減壓閥低溫密封性能優(yōu)化研究

侯松峰 王獻(xiàn)嶺 史新芳

（新鄉(xiāng)航空工業(yè)（集團(tuán)）有限公司民機(jī)事業(yè)部，河南 新鄉(xiāng) 453019）

0 引言

減壓閥被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)剎車系統(tǒng)［1］、軌道交通制動(dòng)系統(tǒng)、撒砂裝置、輪緣潤(rùn)滑裝置及風(fēng)源系統(tǒng)中［2?4］，其可用來維持出口壓力的穩(wěn)定。減壓閥性能的好壞將直接影響到制動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行的安全。

近年來，有關(guān)減壓閥的研究主要集中在高精度減壓閥［5］、高壓空氣減壓閥等方面［6］，對(duì)低溫環(huán)境中減壓閥的性能的研究相對(duì)較少。楊凱等［7］對(duì)減壓閥的低溫泄漏問題進(jìn)行分析，但其改進(jìn)的減壓閥的工作環(huán)境溫度僅為?40℃；崔廣龍等［8］對(duì)減壓閥進(jìn)行低溫控制精度研究，但沒有針對(duì)減壓閥低溫環(huán)境下的密封性提出具體的措施。

目前，國(guó)內(nèi)動(dòng)車組使用環(huán)境溫度最低為?40℃［9］，為保證系統(tǒng)有更高的安全裕度，要求動(dòng)車組配套氣動(dòng)元件在?50℃的低溫環(huán)境中能保持優(yōu)良的密封性能。新鄉(xiāng)航空工業(yè)（集團(tuán)）有限公司原有為某型動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)配套的減壓閥，其能滿足?40℃低溫的密封性，但在?50℃環(huán)境中泄漏量超標(biāo)。針對(duì)該問題，本研究提出一種新型密封結(jié)構(gòu)的溢流式減壓閥，該減壓閥為定值減壓閥，在原減壓閥結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，并對(duì)其關(guān)鍵參數(shù)重新進(jìn)行匹配。同時(shí)，利用AMEsim軟件［10?11］建立該減壓閥的物理模型，通過分析改進(jìn)后減壓閥的關(guān)鍵性能參數(shù)，確保減壓閥的各項(xiàng)指標(biāo)在設(shè)計(jì)階段就能滿足使用要求?；诜抡娼Y(jié)果對(duì)原理樣機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)及試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果證明，減壓閥各項(xiàng)指標(biāo)與仿真結(jié)果相符，且經(jīng)過?50℃低溫環(huán)境的試驗(yàn)驗(yàn)證，改進(jìn)后的減壓閥原理樣機(jī)的性能滿足在?50℃低溫中的要求。

1 改進(jìn)方案

1.1 設(shè)計(jì)要求

根據(jù)動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)的要求，減壓閥的性能應(yīng)滿足表1中的要求。

表1 減壓閥主要性能要求

1.2 減壓閥原結(jié)構(gòu)

減壓閥主要由殼體、復(fù)位彈簧、活門、密封圈、密封座、定位擋圈、活塞、調(diào)壓彈簧等組成（見圖1），包括進(jìn)口、出口、溢流口（通大氣）。

在調(diào)壓彈簧力的作用下，活門開始向下移動(dòng)，節(jié)流口處于全開狀態(tài)，進(jìn)口腔高壓空氣經(jīng)過節(jié)流口進(jìn)入出口腔。出口腔內(nèi)的氣體壓力會(huì)作用在活塞下側(cè)，并推動(dòng)活塞上移，同時(shí)在復(fù)位彈簧的作用下，節(jié)流口逐漸關(guān)閉，保證進(jìn)出口腔之間的密封性，節(jié)流口關(guān)閉后，出口腔的氣體壓力與調(diào)壓彈簧力處于平衡狀態(tài)。因此，減壓閥出口壓力主要由調(diào)壓彈簧力來保證，當(dāng)減壓閥出口壓力高于彈簧力時(shí)，活塞上移，溢流口打開，排出多余的氣體；當(dāng)減壓閥出口壓力低于彈簧力時(shí)，活塞下移，節(jié)流口打開，進(jìn)行補(bǔ)氣。

經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該結(jié)構(gòu)的減壓閥在?50℃低溫環(huán)境中泄漏量超標(biāo)，難以滿足系統(tǒng)要求。

通過高倍放大鏡觀察后發(fā)現(xiàn)，活門與密封座配合處的橡膠面壓痕在圓周方向不均勻。因此，該結(jié)構(gòu)減壓閥密封不良是由節(jié)流口處密封不良造成的，這是因?yàn)樵撎幟芊庑枰芊庾c活門有較好的配合精度，但該處密封結(jié)構(gòu)存在2個(gè)缺陷。①受活門硫化工藝的影響，活門采用二體式結(jié)構(gòu)，上側(cè)半體為球面密封結(jié)構(gòu)，保證溢流口的密封性，下側(cè)半體為硫化活門，保證節(jié)流口的密封性，但二半體組裝后難以保證較好的同軸度，實(shí)際計(jì)量為Φ0.18。②密封座經(jīng)過擋圈固定配合在殼體上，受擋圈槽公差的影響，較難保證密封座密封面與活門密封面之間的配合精度。

