火箭閥門動(dòng)作量化檢測(cè)方案設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證

孫海亮 崔景芝 周浩洋 范書群 張連萬(wàn) 王躍平

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

1 引 言

閥門是運(yùn)載火箭動(dòng)力系統(tǒng)關(guān)鍵單機(jī)，用于推進(jìn)劑的加注泄出、貯箱排氣、承壓安全、貯箱增測(cè)壓等。隨著我國(guó)宇航技術(shù)的發(fā)展，對(duì)閥門動(dòng)作檢測(cè)也提出了更高要求[1]，如何實(shí)現(xiàn)閥門動(dòng)作的量化檢測(cè)，這對(duì)閥門研制提出了極大挑戰(zhàn)。

閥芯和閥座密封副是閥門關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，只有當(dāng)閥芯密封面與閥座密封面緊密結(jié)合在一起，使介質(zhì)不能通過(guò)密封結(jié)合面間的細(xì)微管道，才能保證密封副的密封性。閥門密封性能受到密封副結(jié)構(gòu)尺寸、表面粗糙度、工作壓力和溫度等多種因素共同影響。對(duì)常溫和低溫下不同密封比壓的低溫閥門密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了啟閉密封特性試驗(yàn)[2]，得出密封比壓與閥門漏率的關(guān)系。在液氮溫區(qū)(77K)研究閥座漏率與密封比壓和工作壓力的關(guān)系[3,4]，分析了采用不同軟密封材料時(shí)閥座密封性能對(duì)壓力和溫度的穩(wěn)定性。

目前廣泛應(yīng)用的智能閥門定位器[5]是一種過(guò)程控制精密儀表。智能閥門定位器通過(guò)位置傳感器檢測(cè)閥位的具體值，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后反饋給CPU，參與控制運(yùn)算；位置傳感器的反饋精度及穩(wěn)定性直接關(guān)系到最終的控制效果。HVP型智能閥門定位器，在控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器、定位器、執(zhí)行器和變送器等構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)控制網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門的精確控制和定位[6]。全電子式智能閥門定位器，采用比例式壓電閥作為I/P轉(zhuǎn)換和氣動(dòng)放大部件，硬件電路設(shè)計(jì)突出超低功耗理念，整體布局采用優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低了硬件電路的電流總消耗[7]。一種新型閥門智能控制的電動(dòng)執(zhí)行器，將步進(jìn)電機(jī)與DSP控制應(yīng)用于智能可調(diào)節(jié)閥門執(zhí)行器，結(jié)合外圍電路形成了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的閉環(huán)有效控制[8]。智能閥門定位器可以檢測(cè)閥門在打開(kāi)情況下的閥位，并通過(guò)反饋實(shí)現(xiàn)對(duì)閥位的精確控制。但是，智能閥門定位器無(wú)法實(shí)現(xiàn)閥門在關(guān)閉情況下的位置檢測(cè)。

在閥門動(dòng)作檢測(cè)方面，一種新型閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的檢測(cè)模塊，主要進(jìn)行閥門位置檢測(cè)和行程檢測(cè)。閥門位置檢測(cè)采用高精度導(dǎo)電塑料電位器，在電位器兩端加5V直流電，在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，傳動(dòng)裝置帶動(dòng)電位器滑動(dòng)，改變電位器的電阻值，使其觸點(diǎn)輸出(0～5)V的電壓，對(duì)應(yīng)閥門的開(kāi)度[9]。閥門定位器的閥位檢測(cè)模塊的作用是將閥門位置實(shí)時(shí)地送入定位器中的微處理器，主要由閥位反饋連桿機(jī)構(gòu)、閥位檢測(cè)傳感器與閥位檢測(cè)電路組成；閥位檢測(cè)傳感器采用高精度特色電位器[10]。

目前，運(yùn)載火箭在總裝測(cè)試及出廠測(cè)試過(guò)程中對(duì)閥門進(jìn)行狀態(tài)檢查時(shí)，僅能通過(guò)氣泡檢漏法實(shí)現(xiàn)閥門漏率的離線檢測(cè)，并且需要提前對(duì)貯箱進(jìn)行充壓，檢測(cè)過(guò)程復(fù)雜、耗時(shí)很長(zhǎng)、成本高。此外，在運(yùn)載火箭飛行試驗(yàn)前極短時(shí)間內(nèi)，連接器才與閥門脫拔；且連接器脫拔后無(wú)法檢測(cè)閥門狀態(tài)，存在推進(jìn)劑泄漏風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)绊戇\(yùn)載火箭飛行成敗。某型加注閥門裝配位置信號(hào)器，用來(lái)判斷閥門是否關(guān)閉；閥芯落座后閥門關(guān)閉，位置信號(hào)器發(fā)出到位信號(hào)。該加注閥門僅能判斷閥門是否關(guān)閉到位，不能判斷閥門的關(guān)閉程度。因此，亟需開(kāi)展閥門狀態(tài)在線檢測(cè)方法的研究。為彌補(bǔ)智能閥門定位器和現(xiàn)有型號(hào)用閥門位置檢測(cè)方法的不足，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)閥門動(dòng)作的精確檢測(cè)，本文將研究閥門在承壓工況下閥芯動(dòng)作位置、閥門漏率以及密封比壓之間的關(guān)系。

