蝶阀串漏量问题分析及试验.pdf

中国新技术新产品2024 NO.2（上）-71-工 业 技 术我国国防的发展和航空航天技术的不断进步对机载蝶阀体积、质量和耐环境的要求越来越高1。蝶阀主要负责对引气进行关断控制和调节压力，多处于严酷的机械环境，需要承受巨大的飞机振动载荷和自身产生的共振，飞机的振动频率也会对蝶阀阀体产生模态应力损伤，从而增加蝶阀窜漏量。作为飞机环控系统主要组成元件和重要的控制元件，蝶阀的位置越来越重要2。本文研究的主要内容是涨圈、活门板和通道等蝶阀部件对串漏量的影响，找出涨圈、活门板和通道的设计参数与产品串漏量的关系，并探索其对设计参数的控制要求，为后续产品设计提供依据。1 蝶阀产品串漏量定位蝶阀产品载关闭状态下通过涨圈与活门板、通道形成密封。分析蝶阀活门结构可知其主要串漏量来源如下。1）涨圈外圆与通道内孔密封串漏。2）涨圈端面与活门板槽端面密封串漏。3）涨圈与活门板保险丝孔串漏。如图 1 所示。与非金属密封相比，金属密封在高温引气蝶阀中应用较多，其优点包括可在高温下持续工作并保持良好的稳定性；可在较低的压差下工作，减少对外界条件的影响；金属材料对腐蚀环境有更好的抵抗性及抗磨损性。金属密封的缺点主要是弹性较差。金属密封器需要较大的预紧力，因此电机要有较大扭矩才能带动活门板的密封面转动；金属密封的密封面和通道的粗糙度、配合精度要求较高，细小的划痕也会造成较大的泄漏量；金属密封圈和通道的材料线膨胀系数不能太大。常见蝶阀的金属涨圈类型有“V”形密封圈，其密封唇有较好的活动性和自适应特性，可补偿较大的公差和角度偏差。“O”形密封圈一般用于往复运动缓慢的调节流量阀门；矩形密封圈常用于通道为矩形的蝶阀类。在飞机环控系统中，蝶阀调节运动频繁，机械环境严酷，常采用的金属涨圈类型为“V”形，金属表面须做渗氮处理，以提高硬度，抵抗运动磨损。分析蝶阀各处串漏量来源，串漏的主要原因如下。1）涨圈外圆粗糙度较低，不能和通道表面进行啮合，涨圈型线与通道内廓也不能完全匹配，导致金属涨圈外圆与通道内孔密封泄漏。2）涨圈端面平面度较低，造成涨圈端面与活门板槽端面密封泄漏。3）活门板保险丝孔与保险丝存在间隙，造成活门板保险丝孔串漏。2 金属涨圈外圆与通道内孔密封分析活门板与通道泄漏的原因是金属涨圈外圆与通道不能完全啮合，其中涨圈的材料选择、通道的加工方式和热表面处理都会影响通道的粗糙度、同心度等要素，从而影响蝶阀的密封蝶阀串漏量问题分析及试验王晓宇刘剑飞张新岩（空军装备部驻新乡地区军事代表室，河南 新乡 453000）摘 要：本文介绍了飞机环控系统中蝶阀密封设计因素造成的泄漏问题。目前，飞机中蝶阀防止内漏的密封圈常为金属涨圈，本文对其外圆与通道的贴合度和活门板槽的密封等进行试验，所得结论如下。涨圈外圆和通道内圆应尽量匹配，应进行组合式装配并严格要求涨圈端面的平面度，采用减少保险丝孔装配后的间隙等措施来减少蝶阀的串漏量。这样不仅能保证产品串漏量一次装试合格率，还能形成设计经验，为后续蝶阀类产品串漏量结构设计提供依据。关键词：飞机；蝶阀；串漏量；涨圈中图分类号：V245文献标志码：A保险丝孔1.涨圈外圆与通道内孔密封串漏2.涨圈端面与活门板槽端面密封串漏3.涨圈与活门板保险丝孔串漏活门板通道涨圈图 1 蝶阀串漏来源中国新技术新产品2024 NO.2（上）-72-工 业 技 术性能。下面着重根据蝶阀的泄漏点分析机加工艺、粗糙度和啮合对密封的影响。