高压气体充气嘴的设计研制

韩新苗，韦贯举，杨绪钊，曹建玲，马晓琛

（北京精密机电控制设备研究所，北京，100076）

高压气体充气嘴的设计研制

韩新苗，韦贯举，杨绪钊，曹建玲，马晓琛

（北京精密机电控制设备研究所，北京，100076）

高压气体充气嘴为某固体运载火箭伺服产品的高压氦气源进行充气或者补气，高压氦气源的额定压力为60 MPa，需配套地面增压设备对伺服能源进行充气和补气，而由于地面设备特殊的增压方式无法使用现有的充气嘴，需要新研制一种充气嘴实现对氦气源进行充气。

高压气体充气嘴；结构；可靠性

0 引 言

某固体运载火箭 I级伺服系统采用高压气体挤压式伺服系统技术。挤压式伺服系统[1]采用60 MPa超高压氦气作为初级能源，配套有专用地面设备用于对挤压式能源进行充气和补气，而由于地面设备特殊的增压方式无法使用现有的充气嘴，需要研制一种高压充气嘴，新研制的充气嘴能够与地面设备配套使用，当地面设备的气动增压泵[2]活塞向前运动时，充气嘴打开，高压气体进入 I级伺服氦气瓶中，当地面设备的气动增压泵活塞返回时充气嘴关闭，使 I级伺服氦气瓶中的气体封闭，氦气瓶的压力保持不变。地面设备的气动增压泵活塞反复运动，充气嘴反复开启、关闭。

充气嘴是某固体运载火箭伺服系统中重要的元件，不仅要求能够实现为I级伺服氦气瓶充60 MPa的高压氦气，而且要求充气完毕后密封良好，I级伺服氦气瓶无压力下降现象。

1 工作原理

高压气体充气嘴[3]的原理是：充气嘴壳体通过螺纹与高压气瓶连接，右侧通过外套螺帽、接管嘴及高压气管连接到双作用气驱高压气体增压泵，由增压泵提供高压气体。在正常工作时，高压气体由壳体进入，在单向阀芯前后腔形成压力差，并且此压力大于弹簧的预压缩力后，高压气体推动单向阀芯向后移动，气体通过单向阀芯、单向阀支座进入 I级伺服氦气瓶。为30 L容积氦气瓶充60 MPa的气体，充气嘴平均开启频率为0.5次/s，需要工作2 h，完成3 600次开启。在试验中，能够听到单向阀芯平稳开启及关闭的声音，充气完毕后关闭双作用气驱高压气体增压泵，充气嘴阀芯前端的压力小于后端的压力时，在弹簧的作用下单向阀芯复位，充气嘴关闭，实现 I级伺服氦气瓶的气体密封。高压气体充气嘴的结构见图1。

图1 高压气体充气嘴结构

2 结构设计

2.1 通径设计

高压气体充气嘴给某固体运载火箭 I级伺服系统进行充气时，需与地面设备配套使用，而由于地面设备的气动增压泵增压方式的特殊性，同时氦气的额定压力为60 MPa，这两个条件决定了高压气体充气嘴应该设计较小的通径，不然充气时 I级伺服氦气源温度升高过快，容易引起爆炸，安全性降低。

高压气体充气嘴的单向阀芯的通径见图2。

图2 单向阀芯节流孔

根据图2结构，计算单向阀芯的节流孔直径，公式如下：

式中 b为充气嘴阀芯扁边长度；ψ为充气嘴阀芯扁边半锥角；m为充气嘴壳体孔径；n为充气嘴阀芯扁边到另一侧圆边的距离；S为充气嘴节流面积；d为充气嘴节流孔直径。用上述公式可计算出节流孔[4]直径为1.2 mm。

2.2 密封方式设计

高压气体充气嘴结构方案的关键技术为密封性，充气完毕后能够保证密封性好，指标要求外泄漏率不应大于 1×10-5(Pa﹒m3)/s。从开始设计到最后确定方案，充气嘴经过金属锥面密封、球头密封、软密封 3个阶段，每个阶段均进行了密封性试验考核，通过试验得出最佳方案为软密封结构。

软密封结构是采用阀芯压胶[5]的方式，现在阀芯压胶技术已成熟化、可靠化，能够保证单向阀芯压胶槽中的密封件在充气过程中不会发生脱落及漏气的现象。高压气体充气嘴依靠弹簧的作用力使单向阀芯压紧在充气嘴壳体的锥形密封面上，这时非金属锥面与金属锥面压紧配合，从而保证无气体从非金属锥面与金属锥面接触面处漏出。

2.3 可靠性设计

高压气体充气嘴为 30 L的 I级伺服氦气瓶充60 MPa的气体，充气嘴平均开启频率为0.5次/s，完成3 600次开启需要工作2 h。所以高压气体充气嘴的可靠性设计[6]非常重要。