1.3 改進(jìn)后減壓閥結(jié)構(gòu)

針對(duì)原結(jié)構(gòu)存在的不足，對(duì)節(jié)流口密封結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行設(shè)計(jì)（見圖2），改進(jìn)后的活門為一體式結(jié)構(gòu)，且直接在殼體上加工密封座。同時(shí)，將產(chǎn)品內(nèi)部零件的裝配方式從單側(cè)裝配改為從殼體上下側(cè)裝配，裝配工藝性更好。

2 減壓閥基本參數(shù)計(jì)算

2.1 復(fù)位彈簧力計(jì)算

減壓閥溢流口處為球面密封結(jié)構(gòu)，密封面上總作用力的計(jì)算公式見式（1）到（5）。

式中：Fmz1為球面總密封力，N；Fmj為密封面上介質(zhì)作用力，N；Fmf為密封面上密封力，N；Dmn為密封接觸面最小直徑，mm；Dmw為密封接觸面最大直徑，mm；bm為密封面寬度，mm；p為介質(zhì)壓力，MPa；Fmf為密封面上密封力，N；f m為密封面摩擦因數(shù)；α為密封面與球面接觸半角，°；q為密封面比壓，MPa；qmf為密封面必需比壓，MPa；[q]密封面許用比壓，MPa。

節(jié)流口處密封為端面密封，該處密封力的計(jì)算公式見式（6）。

復(fù)位彈簧力的計(jì)算公式見式（7）。

2.2 減壓閥出口靜態(tài)壓力計(jì)算

因減壓閥在工作時(shí)，節(jié)流口處于封閉狀態(tài)。因此不考慮流量變化對(duì)減壓閥出口壓力產(chǎn)生的影響，減壓閥節(jié)流口關(guān)閉時(shí)，減壓閥出口壓力的計(jì)算公式見式（8）。

式中：P出為減壓閥出口壓力，MPa；F調(diào)壓為節(jié)流口關(guān)閉時(shí)調(diào)壓彈簧力，N；F復(fù)位為節(jié)流口關(guān)閉時(shí)復(fù)位彈簧力，N；b為節(jié)流口密封面寬度，mm；D1為活塞直徑，mm；D2為溢流口直徑，mm；D3為節(jié)流口密封面最小直徑，mm；D4為節(jié)流口密封面中徑，mm；D5為活門密封面直徑，mm；P進(jìn)為減壓閥進(jìn)口壓力大小，MPa。

3 減壓閥性能仿真

3.1 減壓閥的物理模型

通過對(duì)減壓閥的性能進(jìn)行仿真研究，確保減壓閥各項(xiàng)性能滿足要求，主要仿真模型參數(shù)見表2。

表2 減壓閥主要仿真模型參數(shù)設(shè)置

根據(jù)圖2的減壓閥結(jié)構(gòu)，建立減壓閥AMEsim仿真模型（見圖3）。

3.2 減壓閥性能仿真分析

改進(jìn)后的減壓閥性能仿真結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，在充氣過程中，出口壓力先是高于正常調(diào)定壓力，然后通過溢流口溢流，多余氣體排出后，減壓閥調(diào)定壓力又恢復(fù)至正常值0.3 MPa；打開過載開關(guān)后，減壓閥出口壓力升高至0.5 MPa，關(guān)閉過載開關(guān)后，減壓閥出口壓力又能恢復(fù)至初始值，因此滿足表1中過載特性要求；打開Φ1排氣孔，減壓閥出口壓力為0.27 MPa，滿足表1中流量特性要求。

4 性能測(cè)試

基于以上參數(shù)對(duì)改進(jìn)后的減壓閥原理樣機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)制造，且減壓閥實(shí)物調(diào)定壓力、過載特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果吻合，減壓閥出口壓力為0.271 MPa，與仿真結(jié)果基本吻合。此外，減壓閥在?50℃低溫環(huán)境下保壓過程中進(jìn)口壓力變化為0.007 MPa/min，出口壓力變化為0.001 MPa/min，均能滿足表1中的要求。改進(jìn)后的減壓閥交付主機(jī)后進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)試（見圖5），裝車路試，經(jīng)主機(jī)反饋，減壓閥在?50℃低溫環(huán)境中的密封性能優(yōu)良，調(diào)壓特性、流量特性、過載特性均能滿足系統(tǒng)需求。

5 結(jié)語

改進(jìn)后減壓閥活門同軸度為Φ0.02，相比于改進(jìn)前同軸度Φ0.18，同軸度得到很大改進(jìn)。改進(jìn)后減壓閥靜壓特性、流量特性、過載特性均滿足技術(shù)要求，同時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與AMEsim仿真結(jié)果吻合，說明仿真模型的合理性，為后續(xù)同類產(chǎn)品優(yōu)化提供參考。通過對(duì)改進(jìn)后的減壓閥進(jìn)行?50℃低溫環(huán)境密封性試驗(yàn)驗(yàn)證，證明改進(jìn)后減壓閥低溫密封性能能夠滿足要求，為同類產(chǎn)品性能的優(yōu)化提供依據(jù)。