單向閥力值與位移測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 茜

(沈陽(yáng)紫微恒檢測(cè)設(shè)備有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110144)

0 引言

單向閥是運(yùn)載火箭氣體增壓系統(tǒng)的重要單機(jī)，在增壓、引射、氣封等氣路中有著廣泛的應(yīng)用[1]。航天用單向閥主要由閥芯、殼體、連接嘴、彈簧、阻尼圈組成。其工作原理為：當(dāng)入口氣源壓力與出口壓力差大于單向閥開(kāi)啟壓力時(shí)，工作介質(zhì)由閥門入口推動(dòng)閥門克服彈簧阻力和摩擦力打開(kāi)閥芯，氣體由閥門出口流出；隨著氣源壓力的降低，入口壓力與出口壓力差小于單向閥開(kāi)啟壓力時(shí)，閥芯在彈簧力和出口壓力的作用下回位，實(shí)現(xiàn)密封[2]。

單向閥的力學(xué)性能，如閥芯的初始打開(kāi)壓力、完全打開(kāi)壓力以及期間閥芯各位置對(duì)應(yīng)的壓力關(guān)系等參數(shù)將直接影響單向閥的使用功能。為了給單向閥的設(shè)計(jì)提供更加精確的參數(shù)，同時(shí)模擬單向閥在實(shí)際中的使用情況，單向閥閥芯力學(xué)性能的測(cè)試就顯得非常必要。

本文介紹的單向閥位移與力值測(cè)試系統(tǒng)是一種適用于某種航天單向閥的閥芯力值與位移測(cè)量的試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)備。

1 單向閥力值與位移測(cè)試系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

單向閥力值與位移測(cè)試系統(tǒng)主要用于在設(shè)定的壓力或拉力下測(cè)量閥芯的行走位移量，系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)為：拉壓力的設(shè)定范圍0 N～500 N，準(zhǔn)確度±0.5 N；位移量的測(cè)試范圍0 mm～50 mm，準(zhǔn)確度±0.01 mm；測(cè)試機(jī)構(gòu)同軸度≤0.2 mm；設(shè)備外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為1 900 mm×1 100 mm×1 800 mm；設(shè)備的電壓及功率為220 VAC，1.5 kW。系統(tǒng)機(jī)械部分外殼整體采用型材焊接框架，外部包覆鈑金門體。作動(dòng)系統(tǒng)采用伺服電動(dòng)缸作為推拉動(dòng)力源，連接拉壓力傳感器用于測(cè)試閥芯的拉壓力值，配合位移傳感器用于測(cè)試閥芯的行走位移量。軟件程序基于LabVIEW平臺(tái)開(kāi)發(fā)，用戶可以根據(jù)實(shí)際情況選擇對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)步驟和功能，設(shè)定相應(yīng)的試驗(yàn)參數(shù)后，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行測(cè)試。界面可顯示當(dāng)前力值、位移、工作狀態(tài)等參數(shù)，試驗(yàn)結(jié)束后，數(shù)據(jù)結(jié)果可以儲(chǔ)存和打印。

2 單向閥力值與位移測(cè)試系統(tǒng)工作原理及組成

單向閥力值與位移測(cè)試系統(tǒng)的工作原理如圖1所示，伺服電動(dòng)缸通過(guò)調(diào)整機(jī)構(gòu)、直線光軸、連接板、拉壓力傳感器、探桿連接桿與拉壓探桿相連。調(diào)整機(jī)構(gòu)用于抵消電動(dòng)缸與拉壓機(jī)構(gòu)的裝配誤差，直線光軸用于拉壓機(jī)構(gòu)的導(dǎo)向定位，連接板用于固定其他附屬機(jī)構(gòu)，拉壓力傳感器用于測(cè)試被測(cè)試件的拉壓力，探桿連接桿用于補(bǔ)償拉壓探桿長(zhǎng)度，拉壓探桿通過(guò)單向閥連接接口深入單向閥內(nèi)部接觸被測(cè)試件閥芯，整體機(jī)構(gòu)隨伺服電動(dòng)缸缸桿的推拉進(jìn)行直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)單向閥閥芯的推拉動(dòng)作。連接板的兩端各固定一個(gè)位移傳感器，采集兩個(gè)傳感器數(shù)據(jù)的平均值作為被測(cè)試件閥芯的位移量。被測(cè)試件通過(guò)氣動(dòng)卡盤夾緊固定，氣動(dòng)卡盤采用三爪形式，自動(dòng)定心。整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)工業(yè)計(jì)算機(jī)、模擬量板卡和運(yùn)動(dòng)控制卡實(shí)現(xiàn)邏輯控制和數(shù)據(jù)采集，通過(guò)鍵盤、鼠標(biāo)和顯示器進(jìn)行人機(jī)對(duì)話。系統(tǒng)自帶多種防護(hù)裝置，包括伺服電動(dòng)缸電缸限位保護(hù)、人員操作保護(hù)光柵等。系統(tǒng)工作區(qū)域帶照明燈可手動(dòng)進(jìn)行打開(kāi)或關(guān)閉。

