一種天線罩使用低壓彈簧式安全閥的設(shè)計(jì)

孟祥軍，李文峰，張曉菲，劉溢

（北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100076）

1 引言

天線罩需要一種低壓安全閥。在存儲(chǔ)時(shí)，可以保持天線罩的氣密性；在飛行時(shí)，當(dāng)天線罩內(nèi)壓力超過開啟壓力時(shí)，安全閥開啟，保持天線罩內(nèi)的壓力在安全值內(nèi)。天線罩空間較小，開啟壓力低，現(xiàn)有安全閥無法達(dá)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(dǎo)安全閥和電子安全閥等[1]。彈簧式安全閥具有結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作靈敏、對(duì)振動(dòng)不敏感和調(diào)節(jié)方便[2]等特點(diǎn)，彈簧式安全閥符合天線罩的需求。

2 技術(shù)指標(biāo)

環(huán)境參數(shù)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(shù)指標(biāo)包括：（1）外形尺寸直徑不大于20mm，長(zhǎng)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(shè)計(jì)

彈簧式安全閥的結(jié)構(gòu)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(shí)，即Pi-Po≤Pk，閥芯在彈簧壓力的作用下保持關(guān)閉，使安全閥出入口保持密封；當(dāng)Pi-Po=Pk，閥芯在氣體壓力和彈簧力的作用下緩慢開啟，當(dāng)壓差達(dá)到Pi-Po=Pkmax時(shí)，安全閥完全開啟，通徑達(dá)到最大值，此時(shí)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(guān)閉，當(dāng)壓差降到密封壓力Pi-Po=Pmin時(shí)，閥芯完全關(guān)閉。

圖1彈簧式安全閥結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 力學(xué)模型

3.1.1 力平衡分析

式中，F(xiàn)T為彈簧彈力，N；FP為密封腔內(nèi)部對(duì)閥芯密封面的壓力，N；G為閥芯重力，N；m為閥芯質(zhì)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(nèi)的氣體壓強(qiáng)，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(shí)的彈簧彈力為：

3.2 彈簧的設(shè)計(jì)

由公式（5）得安全閥開啟時(shí)的彈簧彈力為：

在此次安全閥設(shè)計(jì)中，為保證通徑需求，密封面的直徑設(shè)計(jì)為7.5mm，閥芯質(zhì)量約為3g。

密封腔內(nèi)的壓強(qiáng)P為25kPa，安全閥密封時(shí)，對(duì)應(yīng)的彈簧彈力FT0約為1.13N；密封腔內(nèi)的壓強(qiáng)P為46kPa，安全閥剛開啟時(shí)，對(duì)應(yīng)的彈簧彈力FT0約為2.06N；密封腔內(nèi)的壓強(qiáng)P為54kPa，安全閥完全開啟時(shí)，對(duì)應(yīng)的彈簧彈力FT1約為2.41N。

設(shè)計(jì)選定開啟壓力46kPa，對(duì)應(yīng)的彈簧彈力FTp約為2.06N；壓縮后的長(zhǎng)度約為12.5mm，彈簧完全開啟時(shí)壓力54kPa，壓縮后彈簧長(zhǎng)度10.5mm，對(duì)應(yīng)彈簧彈力2.41N。因此，給定彈簧自然長(zhǎng)度為約為16mm，彈簧外徑7mm，根據(jù)這些參數(shù)設(shè)計(jì)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(shù)在108次以上。

3.3 加速度對(duì)安全閥開啟壓力的影響分析

由式（1）和式（2）可知，F(xiàn)T=FP+G+macosθ

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

2）當(dāng)0°≤θ<90°，此時(shí)macosθ>0，此時(shí)開啟壓力FP會(huì)隨著加速度a0的增大而減小。表1中將靜態(tài)下不同開啟壓力PK，a0是0～12g范圍內(nèi)飛行過程中，安全閥開啟壓力PK分別計(jì)算得出，閥芯質(zhì)量3g。

表1不同靜態(tài)開啟壓力對(duì)應(yīng)不同加速度下的開啟壓力值

3）當(dāng)90°<θ≤180°，macosθ<0，F(xiàn)P會(huì)隨著加速度a0的增大而增大。表2中將靜態(tài)下不同開啟壓力PK，a0是0～12g范圍內(nèi)飛行過程中，安全閥開啟壓力PK別計(jì)算得出，閥芯質(zhì)量12g。

經(jīng)過以上分析，靜態(tài)下PK=46kPa時(shí)，當(dāng)加速度不大于10g時(shí)安全閥的開啟壓力不小于37kPa，大于密封壓力25kPa，這樣在存儲(chǔ)時(shí)能夠有效防止運(yùn)輸過程中安全閥由于加速度的影響導(dǎo)致開啟，PK=46kPa是符合設(shè)計(jì)指標(biāo)。

表2不同靜態(tài)開啟壓力對(duì)應(yīng)不同加速度下的開啟壓力值

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

依據(jù)設(shè)計(jì)生產(chǎn)5件安全閥，進(jìn)行常溫開啟壓力試驗(yàn)、常溫氣密試驗(yàn)、高低溫存儲(chǔ)試驗(yàn)、高低溫工作試驗(yàn)。

1）常溫開啟壓力試驗(yàn)。通過配氣臺(tái)給試驗(yàn)工裝加壓，從0kPa逐漸加壓到55kPa，記錄安全閥的狀態(tài)，通過常溫開啟壓力驗(yàn)證，開啟壓力符合設(shè)計(jì)指標(biāo)，如表3所示。

表3常溫開啟壓力試驗(yàn)

2）常溫氣密試驗(yàn)。產(chǎn)品加壓到25kPa，保壓3h，要求壓降不大于1kPa，記錄壓降，通過試驗(yàn)驗(yàn)證，氣密壓力符合設(shè)計(jì)指標(biāo)（見表3）。

3）低溫儲(chǔ)存和低溫工作試驗(yàn)。低溫-40℃，保溫24h，然后進(jìn)行氣密和開啟壓力試驗(yàn)，通過試驗(yàn)驗(yàn)證，符合設(shè)計(jì)指標(biāo)（見表3）。

4）高溫儲(chǔ)存和高溫工作試驗(yàn)。高溫50℃，保溫24h，然后進(jìn)行氣密和開啟壓力試驗(yàn)，通過試驗(yàn)驗(yàn)證，符合設(shè)計(jì)指標(biāo)（見表3）。

5）高溫（200℃）工作試驗(yàn)。高溫200℃，保溫0.5h，然后進(jìn)行開啟壓力試驗(yàn)，通過試驗(yàn)驗(yàn)證，符合設(shè)計(jì)指標(biāo)（見表3）。

5 結(jié)論

通過以上設(shè)計(jì)分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，該安全閥具有的特點(diǎn)：（1）從環(huán)境參數(shù)和性能指標(biāo)能夠滿足使用要求；（2）該閥通過調(diào)整彈簧彈力，改變開啟壓力，適應(yīng)不同型號(hào)天線罩對(duì)開啟壓力和密封壓力的需求，也可以在其他對(duì)體積小、開啟壓力低等行業(yè)的推廣使用，具有很好的軍事效益和社會(huì)效益。