1、超低溫截止閥密封面改進概述
低溫截止閥截止閥是一種工作正在低溫氣氫或液氫介質(zhì)中,用去接通或切斷管路介質(zhì)的裝置。本文介紹一種用于氫氧發(fā)動機試驗臺上的低溫截止閥,針對正在使用過程中出現(xiàn)閥門無法動作的問題,進行了故障合析,通過改進結(jié)構(gòu),使閥門正常運行于試驗系統(tǒng)中。
可通過閥桿既旋轉(zhuǎn)又升降的原理，達到閥門的開啟或截斷，并確保閥門的密封和上密封功能。由于該結(jié)構(gòu)特殊的運動原理，也造成對閥門上密封副間受力極為不利的后果（形成既有密封副間必須的垂直壓力，又有密封副間相對滑移的摩擦）。實踐證明，閥門的上密封往往只啟閉幾次，就因為密封副間的擦傷而引起泄漏。擦傷輕微的需拆開修復，擦傷嚴重的均因損壞而報廢，這樣的后果不但增加了企業(yè)的制造成本，而且影響閥門的性能。為解決此類問題對閥門上密封的結(jié)構(gòu)和材料做了試驗和改進。
將閥桿的上密封部位移動到閥瓣上（目的是在受力過程中，使閥瓣上的上密封面相對閥蓋上的上密封面處于靜止無滑移狀態(tài)）。此改進雖然可提高上密封的壽命，但由于要增加一道閥瓣蓋與閥瓣間的密封使得結(jié)構(gòu)較復雜，性價比較低。
改變上密封副材料。在閥桿密封錐面上堆焊抗擦傷性能好的司太立硬質(zhì)合金，此方法雖然取得了較好的效果，但一方面因為司太立合金成本太高，另一方面由于閥桿基本材料為 13Cr 馬氏體不銹鋼，可焊性差，堆焊時須焊前預熱，焊后保溫和焊接工藝復雜。另外，為保證閥桿的尺寸精度，還要增加粗加工工序。綜合分析，除特殊要求外，此方案其性價比也不好。
實踐證明，提高閥桿錐面硬度是提高截止閥上密封壽命的可行辦法。 
2、超低溫截止閥密封面改進結(jié)構(gòu)特點
低溫截止閥和高中壓截止閥不同，它是一種工作在低溫氣氫或液氫介質(zhì)中,用來接通或切斷管路介質(zhì)的裝置。本文介紹一種用于氫氧發(fā)動機試驗臺上的低溫截止閥,針對在使用過程中出現(xiàn)閥門無法動作的問題,進行了故障分析,通過改進結(jié)構(gòu),使閥門正常運行于試驗系統(tǒng)中。
1、結(jié)構(gòu)特點
2、技術(shù)參數(shù) 低溫截止閥的技術(shù)參數(shù)如下。工作介質(zhì)低溫氣氫、液氫 公稱通徑65mm 高使用壓力25MPa 低使用溫度液氫溫度 驅(qū)動方式氣動(氣缸雙向通氣) 操作氣源氮氣,5±012MPa 連接方式法蘭式。
結(jié)構(gòu) 低溫截止閥由閥體、閥瓣、閥桿和汽缸等組成。閥體、閥蓋和閥桿等均采用不銹鋼,閥瓣采用銅。上下兩段閥桿中間用環(huán)氧酚醛層壓玻璃鋼布板實現(xiàn)絕熱,法蘭密封面采用鋁墊片,填料使用聚四氟乙烯,汽缸使用雙特密封,以減小摩擦力,閥門整體采用聚氨酯發(fā)泡保溫。 2.1、技術(shù)參數(shù)
低溫截止閥的技術(shù)參數(shù)如下。
工作介質(zhì)低溫氣氫、液氫
公稱通徑65mm
高使用壓力25MPa
低使用溫度液氫溫度
驅(qū)動方式氣動(氣缸雙背通氣)
操作氣源氮氣,5±012MPa
銜接方式法蘭式
2.2、超低溫截止閥密封面改進結(jié)構(gòu)
低溫截止閥由閥體、閥瓣、閥桿和汽缸等組成。閥體、閥掀和閥桿等均采用不銹鋼,閥瓣采用銅。上下兩段閥桿中間用環(huán)氧酚醛層壓玻璃鋼布板實現(xiàn)絕熱,法蘭密封面采用鋁墊片,填料使用聚四氟乙烯,汽缸使用雙特密封,以減小摩擦力,閥門整體采用聚氨酯發(fā)泡保溫。 
3、超低溫截止閥密封面改進設計
3.1、材料選用
航天火箭用低溫推進劑一般有液氫、液氧和氟等,因而要求閥門材料能耐低溫、耐腐蝕與低溫介質(zhì)相容并具有比較低的導熱性。目前,運用較多的金屬材料有奧氏體鋼、銅或鋁等,非金屬材料有玻璃鋼、聚四氟乙烯等。
