一種新型溫控活門的研制

摘 要：溫控活門具有安裝簡單、不需要外接能源且性能穩定等優點，常用于飛機滑油系統、燃油系統中，通過旁路通斷優化系統性能。常見的溫控活門僅為單系統調節能力，本文設計了一種新型溫控活門，能夠感受燃油的溫度，控制滑油旁路的開關，進而調節燃油的溫度高低。感溫元件連接燃油系統和滑油系統，將動密封改為靜密封，可增加系統可靠性并提高系統性能。

關鍵詞：溫控活門；燃油系統；滑油系統

中圖分類號：TH 69" " " 文獻標志碼：A

按照工作原理，溫控活門可分為自力式溫控活門和電動溫控活門[1]。電動溫控活門由恒溫控制器感應環境溫度，并由連接件控制閥體閥芯移動，這種閥門常用于民品室內溫度精確控制，需要外部能源且結構較大；自力式溫控活門利用材料本身熱脹冷縮原理實現閥芯開、關，具有安裝簡單、結構緊湊且性能穩定等優點，常用于汽車、飛機等滑油系統中，客戶可以根據自身對溫度的需求定制不同的溫控活門。

某型發動機為優化整體性能和提高能量利用率，需要在燃油-滑油散熱器前段增加控溫裝置——溫控活門[2]。自力式溫控活門以其自動控溫、結構簡單和流量穩定等特點被廣泛應用于石油、化工和供暖等系統中。為滿足某型發動機控溫的要求，本文對傳統的溫控活門進行了結構改進，其結構原理圖如圖1所示，功能原理圖如圖2所示。閥芯感受燃油系統的溫控可以調節滑油旁路的開關，結構改進后的感溫元件仍然通過石蠟的熱脹冷縮來推動導向桿伸長并調節活門開度。

1 工作原理和結構組成

溫控活門是現代發動機系統的關鍵組成部分，其自控功能對保證發動機穩定運行至關重要。溫控活門的結構如圖1所示，主要由上下端蓋、感溫元件、彈簧和密封圈組成。

這款活門通過感溫元件來感知燃油溫度的變化，進而控制滑油旁路的開啟與關閉。其安裝位置為發動機附件傳動機匣油濾組件，可確保發動機在各種工作條件下都能得到適當的潤滑和冷卻。

工作原理如圖2所示。當燃油溫度低于（27±5）℃時，溫控活門會自動關閉，此時滑油通過燃油加熱器進行加熱，以確保其達到適合發動機工作的溫度。當燃油溫度高于（40±5）℃時，感溫元件會感知到這一變化并伸長，進而打開活門，使大部分滑油繞過燃油加熱器直接流向滑油濾芯，僅少部分滑油通過加熱器流出。該設計旨在根據燃油溫度的變化，自動調整滑油的加熱和旁通，以實現更精準的溫度控制。通過這種方式，溫控活門不僅能夠提高發動機的運行效率，還能延長使用壽命，減少因溫度過高或過低導致的故障和損壞。

2 詳細設計

主要設計指標見表1。

2.1 流阻校核和流通面積計算

根據流量Q、介質密度ρ和最小流阻等要求，可以得到所需的最小流通面積Smin。

前后壓差如公式（1）所示[3]。

ΔP=1/2μρυ2 （1）

式中：ΔP為前后壓差；μ為流阻系數；υ為流體速度。

根據經驗公式，流阻系數選取4～6，可根據具體的活門形式來選取不同的流阻系數（參考老活門的技術指標），也可根據閥門設計手冊等相關書籍推算，理論推算后同樣需要根據經驗乘比例因子。