2.1 涨圈外圆与通道内孔密封串漏分析对涨圈进行受力分析，如图 2（b）所示，P0为产品入口压力，在涨圈初始弹力的作用下，P0大于涨圈与通道间泄漏的气体压力 PF。涨圈会受一个径向向外的力，使涨圈外圆进一步与通道贴合，形成涨圈外圆与通道内孔间密封3。因此，涨圈外圆与通道内孔处密封的主要原因是涨圈外圆与通道不贴合，主要影响因素包括涨圈型线与通道不匹配造成的啮合度低、涨圈与通道粗糙度低。2.2 涨圈型线与通道不匹配分析当涨圈外圆与通道内孔在装配状态下型线不一致时，无法形成完整的径向密封线。间隙处、涨圈外圆处同样为入口压力，在加压状态下依然无法使涨圈压紧在通道内孔上。传统涨圈的加工方式为按尺寸要求对内孔、外圆进行粗、精加工后，再对涨圈进行切口，使涨圈通过材料自身的塑性产生变形，具有一定的回弹力。在使用过程中，涨圈一般与通道内孔过盈配合。涨圈装配到通道后会发生变形，成为非标准圆形，导致部分密封部位存在缝隙，无法贴合，密封不连续，入口气体直接通过缝隙串流到产品出口。同时，每次关闭时涨圈与通道的实际贴合状态也不一致。串流的气体使 Pf值升高，涨圈受到的径向气动压紧力变小，与通道贴合减弱，导致串漏量大。针对传统涨圈型线与通道不贴合的情况，需要使涨圈装配时型线与通道尽可能一致。因此，在保证通道内孔圆度的同时，应尽可能保证涨圈外圆加工时尺寸与通道尺寸一致。同时，考虑涨圈初始的弹力会影响涨圈外圆与通道初始压紧状态，进而影响涨圈内、外侧压差的建立，因此应对涨圈进行加工，步骤如下。先对涨圈进行粗加工，然后对涨圈进行切口。切口时应计算切口角度的补偿量，保证当切口尺寸压缩到要求尺寸时为平行状态。初始切口尺寸与压缩后要求尺寸差值应尽可能大，涨圈初始压紧力才会大，更有利于减少串漏量。再将涨圈切口尺寸压缩到要求尺寸并进行固定，对涨圈内、外圆进行精加工，保证加工时涨圈状态与涨圈装配后状态一致。改进后的涨圈例图如图 3 所示。注：为直径；为角度；为平面度；为同心度；L是涨圈角度；A为涨圈外径；B为涨圈内径。图 3 改进后涨圈例图（mm）粗加工后尺寸精加工后尺寸AB64.60.141.29.60.050.020.0262H1067.2r70.4AAL（a）涨圈装配图（b）涨圈受力示意图注：L1为涨圈宽度；L2为涨圈丝径；R1为涨圈内径；R2为通道内径；R5为蝶板外径；Ff为摩擦力；P0为产品入口压力；Pf为涨圈与通道间泄漏的气体压力；p 为活门板反作用力；p 为泄漏气体反作用力；A、B、C、D 分别为涨圈的 4 个顶点。图 2 涨圈装配与受力分析L1FfPFP0P0BCDAp+pR1R5R2L2ABDC中国新技术新产品2024 NO.2（上）-73-工 业 技 术2.3 涨圈与通道粗糙度低的分析在微观状态下，涨圈与通道配合处存在较多孔隙，使涨圈外圆与通道贴合处压力（PF）升高，涨圈压紧在通道内孔的合力变小，进而使产品入口气体串流到产品出口4。因此，涨圈外圆与通道配合处应有较高的粗糙度，Ra（表面粗糙度）0.8。同时，提高涨圈外圆与通道配合处的粗糙度也有利于减少蝶阀转动过程中的摩擦力和磨损。3 涨圈端面与活门板槽端面密封串漏分析涨圈端面与活门板槽端面配合如图 4 所示。在入口压力 P0的作用下，涨圈沿轴线被压缩在活门板槽端面上，形成金属面接触密封。因此，影响涨圈端面与活门板槽端面密封的主要原因为涨圈端面与活门板槽端面不贴合，主要影响因素为涨圈端面平面度较低。