2 動(dòng)作可檢測(cè)閥門檢測(cè)方案

運(yùn)載火箭用閥門普遍采用金屬閥座與非金屬閥芯的密封結(jié)構(gòu)形式，其中非金屬主要為橡膠或高分子聚合物等。傳感器能夠感受被測(cè)量參量的物理特性(溫度、壓力等)，并將它們轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電壓或電流信號(hào)輸出。應(yīng)變傳感器能夠直觀反映被測(cè)試驗(yàn)件的應(yīng)變和位移，適合用于閥門動(dòng)作精確測(cè)量。應(yīng)變傳感器測(cè)量試驗(yàn)系統(tǒng)包括氣室、應(yīng)變片、閥芯和閥座等，如圖1所示。在閥芯非金屬圓柱面粘貼應(yīng)變傳感器，測(cè)量加載密封過(guò)程中閥芯非金屬的應(yīng)變，并通過(guò)仿真計(jì)算獲得閥座處的應(yīng)力分布及密封比壓，從而獲得閥座處的應(yīng)力分布及密封比壓，通過(guò)入口的漏率測(cè)量(采用氦質(zhì)譜檢漏)，得到密封比壓與應(yīng)力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖1 應(yīng)變傳感器測(cè)量方案Fig.1 Measurement scheme of strain sensors

3 工藝件摸底試驗(yàn)

動(dòng)作精確可檢測(cè)工藝件結(jié)構(gòu)如圖2所示。將應(yīng)變傳感器粘貼在閥芯非金屬圓盤外側(cè)面(靠近閥座密封處)，閥芯非金屬工藝件直徑為Φ35mm，厚度為3.5mm，測(cè)點(diǎn)如圖3所示。在閥芯非金屬部位施加不同載荷來(lái)模擬不同的壓力，引發(fā)應(yīng)變傳感器發(fā)生形變，應(yīng)變傳感器電阻值隨之變化，通過(guò)測(cè)量電阻值的變化，經(jīng)過(guò)換算可以得到閥座非金屬部位的應(yīng)變。

(a)閥芯 (b)閥座圖2 工藝件結(jié)構(gòu)尺寸Fig.2 Structure size of the simulation

圖3 閥芯非金屬工藝件及測(cè)點(diǎn)位置Fig.3 Nonmetal simulation and the measurement position

試驗(yàn)過(guò)程中，為了消除環(huán)境溫度對(duì)試驗(yàn)的影響，在另一塊非金屬板上粘貼應(yīng)變傳感器作為溫度補(bǔ)償。在材料試驗(yàn)機(jī)上對(duì)閥座施加100N、200N和300N等不同的壓力，檢測(cè)應(yīng)變傳感器的響應(yīng)，結(jié)果如表1所示。由于應(yīng)變傳感器和閥芯非金屬工藝件連接性能不好，在試驗(yàn)過(guò)程中1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變片脫落，僅4號(hào)測(cè)點(diǎn)有效。工藝件應(yīng)變測(cè)量結(jié)果表明應(yīng)變傳感器可以敏銳感知閥芯非金屬應(yīng)變。

表1 工藝件應(yīng)變測(cè)量結(jié)果Tab.1 Measurement result of the simulation

4 驗(yàn)證試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)件設(shè)計(jì)方案

為驗(yàn)證閥門動(dòng)作精確可檢測(cè)方案的可行性，以常溫加注活門為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)閥門試驗(yàn)件原理圖如圖4所示。首先在閥芯非金屬側(cè)面粘貼應(yīng)變傳感器，將傳感器引線從閥芯骨架上小孔引出，并對(duì)小孔灌膠保證密封性能。采用滾邊收口工藝將閥芯非金屬壓入閥芯骨架，保證閥芯非金屬和閥芯骨架之間不形成泄漏通道。

1-殼體;2-閥芯;3-導(dǎo)向盤;4-彈簧;5-引線;6-接線端口圖4 動(dòng)作精確可檢測(cè)閥門試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)原理圖Fig.4 Diagram of the experiment for quantitative petection of valve action

