減壓閥球頭磨損故障分析及改進

徐登偉，朱建國，羅大亮，曾維亮

(西安航天動力研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

恒壓擠壓式增壓系統具有結構簡單、工作可靠等優點，廣泛應用于液體火箭發動機中，減壓閥屬于該系統的核心組件，其作用是將氣瓶內的高壓氣體壓力調整至(額定)增壓壓力，且在不同流量下保證系統增壓壓力穩定。

某恒壓擠壓式發動機試驗過程中，減壓閥出口壓力出現振蕩現象，導致個別工況壓力超過系統設計要求。分解發現減壓閥內部調節元件有磨損、蹭傷痕跡，其中主彈簧座球頭(以下簡稱球頭)磨損極為嚴重。根據減壓閥內部各零件磨損現象分析和故障排查，球頭磨損是導致減壓閥出口壓力振蕩的主要原因。隨即對以往的典試產品進行分解檢查，同樣存在球頭嚴重磨損的現象。球頭磨損可能導致減壓閥閥芯自找正能力降低，彈簧調節系統對中性不良，進而導致內部各調節零件間異常接觸、摩擦力增大，引起出口壓力的振蕩，從而影響減壓閥的工作可靠性。因此，亟需采用措施解決減壓閥球頭磨損的問題。

本文針對減壓閥球頭磨損的問題，開展故障機理分析，通過仿真軟件對球頭接觸處的應力和應變進行了計算，提出結構改進方案，并驗證了改進措施的有效性。

1 減壓閥球頭磨損故障

1.1 結構介紹

減壓閥中壓蓋球窩(以下簡稱球窩)與主彈簧座球頭的結構如圖1所示，其作用是加載彈簧力時，減小摩擦力，防止膜片感壓元件受力褶皺，造成膜片的破壞或剛度改變，從而影響減壓閥的工作可靠性，廣泛應用于液體火箭發動機減壓閥結構設計中。設計時球頭的圓弧一般小于或等于球窩的圓弧，通常球窩圓弧稍大一點。對于彈簧力較大的結構應選用圓弧半徑較大者，有利于提高球頭結構的強度；當球頭與球窩圓弧尺寸存在一定差值時，有利于降低摩擦力，有利于減壓閥裝配和調整。某型減壓閥球窩和球頭的材料均為不銹鋼2Cr13，其中球窩半徑為2.5 mm，硬度為32～38；球頭半徑為2 mm，硬度為45～51。

圖1 球窩與球頭結構圖

如圖2所示，裝配減壓閥時，先將主彈簧座放在彈簧上一并放入彈簧外套中，彈簧外套通過螺紋與壓緊套筒連接，在加載彈簧力的過程中，彈簧外套旋轉帶動球頭旋轉，起初球頭與球窩不接觸，隨著螺紋的旋合，球頭逐漸接觸球窩，由于壓蓋隨膜片一起壓緊固定，球窩處于靜止狀態，球頭隨彈簧外套和彈簧處于轉動狀態；隨著彈簧力的加載，力值逐漸增大，直至施加的彈簧力滿足減壓閥出口額定點的要求。當額定點超出要求時，需卸載彈簧力重新調整。因此，在減壓閥的裝配及調試過程中，球頭與球窩逐漸接觸，接觸應力逐步增大，并伴有球頭的旋轉。

圖2 減壓閥裝配過程示意圖

1.2 磨損現象分析

減壓閥球頭磨損如圖3所示，磨損部位呈現螺旋一周的深度劃痕，球頭頂端圓弧幾乎磨平。磨損部位除了細小的顆粒外，還有大塊的金屬顆粒，理化分析與球頭材料一樣。從磨損的形貌可以看出，當減壓閥球頭與球窩發生相對旋轉運動時才會出現該部位磨損現象，而裝配后的球頭在彈簧力的作用下與球窩配合壓緊，無摩擦運動。因此，球頭與球窩的磨損現象只能發生在減壓閥的裝配及調試過程中。

