超低温气动阀门驱动机构及其防卡滞技术研究

超低温气动阀门驱动机构及其防卡滞技术研究

郑瑞建、张彬伟、杨德钱

1.2浙江鼎锋流体自控设备有限公司 浙江温州 325000； 3浙江永盛科技股份有限公司  浙江杭州 310000

摘要：本文主要阐述了超低温气动阀门驱动机构设计技术，其中包括常见超低温气动阀门驱动机构、氢氧发动机气动驱动机构，同时说明超低温气动阀门驱动防卡滞技术要点，其中包括奥氏体不锈钢材料深冷处理技术、科学选配导向间隙等。

关键词：超低温气动阀门；驱动机构；其防卡滞技术

引言：超低温气动阀门驱动机构及其防卡滞技术，属于低温火箭机动阀门重要技术。加强驱动机构设计水平防止阀门卡滞，是超低温气动阀门设计的关键。因此，要采取有效措施，避免阀门产生卡滞等问题产生，为其提供相应保障。

1超低温气动阀门驱动机构设计技术

1.1常见超低温气动阀门驱动机构

对于超低气动控制的阀门而言，各种结构的阀门在驱动机构的设计方面，均与其他结构的阀门存在较大差异。蝶阀和球阀的开、关，主要是依托碟盘、球体进行旋转运动，其驱动结构主要是由旋转运动组成，如曲柄连杆、齿轮齿条等构件。此外，其他各类阀门的驱动结构，通常呈直线运动形式，其驱动机构和蝶阀、球阀不同。据此可知，驱动机构往往会被认作为复直线运动力部件，如活塞、波纹管等。驱动机构的部件在空气动力的推动下，能有效地发挥阀门开启、关闭以及温度的调整等作用，最终来实现对发动机各介质流量的控制。现阶段适合于超低温气动阀门的驱动结构，根据其结构特点，我们能将其分类划分为三种，分别是膜片式驱动机构、汽缸型驱动结构、波纹管等多种驱动装置型机构。其中膜片式驱动结构主要包括薄膜气缸、膜片、弹簧、活塞杆等。汽缸型驱动结构由推拉杆、传动机构、活塞以及密封圈构成。波纹管式的驱动结构主要包括推拉杆、连接件、波纹管及传动机构等部分^[1]。

1.2氢氧发动机气动驱动机构

超低温固氢液体火箭发动机空气阀门的驱动部件，目前己逐渐采用波纹管组件，该组件在氢液氧火箭发动机阀门构造中，已得了到广泛地应用。波纹带导管气动材料驱动阀门技术，现已逐渐成为液体氢氧介质阀门开发设计，以及生产研制技术中的重点。常见的氢氧发动机，通常会采用气动控制动力系统。气瓶存储的氦气，在经过气瓶内部的减压阀减压后，会经过控制气路电磁阀，最终流向被控阀门的控制腔，驱动阀门的动作机构即能实现阀门开启、关闭和调节目标。随着时间的推移，波纹管气动驱动在火箭发动机阀门设计中的应用，已从8种逐渐增加到28种，其数量和各种类的应用急剧递增，该结构已在火箭发动机阀门中占据重要位置。根据液氢、液氧火箭发动机阀研究数据可知，波纹管作为启动驱动结构，能充分发挥保低温、高压等作用，属于发动机阀门设计中的重要技术^[2]。