ρ為流體介質密度，密度是隨溫度而變化的，一般取定值。ν為流體介質流速，如公式（2）所示。

v=Q/Smin （2）

式中：Q為額定流量；Smin為最小流通面積。

根據公式（1）、公式（2）可以得到所需最小流通面積，乘以安全系數1.1（靈活選取），可以得到所需流通面積。

綜上所述，當活門流通面積為254.34mm2，即活門流通通徑為18mm時，取流阻系數為5.1，活門的流阻為16.99kPa，在要求的范圍內。

2.2 活門最大開度和殼體最大內徑計算

活門最大開度K是活門是否能夠完全開啟的關鍵指標[4]，如公式（3）所示。

K·πD=Smin （3）

式中：D為最小流通面積的真實通徑；π取3.14。

一般公式（3）可簡化為K=D/4。

在活門的整個流通過程中，最小流通面積是流體在流道過程中的最小橫截面積，流體流出活門后有一圈環形最小面積，它決定了殼體最小內徑，如公式（4）所示。

π（Dmin2-Ddmax2）/4=Smin （4）

式中：Dmin為殼體內徑；Ddmax為活門最大直徑。

將活門通徑18mm帶入上述公式，可得K開度為4.5mm，殼體最小內徑為25.4mm。

2.3 上、下端蓋結構設計

上、下端蓋是燃滑油溫控活門中關鍵結構部件，其結構如圖3所示。主要作用是承壓、耐振、協助活門運動以及與其他零部件進行安裝連接。采用不銹鋼0Cr17Ni4Cu4Nb，HRC≥38，表面鈍化處理，能夠保證產品使用要求。

設計時需要考慮上、下端蓋的結構強度、耐腐性能，還要保證活門在下端蓋的運動和密封功能。為了保證活門運動順暢，下端蓋與活門采用小間隙配合，配合公差為0.1～0.18，配合面粗糙度設計為Ra0.4。另外，下端蓋導向面圓度設計為0.05，粗糙度設計為Ra0.8。

2.4 溫控組件設計

溫控組件由上端蓋、感溫元件和密封圈組成，如圖4所示。感溫元件安裝有密封圈，可與機匣油濾組件殼體進行徑向密封，將燃油腔與滑油旁通油路分開。上端蓋安裝有密封圈，可防止燃油液體外漏。感溫元件頭部由螺紋與上端蓋螺紋孔進行連接，形成溫控組件。

當燃油溫度低于（27±5）℃時，感溫元件內部石蠟處于收縮狀態，滑油旁通油路完全關閉。當燃油溫度逐漸升高時，石蠟受熱產生固液相變并膨脹，推動頂桿產生動力和行程，頂桿逐漸伸長頂開活門，滑油旁通油路逐漸打開。當燃油溫度達到（40±5）℃時，滑油旁通油路完全開啟。

2.5 關鍵特性分析

2.5.1 活門密封性設計

選擇活門密封形式時，需要綜合考慮客戶對泄漏量的嚴格要求、實際使用環境以及常開/常閉的工作狀態[5]。例如，在發動機滑油系統中，滑油系統屬于熱邊，而空氣、燃油等則屬于冷邊。通常換熱器可為燃油加溫，同時也為滑油系統降溫。當燃油溫度較低時，冷邊滑油進入換熱器加熱燃油；當燃油溫度過高時，溫控活門會旁通換熱器。由于金屬錐形活門具有較長的使用壽命和良好的維護性，因此選擇金屬錐形活門更合適。

這款活門采用不銹鋼圓錐形設計，其關鍵功能是在燃油溫度達到（40±5）℃時自動關閉，確保系統穩定運行。為了確保產品的密封性能，本文將錐形圓面作為密封面，并嚴格提升了2個零件間配合面的圓度和粗糙度。該設計不僅保證了密封的可靠性，同時也增強了產品的耐用性和穩定性。

2.5.2 活門導向設計

導向設計在溫控活門執行機構中具有重要作用。在活門設計中增加導向的主要目的是確保大流量介質通過時，活門能夠穩定工作，避免徑向滑動或對接不嚴導致的關閉失效。

活門導向的設計分為小間隙導向和大間隙導向。小間隙導向雖然精度高，但當介質雜質較多時，其抗污染能力較弱，易出現卡滯現象，并且生產成本高昂，對安裝后的徑向間隙控制要求較高。大間隙導向雖然能應對一定程度的雜質，但長期運行下易出現局部磨損，進而在特定情況下出現卡滯。

