一種天線罩使用低壓彈簧式安全閥的設計

孟祥軍，李文峰，張曉菲，劉溢

（北京航天計量測試技術研究所，北京100076）

1 引言

天線罩需要一種低壓安全閥。在存儲時，可以保持天線罩的氣密性；在飛行時，當天線罩內壓力超過開啟壓力時，安全閥開啟，保持天線罩內的壓力在安全值內。天線罩空間較小，開啟壓力低，現有安全閥無法達到使用要求。安全閥從作用原理上主要分為爆破片、彈簧式安全閥、先導安全閥和電子安全閥等[1]。彈簧式安全閥具有結構緊湊、動作靈敏、對振動不敏感和調節方便[2]等特點，彈簧式安全閥符合天線罩的需求。

2 技術指標

環境參數包括：（1）貯存溫度：-40～50℃，飛行溫度：-40～200℃；（2）密封腔外壓力：0～0.101MPa；（3）加速度不大于10g。

性能技術指標包括：（1）外形尺寸直徑不大于20mm，長度不大于40mm；（2）開啟壓力（50±5）kPa，密封壓力（25±3）kPa；（3）通徑不小于5mm。

3 方案設計

彈簧式安全閥的結構主要分為安全閥座、密封圈、安全閥芯、彈簧、安全閥底座、螺釘與彈墊，如圖1所示。

入口壓力Pi與出口壓力Po壓差不大于Pk時，即Pi-Po≤Pk，閥芯在彈簧壓力的作用下保持關閉，使安全閥出入口保持密封；當Pi-Po=Pk，閥芯在氣體壓力和彈簧力的作用下緩慢開啟，當壓差達到Pi-Po=Pkmax時，安全閥完全開啟，通徑達到最大值，此時隨著密封腔氣體逐漸排出，出入口壓差逐漸變小，安全閥芯慢慢關閉，當壓差降到密封壓力Pi-Po=Pmin時，閥芯完全關閉。

圖1彈簧式安全閥結構示意圖

3.1 力學模型

3.1.1 力平衡分析

式中，FT為彈簧彈力，N；FP為密封腔內部對閥芯密封面的壓力，N；G為閥芯重力，N；m為閥芯質量，kg；a0為安全閥在飛行過程中的加速度在飛行方向上的分加速度，m/s2。

式中，a為安全閥在飛行過程中的加速度，m/s2；θ為安全閥在飛行過程中的加速度方向與飛行方向的夾角。

3.1.2 氣體壓力分析

式中，P為密封腔內的氣體壓強，0.1MPa；S為密封面受力面積，m2。式中，D為密封面直徑，m。

3.1.3 綜合受力分析由式（1）～式（4）得安全閥開啟時的彈簧彈力為：

3.2 彈簧的設計

由公式（5）得安全閥開啟時的彈簧彈力為：

在此次安全閥設計中，為保證通徑需求，密封面的直徑設計為7.5mm，閥芯質量約為3g。

密封腔內的壓強P為25kPa，安全閥密封時，對應的彈簧彈力FT0約為1.13N；密封腔內的壓強P為46kPa，安全閥剛開啟時，對應的彈簧彈力FT0約為2.06N；密封腔內的壓強P為54kPa，安全閥完全開啟時，對應的彈簧彈力FT1約為2.41N。

設計選定開啟壓力46kPa，對應的彈簧彈力FTp約為2.06N；壓縮后的長度約為12.5mm，彈簧完全開啟時壓力54kPa，壓縮后彈簧長度10.5mm，對應彈簧彈力2.41N。因此，給定彈簧自然長度為約為16mm，彈簧外徑7mm，根據這些參數設計加工彈簧。

彈簧材料304，該材料的使用溫度為-250～300℃，具有耐腐蝕、耐高溫性，該彈簧為Ⅰ類，受變載荷作用次數在108次以上。

3.3 加速度對安全閥開啟壓力的影響分析

由式（1）和式（2）可知，FT=FP+G+macosθ

1）當θ角為90°或者加速度a為0時，macosθ=0，該情況下，加速度對安全閥的性能沒有影響。

2）當0°≤θ<90°，此時macosθ>0，此時開啟壓力FP會隨著加速度a0的增大而減小。表1中將靜態下不同開啟壓力PK，a0是0～12g范圍內飛行過程中，安全閥開啟壓力PK分別計算得出，閥芯質量3g。

表1不同靜態開啟壓力對應不同加速度下的開啟壓力值

3）當90°<θ≤180°，macosθ<0，FP會隨著加速度a0的增大而增大。表2中將靜態下不同開啟壓力PK，a0是0～12g范圍內飛行過程中，安全閥開啟壓力PK別計算得出，閥芯質量12g。

經過以上分析，靜態下PK=46kPa時，當加速度不大于10g時安全閥的開啟壓力不小于37kPa，大于密封壓力25kPa，這樣在存儲時能夠有效防止運輸過程中安全閥由于加速度的影響導致開啟，PK=46kPa是符合設計指標。

表2不同靜態開啟壓力對應不同加速度下的開啟壓力值

4 試驗驗證

依據設計生產5件安全閥，進行常溫開啟壓力試驗、常溫氣密試驗、高低溫存儲試驗、高低溫工作試驗。

1）常溫開啟壓力試驗。通過配氣臺給試驗工裝加壓，從0kPa逐漸加壓到55kPa，記錄安全閥的狀態，通過常溫開啟壓力驗證，開啟壓力符合設計指標，如表3所示。

表3常溫開啟壓力試驗

2）常溫氣密試驗。產品加壓到25kPa，保壓3h，要求壓降不大于1kPa，記錄壓降，通過試驗驗證，氣密壓力符合設計指標（見表3）。

3）低溫儲存和低溫工作試驗。低溫-40℃，保溫24h，然后進行氣密和開啟壓力試驗，通過試驗驗證，符合設計指標（見表3）。

4）高溫儲存和高溫工作試驗。高溫50℃，保溫24h，然后進行氣密和開啟壓力試驗，通過試驗驗證，符合設計指標（見表3）。

5）高溫（200℃）工作試驗。高溫200℃，保溫0.5h，然后進行開啟壓力試驗，通過試驗驗證，符合設計指標（見表3）。

5 結論

通過以上設計分析和試驗驗證，該安全閥具有的特點：（1）從環境參數和性能指標能夠滿足使用要求；（2）該閥通過調整彈簧彈力，改變開啟壓力，適應不同型號天線罩對開啟壓力和密封壓力的需求，也可以在其他對體積小、開啟壓力低等行業的推廣使用，具有很好的軍事效益和社會效益。