2超低温气动阀门驱动防卡滞技术要点

2.1运动副表面改性

阀门运动过程中，若两个固体表面在接触时表面凹凸不平，就会在相对滑动和荷载的作用下，导致接触点出现剪切和塑性变形现象，摩擦表面温度逐渐升高，表层金属逐渐融化，致使接触点出现焊合，逐步形成黏着－剪短－再黏着－再剪断的循环过程，最终出现黏着磨损。接触位置随着外力逐步增加，其接触面积也会逐渐扩大。站在微观角度理解，就是较高的接触应力所造成运动副表面互相嵌入，对表面膜体造成恶劣影响，致使金属接触部分逐步形成分子，以相互吸引为条件进行黏着，在运动过程中撕开，并在撕开时出现分子转移。运动副相对滑动运动时，要将黏着构成的接触面予以剪开，该类剪断力其实就是摩擦力，凸起部分断裂就是磨损。阀门运动副设计时，要按照实际情况科学选择材料，运动副的导向面若为同类材料，就会导致在往复运动时，出现摩擦引发烧结出现卡死问题，因此要科学选择材料。材料无法及时更换时，要在表面增加Ti+N离子或喷涂氮化钛等，以此实现表面改性，优化材料表面力学性能，强化其硬度降低摩擦系数。2.2科学选配导向间隙

高压低温大流量阀门所用的波纹管组件，其导向运动行程相对较长，主要采用的是并联结构、波纹管串联结构导向设计。倘若导向结构设计缺乏科学性，致使运动导向长度不合理，或配合间隙选取出现偏差，均会导致波纹管在运动时产生磨损，引发卡死和卡滞等问题。导向间隙过大，会降低结构运用导向作用的效果，使运动部位出现偏差。尤其要注意大尺寸阀门，其偏斜量会跟随尺寸变化逐步增加，产生卡滞故障等问题。倘若导向间隙距离过小，就会降低部件之间的协调性，通过各部件间的频繁摩擦，致使密封表面出现磨痕。随着摩擦的严重程度逐渐增加，金属密封烧死、卡死等故障会频繁出现，为此要充分考虑导向间隙对部件造成的影响，科学选配导向间隙。

2.3奥氏体不锈钢材料深冷处理技术

奥氏体在不锈钢材料中的相对含量会受合金元素影响，其中到奥氏体逐渐扩大，主要是由Ni、Mn、C、N元素所导致，致使奥氏体出现不稳定现象。在不锈钢材料中增添Nb、Ti、Ta等元素，能有效加强材料的稳定性，含有该种元素的不锈钢通常被称为稳定化不锈钢。针对未增添稳定剂的不锈钢，其材料所蕴含的y成分属于亚稳定。亚稳定不锈钢在冷却直至超低温状态时，会发生马氏体转变。该转变会因体积发生变化，对材料的尺寸精度造成恶劣影响，所以材料尺寸的变化主要与不稳定奥氏体含量有关。超低温阀门属于精细化机构产品，该类结构产品对零件尺寸精准度要求较高。低温环境下，通常会选用Cr-Ni奥氏体不锈钢材料，该类材料在低温环境下会向马氏体的金相转变，导致体积扩增零件变形。若温差过大，还会导致零件收缩不均出现温度应力，降低零件尺寸的精准性，影响阀门的灵活性和可靠性。深冷处理方法主要是指，将奥氏体不锈钢浸泡在冷却剂中予以冷却，使其出现马氏体转变。材料通过采用深冷处理，会使金属相变、温差变形等现象产生，以实现稳定组织结构的目标，然后在经过后续加工，确保零件尺寸的精密性充分提高。因此，采用深冷处理能有效加强阀门的综合低温性能。若要采用该技术，需在零件加工前实施。该处理技术的冷却介质，主要为液氮、液氦等。

总结：综上所述，驱动设计及其防卡滞技术是阀门设计的关键技术，能有效加强驱动机构运动可靠性，减少构件摩擦现象。要科学选配导向间隙，确保导向间隙能保持在正常范围，避免波纹管在运动过程中出现磨损，降低构件质量与安全性。

参考文献：

[1]姜雅周,王新军,刘世浩.超低温阀门的结构优化设计研究[J].科技经济导刊,2019,000(017):P.85-85.

[2]汤致华.液压系统圆柱式滑阀卡滞原因及预防[J].内燃机与配件,2019,000(008):140-141.