綜合考慮上述因素，本文選擇導向間隙時，權衡各種因素，不推薦使用太小的間隙配合，最小間隙不得＜0.08mm。同時，參考經過實際考核的產品數據，本文確定采用0.1mm～0.18mm的間隙范圍，導向桿與孔的最小重合長度為12mm。該設計既能保證活門的穩定性，又能降低卡滯風險。同時，在設計中本文還特別關注了盲孔的排液問題，以確保活門在各種工作環境下都能順暢運行。

2.5.3 金屬材料耐溫情況

燃滑油溫控活門選用的金屬材料為不銹鋼棒022Cr17Ni12-

Mo2、0Cr17Ni4Cu4Nb和1Cr18Ni9。不銹鋼022Cr17Ni12Mo2優點突出，耐高溫且耐腐蝕性優異。彈簧采用1Cr18Ni9奧氏體不銹鋼，將其進行鈍化處理，可進一步提高耐腐蝕性能。

3 溫控活門仿真驗證

Ansys強度仿真是一種基于有限元分析（FEA）的仿真技術，用于預測和分析工程結構在各種外部載荷（如力、壓力和溫度等）下的強度、剛度和穩定性等性能。Ansys是一款功能強大的仿真軟件，被廣泛應用于航空航天、汽車、電子、機械以及土木工程等領域。

在Ansys強度仿真中，首先需要根據溫控活門的三維結構建立數學模型，并定義材料的屬性、邊界條件和載荷等參數。整體應力云圖如圖5所示。其次，通過有限元網格劃分將結構離散化為有限個單元，每個單元間通過節點連接。再次，通過求解線性或非線性方程組，得到結構在載荷作用下的位移、應力和應變等響應。最后，通過后處理功能查看和分析仿真結果，以評估活門零組件的性能，并找出潛在問題。

溫控活門的技術要求是滑油壓力為1.4MPa時保壓3min，保證燃滑油溫控活門無變形損壞；滑油壓力為2.8MPa時保壓3min，保證燃滑油溫控活門無破裂等。

在氣密試驗壓力為1.4MPa的工況下，上端蓋應力最大值為18.697MPa，小于材料屈服強度177MPa；下端蓋應力最大值為9.791MPa，小于材料屈服強度1000MPa；活門應力最大值為12.142MPa，小于材料屈服強度1000MPa；整體應力最大值為18.697MPa，滿足各零部件使用要求。

4 溫控活門性能驗證

本文重新設計了一款新型溫控活門，在燃滑油實驗臺上主要測試了溫控活門的初開溫度和全開溫度、流阻和流通能力。試驗情況見表2。

比較統計試驗數據與理論計算數據可以看出，試驗結果與理論計算結果擬合程度較好。

5 結語

本文主要介紹了溫控活門的常用計算公式，對其增加了流阻系數進行修正，試驗證明該計算公式較準確。由試驗結果可以看出，40℃以后，感溫元件繼續伸長，對流通能力基本無影響，可見，活門流通能力的計算是全過程的計算，不僅要考慮活門通徑，還要評估后續開度對其的影響。

本文設計的新型溫控活門結構在仿真和試驗過程中通過了額定壓力的考驗，表明該種結構具有一定參考價值。

參考文獻

[1]陸陪文.實用閥門設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2011.

[2]全國壓力容器技術標準化委員會.鋼制壓力容器：GB150—1998[S].北京：中國標準出版社，1998.

[3]機械設計手冊編委會.機械設計手冊：液壓傳動與控制[M].北京：機械工業出版社，2007.

[4]楊世忠，邢麗娟.調節閥流量特性分析及應用選擇[J].閥門，2006（5）：33-36.

[5]楊紀偉，調節閥流量調節理論研究[J].流體機械，2003，31（2）：24-26.