圖3 磨損(左)及脫落金屬塊(右)的照片

1.3 故障分析

將減壓閥主彈簧座球頭基體脫落作為頂事件，出現基體脫落的可能原因有球頭硬度偏低、球頭部位應力超大及材料選用不合理，建立故障樹如圖4所示。

圖4 故障樹

對減壓閥球頭和球窩的硬度值進行復測，實測硬度為47.6～48.2，滿足技術文件中硬度43～51的要求，故障模式X1排除。

采用軟件 ABAQUS對主彈簧座球頭結構強度進行仿真計算，計算模型見圖5，設定主彈簧力為3 500 N，得到主彈簧座球頭的Mises應力分布及等效塑性應變分布，如圖6所示，接觸部位最大Mises應力為1 339 MPa，最大等效塑性應變0.031，接觸應力已超過材料的屈服極限。因此，故障模式X2不能排除。

圖5 接觸部位計算模型

圖6 接觸部位應力及應變計算結果

通過對球頭和球窩磨損部位的顯微鏡觀察，部分金屬物黏著在球窩表面，而主彈簧座和壓蓋材料均為不銹鋼2Cr13，一般來說， 相同金屬或晶格類型，晶格間距、電子密度、電化學性質相近的金屬，在高應力的作用下易發生磨損。因此，故障模式X3不能排除。

綜上分析，故障模式X2、X3均不能排除。因此，本文對減壓閥球頭部位應力和金屬材料配對副磨損開展研究。

2 不同硬度2Cr13組合下應力/應變

不同硬度的材料組合能夠提高抗黏附磨損能力，脆性材料的抗黏著性能比塑性材料好。因此，開展了不同硬度2Cr13球頭和球窩配對組合下，接觸點應力和應變的變化研究。首先采用不同的回火溫度對不銹鋼2Cr13鋼棒試樣進行熱處理，對其力學性能進行測試，獲得不同硬度下鋼棒2Cr13試樣力學性能，每種狀態鋼棒試樣各3件，測試結果取均值后各狀態力學性能如表1所示。

表1 鋼棒2Cr13不同硬度的力學性能(實驗實測值)

按現有球頭和球窩的結構尺寸，將不同硬度2Cr13實測的力學性能修正到仿真模型中，分別計算彈簧力3 kN、3.5 kN、4.2 kN 3種工況下，接觸點處的應力與應變。計算時，還考慮了球頭旋轉的摩擦力，球頭與球窩的應力計算結果見表2。由應力計算結果可以看出，隨著零件硬度提高，其接觸應力增大；同一配對組合狀態下，隨著彈簧力的增大，球頭和球窩的最大應力幾乎沒有變化，均略高于屈服強度，說明接觸部位已發生局部結構變形和磨損。因此，在現有結構的基礎上，通過材料熱處理獲得零件高硬度的方式不能解決磨損的問題，需通過結構改進降低接觸應力。

表2 不同球頭球窩組合應力計算結果

由表3所示應變計算結果可以看出，隨著材料硬度提高，各零件的最大應變降低；隨著彈簧力的增大，各零件的應變均呈現增大趨勢，且球頭的應變量相對更大，進一步說明球頭強度不足是結構的薄弱環節。

表3 不同球頭球窩組合應變計算結果

為降低球頭的接觸應力，將球頭半徑從2.0 mm增大至2.5 mm，仿真計算結果如表4、圖7所示，在最大工況下，球頭和球窩接觸處的最大應力均未超過320 MPa，且遠小于材料的屈服強度，接觸部分均未發生塑性變形，說明球頭應力超大的問題得到解決。

