1、超低溫截止閥密封面改進(jìn)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(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上的低溫截止閥,針對(duì)正在使用過(guò)程中出現(xiàn)閥門無(wú)法動(dòng)作的問(wèn)題,進(jìn)行了故障合析,通過(guò)改進(jìn)結(jié)構(gòu),使閥門正常運(yùn)行于試驗(yàn)系統(tǒng)中。
可通過(guò)閥桿既旋轉(zhuǎn)又升降的原理，達(dá)到閥門的開(kāi)啟或截?cái)啵⒋_保閥門的密封和上密封功能。由于該結(jié)構(gòu)特殊的運(yùn)動(dòng)原理，也造成對(duì)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(duì)滑移的摩擦）。實(shí)踐證明，閥門的上密封往往只啟閉幾次，就因?yàn)槊芊飧遍g的擦傷而引起泄漏。擦傷輕微的需拆開(kāi)修復(fù)，擦傷嚴(yán)重的均因損壞而報(bào)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(wèn)題對(duì)閥門上密封的結(jié)構(gòu)和材料做了試驗(yàn)和改進(jìn)。
將閥桿的上密封部位移動(dòng)到閥瓣上（目的是在受力過(guò)程中，使閥瓣上的上密封面相對(duì)閥蓋上的上密封面處于靜止無(wú)滑移狀態(tài)）。此改進(jìn)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(fù)雜，性價(jià)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?yàn)樗咎⒑辖鸪杀咎撸硪环矫嬗捎陂y桿基本材料為 13Cr 馬氏體不銹鋼，可焊性差，堆焊時(shí)須焊前預(yù)熱，焊后保溫和焊接工藝復(fù)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(jià)比也不好。
實(shí)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(jìn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
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(lái)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(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上的低溫截止閥,針對(duì)在使用過(guò)程中出現(xiàn)閥門無(wú)法動(dòng)作的問(wèn)題,進(jìn)行了故障分析,通過(guò)改進(jìn)結(jié)構(gòu),使閥門正常運(yùn)行于試驗(yàn)系統(tǒng)中。
1、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
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(dòng)方式氣動(dòng)(氣缸雙向通氣) 操作氣源氮?dú)?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(shí)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(dòng)方式氣動(dòng)(氣缸雙背通氣)
操作氣源氮?dú)?5±012MPa
銜接方式法蘭式
2.2、超低溫截止閥密封面改進(jìn)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(shí)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(jìn)設(shè)計(jì)
3.1、材料選用
航天火箭用低溫推進(jìn)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(dǎo)熱性。目前,運(yùn)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(huì)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(fù)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(dǎo)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(shè)計(jì)時(shí),閥座采用較軟的材料———不銹鋼,閥瓣采用較軟的材料———銅,當(dāng)?shù)蜏叵聤W氏體發(fā)生相變時(shí),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(bǔ)償由于熱應(yīng)力和組織應(yīng)力引起的材料變形,解決了高壓低溫工況下的密封性問(wèn)題。
3.3、絕熱結(jié)構(gòu)
為較好地實(shí)現(xiàn)低溫截止閥的絕熱,將閥掀設(shè)計(jì)成細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu),減長(zhǎng)熱橋,防止因填料函部合過(guò)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(shí)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(jìn)故障合析
低溫截止閥應(yīng)用于試驗(yàn)系統(tǒng)后,出現(xiàn)了無(wú)法動(dòng)作的故障。正在對(duì)當(dāng)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(duì)稱地位處有兩處較深的劃痕,與之相配的閥掀下法蘭相應(yīng)地位上也有兩處劃痕。經(jīng)過(guò)合析,引起故障的原因有兩方面。
(1)存儲(chǔ)期
閥門存放期間水平放置并處于開(kāi)啟狀態(tài),閥桿與閥瓣形成懸臂梁結(jié)構(gòu),懸臂長(zhǎng)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(shè)計(jì)中異軸度大偏差為0.1mm,拆除后實(shí)測(cè)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(wú)法進(jìn)行潤(rùn)澀,動(dòng)作時(shí)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(méi)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(dǎo)致下閥桿和閥掀產(chǎn)生干涉。 
5、超低溫截止閥密封面改進(jìn)改進(jìn)
針對(duì)合析中存正在的問(wèn)題,對(duì)低溫截止閥結(jié)構(gòu)做了改進(jìn)。
(1)閥桿與閥掀配合部合正在下閥桿<51mm處壓進(jìn)一個(gè)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(yīng)處采用間隙配合(H8/f7),既保證了配合件具有較小的動(dòng)摩擦力,又起到了導(dǎo)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(dāng)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(duì)其密封和啟閉性能不會(huì)產(chǎn)生影響。為了避免由于銷釘和銷釘槽配合不當(dāng)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(jìn)結(jié)語(yǔ)
改進(jìn)后的截止閥正在實(shí)際使用中動(dòng)作性能良好。一般情況下,低溫閥門運(yùn)動(dòng)副正在間隙適當(dāng)時(shí),可以采用不銹鋼,但是長(zhǎng)期使用正在有側(cè)背力或者軸變形工況時(shí)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(zhǎng)期不用時(shí),應(yīng)使閥門處于關(guān)閉狀態(tài)。
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