基于氣動反饋式電信號控制裝置的設計

梁 秦 盧 猛 周明陽

（凱邁（洛陽）氣源有限公司，洛陽471003）

引言

目前航天航空用高壓氣源裝置，多為遠程電動控制開瓶。為了實現監測氣源裝置已經開瓶工作功能，在氣源裝置的電動開瓶結構上進行電信號反饋設計。該設計雖然能夠提供電信號反饋，但只監測了開瓶結構是否工作，而不是氣源裝置是否開瓶供氣。

基于此，本文設計了一種基于氣動反饋式電信號控制裝置。利用氣源裝置開瓶供氣后的氣體作用在裝置上，實現電信號反饋，從而更準確的判斷氣源裝置的工作狀態。

1 設計方案

1.1 技術參數

①工作壓力：51MPa（常溫）；②電阻：不大于1Ω；③工作后檢測絕緣電阻：不小于1MΩ/100V；④工作電壓：28.5±3V DC。

1.2 電路設計

設計如圖1所示的電路，當裝置未工作時，電路上的燈常亮。當裝置工作后，電路上的燈熄滅。通過燈的常亮/熄滅，可以直觀的觀察、了解裝置是否工作，從而判斷氣源裝置是否已開瓶供氣。

圖1 電路圖

1.3 結構設計

根據圖1所示電路圖，該裝置主要實現通斷功能。基于此，設計了如圖2所示的結構圖，由導線、活塞、堵頭、銷子、密封圈等組成。當氣源裝置開瓶工作后，氣體作用在該裝置內的活塞上，使活塞快速移動，從而使穿過活塞的導線被剪斷，導線由通路變斷路，從而實現電信號反饋功能。

2 理論設計過程

2.1 導線的選用

選用鍍銀銅芯氟塑料繞包金屬屏蔽安裝電線AFR-250-0.5，能夠承受500V的直流電壓，滿足工作電壓28.5±3V DC的要求。結合裝置的使用特點，導線的設計長度為1m，通過計算其電阻值為0.036Ω，滿足不大于1Ω的要求。

圖2 結構示意圖

電線基本性能：①橫截面積：0.5mm2；②絕緣電阻：0.25mm；③電線外徑：1.45mm；④額定電壓：600V；⑤銅芯極限拉伸強度：450MPa；⑥抗剪切強度：150MPa；⑦20℃時導體直流電阻：36Ω/km，⑧工作溫度：（-60～+250）℃。

2.2 絕緣性

活塞、襯套的材料選用聚砜S-180[1]。該材料具有良好的絕緣性和較高的強度，其彎曲強度118MPa、拉伸強度19MPa、體積電阻率1×1014Ω·m、表面電阻率1×1016Ω·m。通過絕緣電阻計算公式得出絕緣電阻為0.382×1011MΩ。

2.3 導線所受剪切力

導線受到的剪切應力τ為作用到活塞上的力F與導線的剪切截面積S之比，通過計算得出F為1852.167N、S為0.0725mm2、τ為25547.13MPa。該剪切應力遠大于導線的抗剪切強度（150MPa），故該裝置能夠可靠的將導線剪斷。

2.4 殼體安全性設計

殼體是裝置的主要承壓零件，決定著裝置的耐壓安全性。殼體材料宜選用力學性能和耐候性更好的馬氏體沉淀不銹鋼，其最薄弱的地方為安裝堵頭處的退刀槽。按照安全系數計算公式得出殼體安全系數為7.39。一般安全系數應≥2.5，可見殼體對于耐壓值有足夠的安全系數，滿足使用安全性。

2.5 通斷及密封性設計

將導線處于緊繃、固定狀態，然后在導線與殼體之間填充結構膠，使導線鎖緊；

活塞與襯套之間使用過渡配合，且在活塞與襯套橫穿導線的孔結構處保留尖角；

活塞與殼體之間通過密封圈進行密封，同時對活塞的移動距離進行限制，使得活塞移動后其密封圈不會到達導線穿孔位置，保證密封圈的密封功能不失效；

在活塞后端的堵頭上開有氣孔，使活塞的后端空間與大氣環境連接，當活塞受氣壓時，能夠順利的后移；

在襯套上安裝有濾網，主要用于防止大氣環境的微小顆粒、異物通過堵頭上的氣孔進行裝置內部，影響裝置性能。

3 試制、試驗驗證

3.1 試制

嚴格按照圖紙要求和加工工藝規程，對裝置的零件進行加工，再按照裝配工藝規程要求進行裝配。

3.2 試驗驗證

按照電路圖連接電路，此時電路中的燈處于常亮狀態；

向裝置提供51MPa氣體，此時裝置應能正常工作，電路中的燈會瞬間處于熄滅狀態；

將工作后的裝置放入盛有酒精的燒杯中觀察5min，裝置的各接口應無氣泡產生；

用100V的兆歐表檢測導線與殼體之間的絕緣電阻，應不小于1MΩ。

按照以上要求進行試驗后，裝置能夠順利的完成通斷功能，并且工作后裝置未出現漏氣現象，絕緣電阻無窮大，滿足要求。

以上試驗驗證基于高壓狀態，未驗證在低壓狀態時裝置是否滿足通斷功能。故對裝置進行了氣壓1MPa的驗證，通氣后導線仍能被順利的被剪斷，氣密性良好，絕緣電阻滿足要求。

4 結論

通過對該裝置的結構設計和試驗驗證，發現其功能性能滿足使用要求。該裝置的成功試制，不僅為基于氣動反饋式電信號控制裝置積攢了設計、生產、工藝經驗，而且使用在航天航空用遠程控制開瓶的氣源裝置上后，可以進一步提高了氣源裝置的安全性、可靠性。