表4 改進后不同球頭球窩組合應力計算結果

圖7 改進后接觸部位應力及應變計算結果

3 金屬材料配對副磨損研究

磨損除了與接觸應力大小密切相關外，還與材料的性質有關。材料的晶體結構決定材料的性質，常見的晶體結構包括面心立方晶體、密排六方晶體和體心立方晶體。其中面心立方結構是層狀的，晶胞每個面上的原子多，晶胞之間相互滑移的位移短，造成了晶胞之間容易滑移錯位，宏觀上表現為質軟，容易變形，即容易被磨損、黏著。而密排六方金屬滑移系少，滑移過程中可能采取的空間位向少，故塑性差。體心立方金屬滑移系較多，故比密排六方金屬塑性好，但其滑移面原子密排程度不如面心立方，滑移方向的數量少于面心立方，故體心立方金屬不如面心立方金屬塑性好。因此，金屬材料配對副應優先采用密排六方晶體或體心立方晶體材料，避免采用面心立方晶體材料，特別要避免采用奧氏體鋼，此外還要避免使用同種金屬配對副。常用材料中鈦合金是以鈦為基礎加入其他元素組成的合金，鈦有兩種同質異晶體，882 ℃以下為密排六方結構α鈦，882 ℃以上為體心立方的β鈦。所以，采用鈦合金作為摩擦配對材料具有一定優勢。

4 故障定位及機理分析

減壓閥球頭與球窩屬于點接觸，在較大彈簧力和旋轉摩擦力的作用下，局部接觸點的應力較高，并超過了材料的屈服極限。由于球窩相對較軟，接觸部位產生塑性變形，在高應力作用下伴隨著球頭的旋轉，接觸區域表面溫度急劇升高，導致接觸處材料熔化并形成黏結點，進而發生焊合。焊合點的強度高于材料的抗剪強度，其原因是材料晶粒滑移面上的碎晶塊和附加晶格的強烈扭曲，增大了滑移阻力，使其繼續滑移難于進行，在后續摩擦副的反復旋轉摩擦過程中，摩擦系數增大，引起球頭與球窩金屬基體的撕裂，在兩者接觸表面出現擦傷和劃傷，從而形成黏附磨損。該磨損過程發生得非常突然，往往一連串動作就發生在短短幾秒鐘內。由于主彈簧座硬度較高，材料相對較脆，焊合點墊在球頭與球窩之間，進一步阻礙了主彈簧座球頭的旋轉運動，球頭出現崩碎、顆粒。減壓閥球頭的磨損現象，前期為黏附磨損，后期主要為磨料磨損。

5 結構改進及試驗驗證

從減小接觸應力和避免黏附磨損的改進思路出發，根據目前型號常用的球頭與球窩組合和仿真計算結果，將球頭半徑增大至2.5 mm，并策劃了4種不同材料的組合方案，每種方案各3套配對零件，分別裝配到減壓閥上進行磨損對比試驗，每種狀態每套配對零件磨損10次，將減壓閥彈簧外套由自由狀態擰至額定點附近，再退至自由狀態為1次磨損試驗，最終通過磨損的程度確定優選組合。

改進方案磨損試驗對比如表5所示，結果表明同種類型的材料配對時，磨損比較嚴重，與材料的力學性能無關。J1、J2為同種類型材料組合，磨損嚴重。J3、J4為異種材料組合，磨損較輕或幾乎看不出磨損，說明相同的應力下異種材料具有較好的耐磨性。通過J2與J3磨損照片對比發現，鈦合金TC4 比不銹鋼1Cr11Ni2W2MoV的強度低很多，但后者磨損很嚴重，進一步說明磨損與材料的晶體結構密切相關，與材料硬度無直接關系。通過J3與J4磨損照片對比發現，J3狀態球頭無磨損痕跡。因此，最終減壓閥采用J3的改進方案。

表5 減壓閥球窩/球頭磨損對比

改進后的減壓閥經過了力學環境試驗(振動試驗、沖擊試驗，加速度試驗)、典型試驗及整機試車考核，減壓閥各項性能滿足系統設計要求，分解檢查主彈簧座球頭、壓蓋球窩無磨損現象，磨損問題得到徹底解決。目前改進措施已成功應用到多個型號的減壓閥中，并經過飛行考核。

6 結束語

利用仿真和試驗相結合的方法，分析了減壓閥主彈簧座球頭磨損的故障機理，并提出結構改進措施，通過磨損對比試驗驗證，確定了減壓閥的最終改進方案。經過減壓閥多個批次試驗考核，球頭磨損的問題得到徹底解決，驗證了改進措施的有效性。研究結果表明，在接觸應力未超出材料屈服強度的前提下，磨損與材料的晶體結構密切相關，常用金屬材料鈦合金作為摩擦副材料具有一定的優勢，為高應力摩擦副材料的選用提供參考。