用放大鏡檢查過濾網、支撐架，確認過濾網上無多余物附著、支撐架表面光滑后方可重新進行安裝。

2.3 試驗工裝系統

試驗工裝系統主要包括入口軟管、入口工裝、出口工裝、出口軟管等，其中入口軟管、入口工裝位于試驗件上游，存在引入多余物的可能性；而出口工裝、出口軟管位于試驗件下游，引入多余物可能性低。

低溫振動模擬試驗雖然可以暴露已經存在的問題和缺陷，降低多余物引入風險，卻依然無法對真實試驗過程中產生的多余物進行100%的預防。為此，在原有設備基礎上進行改進，設計新型入口工裝，結構采用分體式，分為內芯與外殼，整體材料選用06Cr19Ni10；H高度由試驗件安裝時的位置決定，在不觸及底座的情況下應盡可能的減小H值，以保證振動的傳遞性；R1、R2、R3、D4由試驗件對接入口決定，以配合、密封為標準；內芯與外殼之間、內芯與試驗件之件的密封圈使用聚四氟乙烯加工；過濾網型號由所用介質決定。

3 實施效果

為驗證上述措施效果，使用某型閥門工藝件做為試驗件進行低溫振動試驗的對比試驗，驗證新措施對試驗結果造成的影響。由實施前后試驗箱壓對比可以發現(見圖1)，實施前箱壓壓力為0.410～0.430 MPa，實施后箱壓壓力為0.408～0.431 MPa，考慮到試驗誤差的存在，可以認為上述措施對壓力測試值無影響。而后對試驗件進行烘干分解，未發現閥體內存在多余物，可以認為上述措施可靠、有效。

圖1 實施前后試驗箱壓變化圖

4 結語

本文針對低溫振動試驗的多余物控制技術進行研究，從裝配過程、介質供應系統和吹除置換系統、試驗工裝系統三個方面進行分析，提出具體實施方案。

1)裝配過程對使用的所有部件、工具進行清潔、吹掃，檢查無缺陷后方可進行試驗。

2)試驗前進行低溫模擬振動試驗。

3)設計使用新型工裝。

對比試驗結果表明：該方案在不影響試驗結果可靠性的前提下，可對多余物進行有效控制，規避多余物風險。