3 設(shè)計(jì)重點(diǎn)

在測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了使測(cè)試過(guò)程更加簡(jiǎn)單便捷、測(cè)試結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠，需要滿足以下兩點(diǎn)：①系統(tǒng)拉壓機(jī)械加工工藝和裝配工藝滿足設(shè)計(jì)圖紙的同軸度要求；②增加拉壓力傳感器和系統(tǒng)的保護(hù)緩沖機(jī)構(gòu)。

3.1 系統(tǒng)拉壓機(jī)械加工工藝和裝配工藝滿足設(shè)計(jì)圖紙的同軸度要求

為了保證整個(gè)拉壓探桿和被測(cè)試件的同軸度，采用直線光軸作為中心軸的連接方式，并且光軸套與軸套座加工工藝和裝配工藝應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求。由于直線光軸連接著拉壓力傳感器和拉壓探桿在光軸套中往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，因此光軸套的材料選用聚四氟乙烯填充的復(fù)合材料，該材料不僅能夠自潤(rùn)滑，同時(shí)也具備足夠的剛度。光軸套與直線光軸之間采用動(dòng)配合，光軸套與軸套座之間為過(guò)渡配合，這種連接方式既能保證直線光軸滑動(dòng)的直線度，也能保證與被測(cè)試件中心的同軸度[3]。執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝座示意圖如圖2所示。

圖1 單向閥力值與位移測(cè)試系統(tǒng)原理圖

1-被測(cè)試件；2-拉壓探桿；3-探桿連接件；4-拉壓力傳感器；5-軸套座；6-光軸套；7-直線光軸；8-位移傳感器；9-保護(hù)緩沖機(jī)構(gòu)；10-伺服電動(dòng)缸

3.2 增加拉壓力傳感器和系統(tǒng)的保護(hù)緩沖機(jī)構(gòu)

為了在測(cè)試過(guò)程中保護(hù)被測(cè)試件與拉壓力傳感器，在伺服電動(dòng)缸與直線光軸之間安裝一個(gè)保護(hù)緩沖機(jī)構(gòu)，如圖2所示。保護(hù)緩沖機(jī)構(gòu)主要由彈簧、推力軸和緩沖套等組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。其主要原理是：拉壓機(jī)構(gòu)與彈簧連接，推力軸一頭與伺服電動(dòng)缸連接，另一頭與彈簧相連，使推力軸在壓力方向具備一定的位移量，緩沖套通過(guò)機(jī)械限位限制了推力軸在壓力方向的最大位移量，與推力軸相連的彈簧能夠緩沖閥芯在達(dá)到其位移極限時(shí)對(duì)拉壓力傳感器和整個(gè)系統(tǒng)的力沖擊，起到一定的保護(hù)作用。

1-彈簧；2-推力軸；3-緩沖套

對(duì)于彈簧的選擇和推力軸在壓力方向位移量的確定，需要進(jìn)行嚴(yán)格的計(jì)算。

設(shè)計(jì)選用彈簧為圓形截面圓柱螺旋壓縮彈簧，端面并緊、磨平，兩端支撐圈各一圈，材料為碳素彈簧鋼絲C級(jí)彈簧。彈簧參數(shù)計(jì)算過(guò)程如下：

(1) 計(jì)算工作極限載荷Pj：

因?yàn)闄C(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)為Ⅱ類載荷，故：

Pj≥1.25Pn.

(1)

其中：Pn為最大工作載荷，初始設(shè)計(jì)參數(shù)Pn=500 N。

經(jīng)過(guò)計(jì)算得出Pj=625 N。

(2) 確定彈簧的簧絲直徑d、中徑D、內(nèi)徑D1和外徑D2，其關(guān)系如下：

D2=D+d.

(2)

D1=D-d.

(3)

表1 圓柱螺旋壓縮彈簧計(jì)算表

經(jīng)過(guò)計(jì)算得出：彈簧外徑D2=24 mm；彈簧內(nèi)徑D1=16 mm。

(3) 初算彈簧剛度P′:

(4)

其中：P1為最小工作載荷，初始設(shè)計(jì)參數(shù)P1=300 N；h為工作行程，h=4 mm。

經(jīng)過(guò)計(jì)算得出P′=50 N/mm。

(4) 計(jì)算有效圈數(shù)n:

(5)

經(jīng)過(guò)計(jì)算得出n=6.32，按照《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第3卷取標(biāo)準(zhǔn)值n=6.5。

(5) 計(jì)算理論極限工作載荷下的彈簧變形量Fj:

Fj=nfj.

(6)

經(jīng)過(guò)計(jì)算得出Fj=14.982 5≈15 mm。

(6) 計(jì)算彈簧節(jié)距t:

(7)

經(jīng)過(guò)計(jì)算得出t=6.307 6≈6.3 mm。

(7) 計(jì)算彈簧自由高度H0:

H0=nt+1.5d.