4.2 試驗(yàn)件加工裝配

閥芯滾邊收口后對(duì)應(yīng)變片引線進(jìn)行固定，閥芯狀態(tài)如圖5所示。在殼體上打孔，將傳感器引線從孔內(nèi)穿出，并在殼體打孔處進(jìn)行涂膠密封，裝配后整閥試驗(yàn)件狀態(tài)如圖6所示。

圖5 活閥滾邊收口后狀態(tài)Fig.5 Reducing by rouing of valve plug

圖6 整閥裝配后狀態(tài)Fig.6 Valve after assembling

4.3 試驗(yàn)系統(tǒng)

動(dòng)作可檢測(cè)閥門試驗(yàn)系統(tǒng)如圖7所示，由氣源(氦氣)、配氣臺(tái)、過(guò)濾器、試驗(yàn)件、應(yīng)變測(cè)試儀和氦質(zhì)譜檢漏儀等組成。試驗(yàn)過(guò)程中，由閥門出口通入氦氣，壓力范圍0～0.7MPa，活閥非金屬應(yīng)變由應(yīng)變測(cè)試儀測(cè)量，閥門漏率由氦質(zhì)譜檢漏儀測(cè)量。通過(guò)逐漸增加出口壓力，得出閥門壓力-應(yīng)變-漏率之間的關(guān)系。

圖7 動(dòng)作可檢測(cè)閥門試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.7 Experiment of quantitative detection for valve action

4.4 試驗(yàn)結(jié)果

活閥上共粘貼4片應(yīng)變傳感器，滾邊收口時(shí)損壞1片，整閥裝配時(shí)損壞1片，實(shí)際試驗(yàn)時(shí)可用應(yīng)變片為2片，其中測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2在圓周上距離180°。測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2檢測(cè)出的應(yīng)變與承壓之間的關(guān)系如圖8所示，可以看出活閥非金屬應(yīng)變和閥門出口氣體壓力基本成比例變化；閥門出口壓力增大，閥門漏率隨之增大。應(yīng)變傳感器測(cè)量系統(tǒng)可有效檢測(cè)閥門受到外力作用(氣體壓力和彈簧壓力等)引起的活閥動(dòng)作變化。

圖8 應(yīng)變與閥門壓力關(guān)系Fig.8 Relation of valve stress and strain

建立傳感器應(yīng)變與閥門漏率數(shù)據(jù)之間的關(guān)系曲線，如圖9所示。其中，橫坐標(biāo)為傳感器應(yīng)變，縱坐標(biāo)為閥門漏率。根據(jù)橫坐標(biāo)傳感器應(yīng)變，即可得出該數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的閥門漏率，實(shí)現(xiàn)閥門動(dòng)作的精確檢測(cè)。

圖9 閥門漏率檢測(cè)結(jié)果Fig.9 Detection result of valve leakage

4.5 討論與展望

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果及傳感器性能指標(biāo)，本文設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)常規(guī)推進(jìn)劑火箭用閥門(工作溫度為233K～323K)的動(dòng)作量化檢測(cè)。目前，新型運(yùn)載火箭使用低溫?zé)o污染推進(jìn)劑，低溫閥門(工作溫度為90K)動(dòng)作檢測(cè)及狀態(tài)在線檢測(cè)對(duì)閥門研究工作提出了新的要求，主要涉及到低溫工況下信號(hào)采集和安全可靠的數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)。后續(xù)，擬研究適用于低溫工況下的傳感器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)低溫閥門動(dòng)作信號(hào)的有效采集。

此外，本試驗(yàn)采用數(shù)據(jù)線將采集到的閥門動(dòng)作信號(hào)傳輸至數(shù)采設(shè)備，數(shù)據(jù)線阻礙閥門有效動(dòng)作，并且數(shù)據(jù)線本身以及數(shù)據(jù)線和傳感器的連接存在損壞的風(fēng)險(xiǎn)，影響信號(hào)有效傳輸。后續(xù)，擬利用無(wú)線傳感技術(shù)將采集信號(hào)傳輸至數(shù)采設(shè)備，避免由于數(shù)據(jù)線損傷造成采集信號(hào)丟失，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行院涂煽啃浴?/p>

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種動(dòng)作可量化檢測(cè)閥門結(jié)構(gòu)，在閥門加工過(guò)程中將應(yīng)變傳感器預(yù)埋在閥芯非金屬中，通過(guò)引線將傳感器數(shù)據(jù)導(dǎo)出至數(shù)據(jù)采集設(shè)備。通過(guò)工藝件摸底試驗(yàn)和閥門驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明應(yīng)變傳感器可以實(shí)現(xiàn)閥門閥芯位置的精確檢測(cè)，并且應(yīng)變傳感器的應(yīng)變值定量反映了閥門出口的承壓狀態(tài)和閥門漏率。