從金相考慮,金屬材料中具有面心立方晶格的奧氏體鋼、銅和鋁正在低溫狀態(tài)下不會出現(xiàn)低溫脆性,但因鋁及鋁合金的軟度不高,鋁密封面的耐磨、耐擦傷性能差,所以正在低溫閥門中的使用有一定的限制,僅用于低壓和小口徑閥門中。
低溫閥門用墊片必須正在常溫、低溫及溫度變化下具有可靠的密封性和復原性,因而一般選擇性能變化小的墊片材料。如浸漬聚四氟乙烯的石棉填料或成型塑料件填料,而玻璃鋼由于導熱系數(shù)很小,大多用作熱橋元件。
3.2、密封結(jié)構(gòu)
正在關(guān)閉件設計時,閥座采用較軟的材料———不銹鋼,閥瓣采用較軟的材料———銅,當?shù)蜏叵聤W氏體發(fā)生相變時,密封面高低不平,軟材料正在操作力的作用下產(chǎn)生形變而使其與閥座貼合緊密,補償由于熱應力和組織應力引起的材料變形,解決了高壓低溫工況下的密封性問題。
3.3、絕熱結(jié)構(gòu)
為較好地實現(xiàn)低溫截止閥的絕熱,將閥掀設計成細長結(jié)構(gòu),減長熱橋,防止因填料函部合過冷而使處正在填料函部位的閥桿以及閥掀上部的零件結(jié)霜,影響使用。采用隔熱墊(材料為環(huán)氧酚醛層壓玻璃鋼布)將閥桿合為上、下兩部合,減小熱流,實現(xiàn)絕熱。閥門整體采用外絕熱形式,使用聚氨脂發(fā)泡保溫,保層厚200mm。 
4、超低溫截止閥密封面改進故障合析
低溫截止閥應用于試驗系統(tǒng)后,出現(xiàn)了無法動作的故障。正在對當閥解體后發(fā)現(xiàn),閥桿與閥掀出現(xiàn)了咬合,閥桿表面的核心線對稱地位處有兩處較深的劃痕,與之相配的閥掀下法蘭相應地位上也有兩處劃痕。經(jīng)過合析,引起故障的原因有兩方面。
(1)存儲期
閥門存放期間水平放置并處于開啟狀態(tài),閥桿與閥瓣形成懸臂梁結(jié)構(gòu),懸臂長147mm,懸臂重418kg。由于重力作用引起下閥桿彎曲,使得下閥桿和閥掀法蘭孔異軸度偏差增大。原設計中異軸度大偏差為0.1mm,拆除后實測異軸度偏差約為0.4mm。由于兩零件材料均為OCr18Ni9不銹鋼,低溫下無法進行潤澀,動作時由于異軸度偏差大產(chǎn)生咬合現(xiàn)象。
(2)減工期
經(jīng)檢查,閥掀上的銷釘槽沒有按圖紙減工(圖1)。將圖紙中的方形槽減工成圓弧形槽,影響了銷釘和銷釘槽的正常配合,下閥桿承受側(cè)背力,從而導致下閥桿和閥掀產(chǎn)生干涉。 
5、超低溫截止閥密封面改進改進
針對合析中存正在的問題,對低溫截止閥結(jié)構(gòu)做了改進。
(1)閥桿與閥掀配合部合正在下閥桿<51mm處壓進一個H62銅套(圖2),不銹鋼OCr18Ni9軟度160HB,黃銅H62軟度56HB,采用這種方式可避免異種材料直接接觸而產(chǎn)生咬合現(xiàn)象。將閥掀下法蘭孔<51mm減工至<57mm,與下閥桿相應處采用間隙配合(H8/f7),既保證了配合件具有較小的動摩擦力,又起到了導背作用。
(2)閥桿防轉(zhuǎn)裝置銷釘和銷釘槽配合的作用是避免閥桿旋轉(zhuǎn)。由于當閥的閥瓣、閥桿、汽缸和活塞等為回轉(zhuǎn)體,其閥桿是否旋轉(zhuǎn)對其密封和啟閉性能不會產(chǎn)生影響。為了避免由于銷釘和銷釘槽配合不當而使下閥桿承受側(cè)背力,撤消了銷釘。 
6、超低溫截止閥密封面改進結(jié)語
改進后的截止閥正在實際使用中動作性能良好。一般情況下,低溫閥門運動副正在間隙適當時,可以采用不銹鋼,但是長期使用正在有側(cè)背力或者軸變形工況時易產(chǎn)生咬合,因而盡量不用。另外,閥門要豎直放置和使用,長期不用時,應使閥門處于關(guān)閉狀態(tài)。
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