蝶閥串漏量問題分析及試驗

摘 要：本文介紹了飛機環控系統中蝶閥密封設計因素造成的泄漏問題。目前，飛機中蝶閥防止內漏的密封圈常為金屬漲圈，本文對其外圓與通道的貼合度和活門板槽的密封等進行試驗，所得結論如下。漲圈外圓和通道內圓應盡量匹配，應進行組合式裝配并嚴格要求漲圈端面的平面度，采用減少保險絲孔裝配后的間隙等措施來減少蝶閥的串漏量。這樣不僅能保證產品串漏量一次裝試合格率，還能形成設計經驗，為后續蝶閥類產品串漏量結構設計提供依據。

關鍵詞：飛機；蝶閥；串漏量；漲圈

中圖分類號：V 245 " " " " " " 文獻標志碼：A

我國國防的發展和航空航天技術的不斷進步對機載蝶閥體積、質量和耐環境的要求越來越高[1]。蝶閥主要負責對引氣進行關斷控制和調節壓力，多處于嚴酷的機械環境，需要承受巨大的飛機振動載荷和自身產生的共振，飛機的振動頻率也會對蝶閥閥體產生模態應力損傷，從而增加蝶閥竄漏量。作為飛機環控系統主要組成元件和重要的控制元件，蝶閥的位置越來越重要[2]。本文研究的主要內容是漲圈、活門板和通道等蝶閥部件對串漏量的影響，找出漲圈、活門板和通道的設計參數與產品串漏量的關系，并探索其對設計參數的控制要求，為后續產品設計提供依據。

1 蝶閥產品串漏量定位

蝶閥產品載關閉狀態下通過漲圈與活門板、通道形成密封。分析蝶閥活門結構可知其主要串漏量來源如下。1）漲圈外圓與通道內孔密封串漏。2）漲圈端面與活門板槽端面密封串漏。3）漲圈與活門板保險絲孔串漏。如圖1所示。與非金屬密封相比，金屬密封在高溫引氣蝶閥中應用較多，其優點包括可在高溫下持續工作并保持良好的穩定性；可在較低的壓差下工作，減少對外界條件的影響；金屬材料對腐蝕環境有更好的抵抗性及抗磨損性。金屬密封的缺點主要是彈性較差。金屬密封器需要較大的預緊力，因此電機要有較大扭矩才能帶動活門板的密封面轉動；金屬密封的密封面和通道的粗糙度、配合精度要求較高，細小的劃痕也會造成較大的泄漏量；金屬密封圈和通道的材料線膨脹系數不能太大。

常見蝶閥的金屬漲圈類型有“V”形密封圈，其密封唇有較好的活動性和自適應特性，可補償較大的公差和角度偏差。“O”形密封圈一般用于往復運動緩慢的調節流量閥門；矩形密封圈常用于通道為矩形的蝶閥類。在飛機環控系統中，蝶閥調節運動頻繁，機械環境嚴酷，常采用的金屬漲圈類型為“V”形，金屬表面須做滲氮處理，以提高硬度，抵抗運動磨損。

分析蝶閥各處串漏量來源，串漏的主要原因如下。1）漲圈外圓粗糙度較低，不能和通道表面進行嚙合，漲圈型線與通道內廓也不能完全匹配，導致金屬漲圈外圓與通道內孔密封泄漏。2）漲圈端面平面度較低，造成漲圈端面與活門板槽端面密封泄漏。3）活門板保險絲孔與保險絲存在間隙，造成活門板保險絲孔串漏。

2 金屬漲圈外圓與通道內孔密封分析

活門板與通道泄漏的原因是金屬漲圈外圓與通道不能完全嚙合，其中漲圈的材料選擇、通道的加工方式和熱表面處理都會影響通道的粗糙度、同心度等要素，從而影響蝶閥的密封性能。下面著重根據蝶閥的泄漏點分析機加工藝、粗糙度和嚙合對密封的影響。

2.1 漲圈外圓與通道內孔密封串漏分析

對漲圈進行受力分析，如圖2（b）所示，P0為產品入口壓力，在漲圈初始彈力的作用下，P0大于漲圈與通道間泄漏的氣體壓力PF。漲圈會受一個徑向向外的力，使漲圈外圓進一步與通道貼合，形成漲圈外圓與通道內孔間密封[3]。因此，漲圈外圓與通道內孔處密封的主要原因是漲圈外圓與通道不貼合，主要影響因素包括漲圈型線與通道不匹配造成的嚙合度低、漲圈與通道粗糙度低。

2.2 漲圈型線與通道不匹配分析

當漲圈外圓與通道內孔在裝配狀態下型線不一致時，無法形成完整的徑向密封線。間隙處、漲圈外圓處同樣為入口壓力，在加壓狀態下依然無法使漲圈壓緊在通道內孔上。傳統漲圈的加工方式為按尺寸要求對內孔、外圓進行粗、精加工后，再對漲圈進行切口，使漲圈通過材料自身的塑性產生變形，具有一定的回彈力。在使用過程中，漲圈一般與通道內孔過盈配合。漲圈裝配到通道后會發生變形，成為非標準圓形，導致部分密封部位存在縫隙，無法貼合，密封不連續，入口氣體直接通過縫隙串流到產品出口。同時，每次關閉時漲圈與通道的實際貼合狀態也不一致。串流的氣體使Pf值升高，漲圈受到的徑向氣動壓緊力變小，與通道貼合減弱，導致串漏量大。