查阅某机械厂内部涨圈产品图样可知，产品均对端面平面度有所要求，一般为 0.03。但检查实际加工完成的涨圈可发现部分涨圈切口经常发生一定的翘曲。其原因是在对切口处进行去毛刺、倒角时，由于间隙较小，因此有时会存在涨圈错位变形后被加工的情况。当变形量大于材料的塑性变形时，去除外力后涨圈不能恢复初始状态，涨圈端面平面度也就无法保证。同时，在进行涨圈装配时，单板蝶阀活门会先将开口的一侧装入活门板槽内，按压涨圈，使涨圈变形时的其余部分依次进入活门板槽内。该过程同样会导致涨圈发生不可恢复的变形，无法保证涨圈端面平面度。因此在涨圈设计、加工、装配的过程中，应控制涨圈端面平面度，避免加工或装配过程对涨圈端面平面度造成影响，进而保证涨圈端面与活门板槽端面能够密封。4 活门板保险丝孔串漏为限制涨圈在活门板槽中的运动，避免涨圈向一侧偏转过多造成蝶阀卡滞，通常可在活门板和涨圈对应位置钻孔，并使用保险丝进行固定5。涨圈孔比保险丝大，有一定的活动量，同时可以通过保险丝限制涨圈的活动量（如图 4 所示）。以我厂某型交叉供气活门为例。活门板保险丝孔为1mm，保险丝采用 1CrNi9Ti，丝径为 0.6mm，单个保险丝孔通流面积为 0.5m2，入口压力为表压 0.75MPa，出口为大气压时，串漏量约为 2.4kg/h，通过保险丝孔的总串漏量约为 9.6kg/h。活门板上孔的作用仅为穿过保险丝，在能穿过保险丝的情况下应尽可能小。如果将蝶板上保险丝孔直径由 1mm 改为 0.8mm，那么单个保险丝孔通流面积减少约0.28m2，可计算出通过保险丝孔总串漏量减少 5.6kg/h，能有效减少产品实际串漏量。5 试验验证根据上述分析，对某机械厂交叉供气活门进行改进，步骤如下。1）将涨圈与通道尺寸和公差调整一致，并将加工流程改为“初加工切口预装配精加工”。2）将钛合金内孔碳化钨喷涂改为离子渗氮，将通道内孔粗糙度由Ra3.2 改为 Ra0.8。3）挑选无翘曲变形的涨圈进行装配。4）将活门板保险丝孔由 1mm 改为 0.8mm。改进后，入口压力为表压 0.75MPa 时，产品串漏量（产品通径为 67mm）由 40kg/h 减至 10kg/h。6 结论由上述分析可知，为保证蝶阀产品串漏量，应注意如下 4 点。1）应保证涨圈外圆型线与通道内孔一致且尺寸、公差相同。2）涨圈外圆与通道内孔粗糙度应较高，一般为 Ra 0.8。3）应控制涨圈端面平面度，同时避免加工和装配过程中涨圈变形对端面平面度的影响。4）活门板上的保险丝孔在能穿过保险丝孔的前提下应尽可能小。本文分析了蝶阀产品串漏量影响因素，识别了设计、加工、装配等过程对蝶阀产品串漏量的控制要求，能有效减少蝶阀产品的串漏量，扩大蝶阀产品的使用场景，为后续蝶阀类产品的设计、加工、装配积累了经验。参考文献1 巫发茂.某机载控制台拓扑优化设计研究 D.成都：西华大学，2016.2 王立功.涨圈密封环性能分析及端面浅槽结构优化设计D.长沙：湖南大学，2020.3 刘斌，户建军，叶文龙.一种航空发动机涨圈加工方法研究 J.内燃机与配件，2016（8）：60-62.4 白忠恺.涨圈高速旋转密封装置失效分析研究 J.现代机械，2017（4）：13-15.5 成大先.机械设计手册：联接与紧固 M.北京：化学工业出版社，2004.图 4 涨圈固定示意图涨圈活门板保险丝