一种天线罩使用低压弹簧式安全阀的设计

孟祥军，李文峰，张晓菲，刘溢

（北京航天计量测试技术研究所，北京100076）

1 引言

天线罩需要一种低压安全阀。在存储时，可以保持天线罩的气密性；在飞行时，当天线罩内压力超过开启压力时，安全阀开启，保持天线罩内的压力在安全值内。天线罩空间较小，开启压力低，现有安全阀无法达到使用要求。安全阀从作用原理上主要分为爆破片、弹簧式安全阀、先导安全阀和电子安全阀等[1]。弹簧式安全阀具有结构紧凑、动作灵敏、对振动不敏感和调节方便[2]等特点，弹簧式安全阀符合天线罩的需求。

2 技术指标

环境参数包括：（1）贮存温度：-40～50℃，飞行温度：-40～200℃；（2）密封腔外压力：0～0.101MPa；（3）加速度不大于10g。

性能技术指标包括：（1）外形尺寸直径不大于20mm，长度不大于40mm；（2）开启压力（50±5）kPa，密封压力（25±3）kPa；（3）通径不小于5mm。

3 方案设计

弹簧式安全阀的结构主要分为安全阀座、密封圈、安全阀芯、弹簧、安全阀底座、螺钉与弹垫，如图1所示。

入口压力Pi与出口压力Po压差不大于Pk时，即Pi-Po≤Pk，阀芯在弹簧压力的作用下保持关闭，使安全阀出入口保持密封；当Pi-Po=Pk，阀芯在气体压力和弹簧力的作用下缓慢开启，当压差达到Pi-Po=Pkmax时，安全阀完全开启，通径达到最大值，此时随着密封腔气体逐渐排出，出入口压差逐渐变小，安全阀芯慢慢关闭，当压差降到密封压力Pi-Po=Pmin时，阀芯完全关闭。

图1弹簧式安全阀结构示意图

3.1 力学模型

3.1.1 力平衡分析

式中，FT为弹簧弹力，N；FP为密封腔内部对阀芯密封面的压力，N；G为阀芯重力，N；m为阀芯质量，kg；a0为安全阀在飞行过程中的加速度在飞行方向上的分加速度，m/s2。

式中，a为安全阀在飞行过程中的加速度，m/s2；θ为安全阀在飞行过程中的加速度方向与飞行方向的夹角。

3.1.2 气体压力分析

式中，P为密封腔内的气体压强，0.1MPa；S为密封面受力面积，m2。式中，D为密封面直径，m。

3.1.3 综合受力分析由式（1）～式（4）得安全阀开启时的弹簧弹力为：

3.2 弹簧的设计

由公式（5）得安全阀开启时的弹簧弹力为：

在此次安全阀设计中，为保证通径需求，密封面的直径设计为7.5mm，阀芯质量约为3g。

密封腔内的压强P为25kPa，安全阀密封时，对应的弹簧弹力FT0约为1.13N；密封腔内的压强P为46kPa，安全阀刚开启时，对应的弹簧弹力FT0约为2.06N；密封腔内的压强P为54kPa，安全阀完全开启时，对应的弹簧弹力FT1约为2.41N。

设计选定开启压力46kPa，对应的弹簧弹力FTp约为2.06N；压缩后的长度约为12.5mm，弹簧完全开启时压力54kPa，压缩后弹簧长度10.5mm，对应弹簧弹力2.41N。因此，给定弹簧自然长度为约为16mm，弹簧外径7mm，根据这些参数设计加工弹簧。

弹簧材料304，该材料的使用温度为-250～300℃，具有耐腐蚀、耐高温性，该弹簧为Ⅰ类，受变载荷作用次数在108次以上。

3.3 加速度对安全阀开启压力的影响分析

由式（1）和式（2）可知，FT=FP+G+macosθ

1）当θ角为90°或者加速度a为0时，macosθ=0，该情况下，加速度对安全阀的性能没有影响。

2）当0°≤θ<90°，此时macosθ>0，此时开启压力FP会随着加速度a0的增大而减小。表1中将静态下不同开启压力PK，a0是0～12g范围内飞行过程中，安全阀开启压力PK分别计算得出，阀芯质量3g。

表1不同静态开启压力对应不同加速度下的开启压力值

3）当90°<θ≤180°，macosθ<0，FP会随着加速度a0的增大而增大。表2中将静态下不同开启压力PK，a0是0～12g范围内飞行过程中，安全阀开启压力PK别计算得出，阀芯质量12g。

经过以上分析，静态下PK=46kPa时，当加速度不大于10g时安全阀的开启压力不小于37kPa，大于密封压力25kPa，这样在存储时能够有效防止运输过程中安全阀由于加速度的影响导致开启，PK=46kPa是符合设计指标。

表2不同静态开启压力对应不同加速度下的开启压力值

4 试验验证

依据设计生产5件安全阀，进行常温开启压力试验、常温气密试验、高低温存储试验、高低温工作试验。

1）常温开启压力试验。通过配气台给试验工装加压，从0kPa逐渐加压到55kPa，记录安全阀的状态，通过常温开启压力验证，开启压力符合设计指标，如表3所示。

表3常温开启压力试验

2）常温气密试验。产品加压到25kPa，保压3h，要求压降不大于1kPa，记录压降，通过试验验证，气密压力符合设计指标（见表3）。

3）低温储存和低温工作试验。低温-40℃，保温24h，然后进行气密和开启压力试验，通过试验验证，符合设计指标（见表3）。

4）高温储存和高温工作试验。高温50℃，保温24h，然后进行气密和开启压力试验，通过试验验证，符合设计指标（见表3）。

5）高温（200℃）工作试验。高温200℃，保温0.5h，然后进行开启压力试验，通过试验验证，符合设计指标（见表3）。

5 结论

通过以上设计分析和试验验证，该安全阀具有的特点：（1）从环境参数和性能指标能够满足使用要求；（2）该阀通过调整弹簧弹力，改变开启压力，适应不同型号天线罩对开启压力和密封压力的需求，也可以在其他对体积小、开启压力低等行业的推广使用，具有很好的军事效益和社会效益。