針對傳統漲圈型線與通道不貼合的情況，需要使漲圈裝配時型線與通道盡可能一致。因此，在保證通道內孔圓度的同時，應盡可能保證漲圈外圓加工時尺寸與通道尺寸一致。同時，考慮漲圈初始的彈力會影響漲圈外圓與通道初始壓緊狀態，進而影響漲圈內、外側壓差的建立，因此應對漲圈進行加工，步驟如下。先對漲圈進行粗加工，然后對漲圈進行切口。切口時應計算切口角度的補償量，保證當切口尺寸壓縮到要求尺寸時為平行狀態。初始切口尺寸與壓縮后要求尺寸差值應盡可能大，漲圈初始壓緊力才會大，更有利于減少串漏量。再將漲圈切口尺寸壓縮到要求尺寸并進行固定，對漲圈內、外圓進行精加工，保證加工時漲圈狀態與漲圈裝配后狀態一致。改進后的漲圈例圖如圖3所示。

2.3 漲圈與通道粗糙度低的分析

在微觀狀態下，漲圈與通道配合處存在較多孔隙，使漲圈外圓與通道貼合處壓力（PF）升高，漲圈壓緊在通道內孔的合力變小，進而使產品入口氣體串流到產品出口[4]。因此，漲圈外圓與通道配合處應有較高的粗糙度，Ra（表面粗糙度）≥0.8。同時，提高漲圈外圓與通道配合處的粗糙度也有利于減少蝶閥轉動過程中的摩擦力和磨損。

3 漲圈端面與活門板槽端面密封串漏分析

漲圈端面與活門板槽端面配合如圖4所示。在入口壓力P0的作用下，漲圈沿軸線被壓縮在活門板槽端面上，形成金屬面接觸密封。因此，影響漲圈端面與活門板槽端面密封的主要原因為漲圈端面與活門板槽端面不貼合，主要影響因素為漲圈端面平面度較低。

查閱某機械廠內部漲圈產品圖樣可知，產品均對端面平面度有所要求，一般為0.03。但檢查實際加工完成的漲圈可發現部分漲圈切口經常發生一定的翹曲。其原因是在對切口處進行去毛刺、倒角時，由于間隙較小，因此有時會存在漲圈錯位變形后被加工的情況。當變形量大于材料的塑性變形時，去除外力后漲圈不能恢復初始狀態，漲圈端面平面度也就無法保證。同時，在進行漲圈裝配時，單板蝶閥活門會先將開口的一側裝入活門板槽內，按壓漲圈，使漲圈變形時的其余部分依次進入活門板槽內。該過程同樣會導致漲圈發生不可恢復的變形，無法保證漲圈端面平面度。

因此在漲圈設計、加工、裝配的過程中，應控制漲圈端面平面度，避免加工或裝配過程對漲圈端面平面度造成影響，進而保證漲圈端面與活門板槽端面能夠密封。

4 活門板保險絲孔串漏

為限制漲圈在活門板槽中的運動，避免漲圈向一側偏轉過多造成蝶閥卡滯，通常可在活門板和漲圈對應位置鉆孔，并使用保險絲進行固定[5]。漲圈孔比保險絲大，有一定的活動量，同時可以通過保險絲限制漲圈的活動量（如圖4所示）。

以我廠某型交叉供氣活門為例。活門板保險絲孔為?1mm，保險絲采用1CrNi9Ti，絲徑為0.6mm，單個保險絲孔通流面積為0.5m2，入口壓力為表壓0.75MPa，出口為大氣壓時，串漏量約為2.4kg/h，通過保險絲孔的總串漏量約為9.6kg/h。活門板上孔的作用僅為穿過保險絲，在能穿過保險絲的情況下應盡可能小。如果將蝶板上保險絲孔直徑由?1mm改為?0.8mm，那么單個保險絲孔通流面積減少約0.28m2，可計算出通過保險絲孔總串漏量減少5.6kg/h，能有效減少產品實際串漏量。

5 試驗驗證

根據上述分析，對某機械廠交叉供氣活門進行改進，步驟如下。1）將漲圈與通道尺寸和公差調整一致，并將加工流程改為“初加工→切口→預裝配→精加工”。2）將鈦合金內孔碳化鎢噴涂改為離子滲氮，將通道內孔粗糙度由Ra3.2改為Ra0.8。3）挑選無翹曲變形的漲圈進行裝配。4）將活門板保險絲孔由?1mm改為?0.8mm。改進后，入口壓力為表壓0.75MPa時，產品串漏量（產品通徑為?67mm）由40kg/h減至10kg/h。

6 結論

由上述分析可知，為保證蝶閥產品串漏量，應注意如下4點。1）應保證漲圈外圓型線與通道內孔一致且尺寸、公差相同。2）漲圈外圓與通道內孔粗糙度應較高，一般為Ra≥0.8。3）應控制漲圈端面平面度，同時避免加工和裝配過程中漲圈變形對端面平面度的影響。4）活門板上的保險絲孔在能穿過保險絲孔的前提下應盡可能小。本文分析了蝶閥產品串漏量影響因素，識別了設計、加工、裝配等過程對蝶閥產品串漏量的控制要求，能有效減少蝶閥產品的串漏量，擴大蝶閥產品的使用場景，為后續蝶閥類產品的設計、加工、裝配積累了經驗。

參考文獻

[1]巫發茂.某機載控制臺拓撲優化設計研究[D].成都：西華大學，2016.

[2]王立功.漲圈密封環性能分析及端面淺槽結構優化設計[D].長沙：湖南大學，2020.

[3]劉斌，戶建軍，葉文龍.一種航空發動機漲圈加工方法研究[J].內燃機與配件，2016（8）：60-62.

[4]白忠愷.漲圈高速旋轉密封裝置失效分析研究[J].現代機械，2017（4）：13-15.

[5]成大先.機械設計手冊：聯接與緊固[M].北京：化學工業出版社，2004.