基于气动反馈式电信号控制装置的设计

梁 秦 卢 猛 周明阳

（凯迈（洛阳）气源有限公司，洛阳471003）

引言

目前航天航空用高压气源装置，多为远程电动控制开瓶。为了实现监测气源装置已经开瓶工作功能，在气源装置的电动开瓶结构上进行电信号反馈设计。该设计虽然能够提供电信号反馈，但只监测了开瓶结构是否工作，而不是气源装置是否开瓶供气。

基于此，本文设计了一种基于气动反馈式电信号控制装置。利用气源装置开瓶供气后的气体作用在装置上，实现电信号反馈，从而更准确的判断气源装置的工作状态。

1 设计方案

1.1 技术参数

①工作压力：51MPa（常温）；②电阻：不大于1Ω；③工作后检测绝缘电阻：不小于1MΩ/100V；④工作电压：28.5±3V DC。

1.2 电路设计

设计如图1所示的电路，当装置未工作时，电路上的灯常亮。当装置工作后，电路上的灯熄灭。通过灯的常亮/熄灭，可以直观的观察、了解装置是否工作，从而判断气源装置是否已开瓶供气。

图1 电路图

1.3 结构设计

根据图1所示电路图，该装置主要实现通断功能。基于此，设计了如图2所示的结构图，由导线、活塞、堵头、销子、密封圈等组成。当气源装置开瓶工作后，气体作用在该装置内的活塞上，使活塞快速移动，从而使穿过活塞的导线被剪断，导线由通路变断路，从而实现电信号反馈功能。

2 理论设计过程

2.1 导线的选用

选用镀银铜芯氟塑料绕包金属屏蔽安装电线AFR-250-0.5，能够承受500V的直流电压，满足工作电压28.5±3V DC的要求。结合装置的使用特点，导线的设计长度为1m，通过计算其电阻值为0.036Ω，满足不大于1Ω的要求。

图2 结构示意图

电线基本性能：①横截面积：0.5mm2；②绝缘电阻：0.25mm；③电线外径：1.45mm；④额定电压：600V；⑤铜芯极限拉伸强度：450MPa；⑥抗剪切强度：150MPa；⑦20℃时导体直流电阻：36Ω/km，⑧工作温度：（-60～+250）℃。

2.2 绝缘性

活塞、衬套的材料选用聚砜S-180[1]。该材料具有良好的绝缘性和较高的强度，其弯曲强度118MPa、拉伸强度19MPa、体积电阻率1×1014Ω·m、表面电阻率1×1016Ω·m。通过绝缘电阻计算公式得出绝缘电阻为0.382×1011MΩ。

2.3 导线所受剪切力

导线受到的剪切应力τ为作用到活塞上的力F与导线的剪切截面积S之比，通过计算得出F为1852.167N、S为0.0725mm2、τ为25547.13MPa。该剪切应力远大于导线的抗剪切强度（150MPa），故该装置能够可靠的将导线剪断。

2.4 壳体安全性设计

壳体是装置的主要承压零件，决定着装置的耐压安全性。壳体材料宜选用力学性能和耐候性更好的马氏体沉淀不锈钢，其最薄弱的地方为安装堵头处的退刀槽。按照安全系数计算公式得出壳体安全系数为7.39。一般安全系数应≥2.5，可见壳体对于耐压值有足够的安全系数，满足使用安全性。

2.5 通断及密封性设计

将导线处于紧绷、固定状态，然后在导线与壳体之间填充结构胶，使导线锁紧；

活塞与衬套之间使用过渡配合，且在活塞与衬套横穿导线的孔结构处保留尖角；

活塞与壳体之间通过密封圈进行密封，同时对活塞的移动距离进行限制，使得活塞移动后其密封圈不会到达导线穿孔位置，保证密封圈的密封功能不失效；

在活塞后端的堵头上开有气孔，使活塞的后端空间与大气环境连接，当活塞受气压时，能够顺利的后移；

在衬套上安装有滤网，主要用于防止大气环境的微小颗粒、异物通过堵头上的气孔进行装置内部，影响装置性能。

3 试制、试验验证

3.1 试制

严格按照图纸要求和加工工艺规程，对装置的零件进行加工，再按照装配工艺规程要求进行装配。

3.2 试验验证

按照电路图连接电路，此时电路中的灯处于常亮状态；

向装置提供51MPa气体，此时装置应能正常工作，电路中的灯会瞬间处于熄灭状态；

将工作后的装置放入盛有酒精的烧杯中观察5min，装置的各接口应无气泡产生；

用100V的兆欧表检测导线与壳体之间的绝缘电阻，应不小于1MΩ。

按照以上要求进行试验后，装置能够顺利的完成通断功能，并且工作后装置未出现漏气现象，绝缘电阻无穷大，满足要求。

以上试验验证基于高压状态，未验证在低压状态时装置是否满足通断功能。故对装置进行了气压1MPa的验证，通气后导线仍能被顺利的被剪断，气密性良好，绝缘电阻满足要求。

4 结论

通过对该装置的结构设计和试验验证，发现其功能性能满足使用要求。该装置的成功试制，不仅为基于气动反馈式电信号控制装置积攒了设计、生产、工艺经验，而且使用在航天航空用远程控制开瓶的气源装置上后，可以进一步提高了气源装置的安全性、可靠性。