水击压力校准系统快关阀的研发与应用

王乃世，罗 军，张俊锋

(西安航天动力试验技术研究所，陕西 西安 710100)

0 引言

在液体火箭发动机试验入口阀启闭迅速的情况下，必然会引起管路中流体流速的急剧变化，同时会伴随着液体压力交替升降，交替升降的压力作用在管路或阀上就像锤击一样，这种液流的不稳定现象称为水击现象，交替升降的压力称为水击压力。水击压力数据是发动机结构、主阀、试验系统入口管路、试车架结构设计可靠性的主要参考依据。为了准确获得水击压力数据，首先要对测量用的水击压力传感器进行现场动态标定，为了获得真实的现场校准数据，需要设计一套能够模拟发动机试验启闭过程的校准装置。

由于水击压力现场校准装置需要产生瞬态水击压力，为了模拟真实试验状态，设计了快关阀，要求阀关闭速度满足产生预定水击压力的要求，完成水击压力现场校准。

1 设计要求

液体水击压力主要是试验时入口隔离电爆阀快速开启和关闭情况下产生的，根据电爆阀性能试验结构，其开关阀速度可达到7～10 ms。快关阀作为水击压力发生源系统的关键设备，要求其关闭速度能够达到电爆阀关闭速度条件，以尽量使现场试验条件与发动机试验程序一致，同时要求其结构可靠，能够实现高冲击压力下的密封。目前，市场通用阀开关速度一般在100 ms以上，难以实现本试验系统阀快速关闭要求。要使快关阀关闭速度达到5 ms或小于5 ms，必须通过特殊方式实现。

根据水击发生原理和试验过程中的变化规律，快关阀需要能够实现快速关闭，其关闭速度(从全开到全关)能够达到与电爆阀相当(≤8 ms)的要求。因此，对于快关阀研制提出以下条件：一是关阀速度满足水击压力发生和变化需求，阀设计关闭速度要求≤5 ms；二是快关阀在关闭瞬间产生最大水击压力(10 MPa)时能够可靠密封。

2 设计方案

2.1 方案选择

根据要求选用的快关阀公称直径为50 mm，阀有效行程不小于1/4D=12.5 mm，实现≤5 ms的关阀速度，阀运动尽可能简单，传动环节尽可能少。阀基本型式选择截止阀结构，采用2～5 MPa气源的气动机构驱动，采用金属材料脆性断裂装置和提高关闭初始加速度的方式提高阀关闭(从全开至全关)速度。

2.2 关键技术分析

快关阀(见图1)主要由气动机构、阀本体、脆性断裂装置及连接件等组成。其中驱动机构包括气缸、活塞及复位弹簧等。由控制气源驱动活塞向下运动，实现阀关闭，复位弹簧用于阀自动打开。阀体由阀杆、阀头、阀座及密封副等组成，完成阀密封实现介质切断。脆性断裂装置包括脆性片、冲压头和脆性片支座。冲压头与阀杆连接为一体，随阀杆运动。脆性片支座安装在阀壳体上，用于脆性片安装固定。气动机构设计时增大了活塞下方端盖气隙，使阀关闭时活塞下方空气快速排出，气动阻力较小。

阀使用时，首先安装指定规格的脆性片，然后打开控制气阀，使控制气开始填充，气腔内压力达到脆性片断裂压力后，阀突然启动，阀头与阀座闭合实现阀的快速关闭。再次试验时，关闭控制气阀，将气腔内控制气放掉，在复位弹簧恢复力作用下阀恢复打开状态。

在保证密封效果前提下，快关阀研制关键在于脆性片性能。要求脆性片在2～5 MPa控制气压力下能够按预期断裂，同时，断裂力值必须达到要求值，阀运动机构才能获得满足关闭速度要求的初始加速度。

2.3 技术途径解决方法

快关阀所用脆性片材料需保证断裂时断口整齐、均匀，断裂力值便于控制。为选择脆性片材料，对三种材料进行了压断试验，以摸索断裂力值和断裂效果。进行压断试验的装置原理如图2所示，断裂结果见表1。