(8)

經(jīng)過(guò)計(jì)算得出H0=47 mm，取標(biāo)準(zhǔn)值H0=48 mm。

(8) 計(jì)算不同載荷下的彈簧高度HX:

(9)

其中：HX可替換為H1或Hn，H1為最小載荷彈簧高度，Hn為最大載荷彈簧高度；PX對(duì)應(yīng)替換為P1或Pn。

經(jīng)過(guò)計(jì)算得出H1=41.8 mm，H2=37.7 mm。

經(jīng)查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》和計(jì)算，最終確定彈簧的基本參數(shù)如下：彈簧的簧絲直徑為4 mm，彈簧外徑為24 mm，彈簧內(nèi)徑為16 mm，有效圈數(shù)為6.5圈，自由長(zhǎng)度為48 mm；最小工作載荷為300 N，最小載荷下彈簧高度為41.8 mm；最大工作載荷為500 N，最大載荷下彈簧高度為37.7 mm。

因?yàn)樗欧妱?dòng)缸的最大輸出力為500 N，而且整個(gè)拉壓機(jī)構(gòu)的行進(jìn)速度非常慢，設(shè)計(jì)速度為20 mm/min，所以推力軸在壓力方向上位移量的確定源于所選擇的彈簧在最大載荷和最小載荷下的高度差值，即彈簧工作的位移量。

(9) 計(jì)算彈簧工作的位移量Δh：

Δh=H1-H2.

(10)

經(jīng)過(guò)計(jì)算得出Δh=4.1 mm。

(10) 計(jì)算推力軸在壓力方向上位移量hg：

推力軸在壓力方向位移量等于彈簧工作位移量乘1.2倍的安全系數(shù)，即：

hg=1.2Δh.

(11)

經(jīng)過(guò)計(jì)算得出hg=4.92 mm≈5 mm。

所以推力軸在壓力方向的最大位移量設(shè)計(jì)為5 mm。

4 電氣系統(tǒng)及人機(jī)界面設(shè)計(jì)

電氣系統(tǒng)是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的控制中心，主要由工業(yè)IPC、顯示器、板卡等各種電氣附件和專業(yè)開(kāi)發(fā)的軟件組成。采用工業(yè)專用板卡進(jìn)行試驗(yàn)過(guò)程的邏輯控制和試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集[4]。試驗(yàn)過(guò)程和數(shù)據(jù)結(jié)果通過(guò)顯示器上的專用控制軟件進(jìn)行顯示。

專用控制軟件基于LabVIEW環(huán)境開(kāi)發(fā)，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程可進(jìn)行手動(dòng)和自動(dòng)控制，通過(guò)顯示器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)以及采集數(shù)據(jù)。試驗(yàn)過(guò)程中系統(tǒng)自動(dòng)采集力值和位移量，同時(shí)繪制拉壓力與位移曲線，試驗(yàn)完成后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果會(huì)自動(dòng)存儲(chǔ)到軟件數(shù)據(jù)庫(kù)中，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可進(jìn)行儲(chǔ)存、打印和輸出[5]。測(cè)試系統(tǒng)軟件界面如圖4所示。

圖4 測(cè)試系統(tǒng)軟件界面

5 實(shí)施概況

整機(jī)系統(tǒng)裝配完畢后外觀如圖5所示。

本系統(tǒng)裝配后，各部件之間實(shí)際同軸度測(cè)量結(jié)果如表2所示。表2中，A為氣動(dòng)卡盤自身的重復(fù)定心誤差最大值，B為氣動(dòng)卡盤與被測(cè)試件的同軸度，C為被測(cè)試件與拉壓探桿的同軸度，D為拉壓探桿與探桿連接件的同軸度，E為探桿連接件與拉壓力傳感器的同軸度，F(xiàn)為拉壓力傳感器與直線光軸的同軸度，G為直線光軸與光軸套的同軸度，H為光軸套與軸套座安裝孔的同軸度。

圖5 設(shè)備外觀圖

表2 各部件同軸度實(shí)測(cè)值 mm

各部件之間實(shí)測(cè)同軸度累計(jì)值為0.196 mm，滿足測(cè)試機(jī)構(gòu)同軸度≤0.2 mm的設(shè)計(jì)要求。

采用已知設(shè)計(jì)參數(shù)的市場(chǎng)通用單向閥作為驗(yàn)證件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果與設(shè)計(jì)參數(shù)一致，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)多次測(cè)試，設(shè)備自身重復(fù)性穩(wěn)定。試驗(yàn)得到的力值-位移曲線如圖6所示。

圖6 力值-位移曲線

單向閥力值與位移測(cè)試系統(tǒng)經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)、制造和調(diào)試后，整個(gè)系統(tǒng)測(cè)試準(zhǔn)確度高，數(shù)據(jù)結(jié)果重復(fù)性穩(wěn)定，滿足需方的使用要求。

6 結(jié)語(yǔ)

單向閥力值與位移測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為某種特定航天單向閥的閥芯設(shè)計(jì)提供了力值與位移的對(duì)應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)對(duì)于該單向閥閥芯力值與位移測(cè)試的空白，因此，單向閥力值與位移測(cè)試系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)具有十分重要的意義。