为保证高压气体充气嘴频繁往复运动的可靠性，将阀芯零件上设置导向结构。单向阀芯前端为一细杆，在圆柱杆上均匀加工3个扁边，3个扁边的2大作用为：a）保证气体从圆柱杆周围通过，3个扁边起到节流孔的作用，使气体从此处通过时不会迅速升温，保证试验设备及人员的安全；b）保证单向阀芯在运动过程中有很好的导向作用，使单向阀芯在开启过程中平稳移动，保证不会发生倾斜、弯曲及脱落，不会产生侧向力而使阀芯卡死的现象，具有较高的可靠性。

单向阀芯与左侧的单向阀支座之间的有效间隙设计为1.5 mm，当单向阀芯在高压气体及弹簧力的作用下向右移动时最大位移量为1.5 mm，这时单向阀芯右侧杆仍有3.5 mm长在壳体孔中，保证单向阀芯的平稳性及导向性。

为验证结构设计的合理性和可靠性，高压气体充气嘴产品进行了可靠性增长试验[7]，要求充气嘴在规定的寿命内，应能：

a）充气嘴启闭次数不少于20万次；

b）累计工作时间不少于100 h。

高压气体充气嘴以 0.3～0.67 次/s的频率进行了20万次启闭试验，每1 000次用氦质谱仪器检测一下充气嘴阀芯前端的外漏率，各项指标性能正常，反向密封性良好，无泄漏。而且将高压气体充气嘴装配至I级伺服系统中已成功完成了多次充气、放气试验，每次试验性能均稳定，说明产品的可靠性较高。

3 仿真分析

高压气体充气嘴为安全性、可靠性考虑设计成具有节流作用的结构，如果节流孔设计不合理，将影响I级伺服系统的工作效率及各伺服产品的寿命，故现用ANSYS软件[8]对高压气体充气嘴结构进行气场仿真，验证结构的合理性。

现用 ANSYS软件[8]对高压气体充气嘴结构进行气场仿真，验证结构的合理性。

将高压气体充气嘴三维模型导入ANSYS软件中，进行网格划分，网格划分见图3。

图3 网格划分

在高压气体充气嘴单向阀芯前腔施加 60 MPa的压力，三维压力分布详见图4。

图4 压力分布

通过仿真分析，高压气体充气嘴在额定压力为60 MPa的情况下，单向阀芯开启前后的压力损失为0.38 MPa，满足伺服机构的需要。

为验证仿真结果，高压气体充气嘴进行了压力损失测试试验，在单向阀芯前后腔分别安装一个压力表，当高压气体充气嘴在额定压力为60 MPa开启时，计算两个压力表的压力差值，通过试验得到压力差值范围为0.3～0.47 MPa，与仿真结果基本吻合，说明高压气体充气嘴结构具有合理性。

4 结 论

本文从工作原理、产品结构、密封方式、可靠性方面对高压气体充气嘴进行阐述，产品结构简单，安装方便，方案可靠，已成功运用到某运载火箭伺服系统，在飞行试验中得到了有效验证。

[1]李俊岩, 等. 挤压式伺服系统参数设计与优化方法[J]. 导弹与航天运载技术, 2016 (增刊2): 59-61

[2]董飞, 等. 气动增压泵的设计[J]. 机械科学与技术, 2008, 27(01): 23-27.

[3]中国国家标准化管理委员会. GB/T30210-2013 飞机高压气体空气阀[S].北京: 中国标准出版社, 2014.

[4]张宝峰. 多级节流孔板的设计计算[J]. 陕西电力, 2005, 33(05): 27-28.

[5]姜潮, 等. 充气阀阀芯直接模压成型工艺研究[J]. 火箭推进, 2006, 32(1): 45-47.

[6]谢少峰, 等. 可靠性设计[M]. 北京: 中国工信出版集团, 2015.

[7]曾天翔. 可靠性增长试验[M]. 北京: 国防工业出版社, 2003.

[8]凌桂龙, 等. ANSYS Workbench 13.0从入门到精通[M]. 北京: 清华大学出版社, 2012.

Design and Development of the High Pressure Gas Charging Valve

Han Xin-miao, Wei Guan-ju, Yang Xu-zhao, Cao Jian-ling, Ma Xiao-chen
(Beijing Research Institute of Precise Mechanical and Electronic Control Equipment, Beijing, 100076)

The high pressure gas charging valve is used to aerate for the high pressure helium gas energy of solid launch vehicle servo-operated products, the rated pressure of which reach to 60 MPa , and the ground supercharging equipment should be adapted when aerating for servo energy. A new type charging valve needs to be developed.

High pressure gas charging valve; Structure; Reliability

V228.7

A

1004-7182(2017)01-0056-03

10.7654/j.issn.1004-7182.20170114

2016-01-15；

2016-05-17；数字出版时间：2017-01-06；数字出版网址：www.cnki.net

韩新苗（1981-），女，工程师，主要研究方向为气动元件设计