图2 脆性片断裂试验装置

表1 脆性材料试验结果

由断裂试验结果可知，对硬塑料、铸铁、锡青铜三种材料的脆性片进行断裂试验，脆性材料试验结果表明，在驱动气压力调节至2 MPa时，塑料片开始出现裂纹。整个塑料片变形较大，无法达到脆性断裂的要求；铸铁片加载至4 MPa时，铸铁片开始断裂，观察断裂口发现铸铁片断裂为脆性断裂，但断口不整齐，容易造成夹料使阀无法正常关闭；锡青铜片在加载至5 MPa时出现变形但未断裂。为验证锡青铜断裂情况。加工了一组不同厚度的锡青铜片用于试验，最终在凹槽部位锡青铜片厚度为0.2 mm、操纵气压力5 MPa时实现断裂，且断口呈现为较为规则的圆环状。且不同厚度锡青铜脆性片断裂力值呈现规律性。根据以上试验结果，选择锡青铜(QSn6.5-0.1)材料为最终快关阀脆性片材料。脆性片结构如图3所示。

图3 脆性片结构

脆性片固定在支座上，为一圆环状结构，保证脆性片刚度，中部刻有环槽，使脆性片在受到冲击时便于断裂，断口更加规则。脆性片中部向一侧开有U型缺口，便于在阀杆部位安装。

材料受冲击断裂的断裂力为：

p=0.9Ltσb

(1)

式中：p为脆性片断裂力，N；L为冲裁部分周线长度，mm；t为冲断材料厚度，mm；σb为材料极限拉应力，MPa。以0.4 mm厚度脆性片尺寸进行计算，所用脆性片断裂力值约为16.7 kN。

阀驱动力为：

F=η(F0+G-pLAS)=η(pA0+Mg-pLAS)

(2)

式中：F为阀驱动力，N；F0为控制气施加在活塞上的压力，MPa；η为驱动效率，不包含摩擦阻力和气动阻力，η=0.7；M为运动机构的总质量，kg；pL为过流介质压力，MPa；A0为活塞有效面积，mm2；AS为阀密封面积，mm2。

要使脆性片发生脆性断裂，需F≥p，即阀驱动力大于材料断裂力值。根据上式进行计算，要使脆性片断裂，阀控制气压力最低为2.8 MPa。满足2～5 MPa控制气压力下完全能够实现脆性片的脆性断裂。

2.4 结果验证

将设计的脆性片用于快关阀，验证快关阀关闭时间。考虑控制气持续充填效果，利用经典牛顿公式进行迭代计算，阀在5 MPa控制气驱动条件下关闭时间为3.1 ms，由于驱动效率选择偏保守，阀关闭时间应小于3.1 ms。对阀实际关闭速度进行了多次验证试验。根据系统水击压力发生曲线可知，系统水击压力第一峰上升压力时间平均为2.4 ms，根据系统水击压力规律计算，直接水击压力上升时间为2.57 ms，此结果未包含现场条件误差。同时比较阀信号反馈数据，阀关闭时间为3.25 ms和3.47 ms，考虑信号传导和感应时间误差，认为阀实际关闭时间约为3 ms。快关阀设计满足使用要求。

3 实际应用

快关阀在水击压力现场动态校准试验过程中进行了应用，为验证实际使用效果，将某次试验数据与用快关阀产生的水击压力曲线进行比对，两次的试验状态和使用的传感器等设备基本一致。

从结果可知，某次试验水击压力上升时间为1.4 ms，两次水击压力校准曲线水击压力上升时间为1.7 ms，水击压力发生时间相当，且水击压力发生值大于发动机试验过程。根据水击计算公式，水击压力值与阀动作时间有关。快关阀关闭速度比电爆阀快，在此前提下试验结果与理论计算结果符合，快关阀关闭速度满足要求，完全可用于水击压力现场校准试验。通过调节控制气压力、更换不同剪裁厚度的脆性片进行试验，脆性片断裂效果良好，阀关闭速度均满足要求，可实现预定水击压力值发生控制，数据曲线与试验状态基本一致，达到了水击压力现场动态校准系统对快关阀的要求。

4 结论

水击压力现场动态校准系统快关阀利用金属材料脆性断裂原理进行了详细的结构设计和验证试验，成功应用于水击压力发生源，实现了≤5 ms关闭速度的要求，达到原有试验系统能力的包络范围。