韓新苗，韋貫舉，楊緒釗，曹建玲，馬曉琛

（北京精密機電控制設備研究所，北京，100076）

高壓氣體充氣嘴的設計研制

韓新苗，韋貫舉，楊緒釗，曹建玲，馬曉琛

（北京精密機電控制設備研究所，北京，100076）

高壓氣體充氣嘴為某固體運載火箭伺服產(chǎn)品的高壓氦氣源進行充氣或者補氣，高壓氦氣源的額定壓力為60 MPa，需配套地面增壓設備對伺服能源進行充氣和補氣，而由于地面設備特殊的增壓方式無法使用現(xiàn)有的充氣嘴，需要新研制一種充氣嘴實現(xiàn)對氦氣源進行充氣。

高壓氣體充氣嘴；結(jié)構(gòu)；可靠性

0 引 言

某固體運載火箭 I級伺服系統(tǒng)采用高壓氣體擠壓式伺服系統(tǒng)技術(shù)。擠壓式伺服系統(tǒng)[1]采用60 MPa超高壓氦氣作為初級能源，配套有專用地面設備用于對擠壓式能源進行充氣和補氣，而由于地面設備特殊的增壓方式無法使用現(xiàn)有的充氣嘴，需要研制一種高壓充氣嘴，新研制的充氣嘴能夠與地面設備配套使用，當?shù)孛嬖O備的氣動增壓泵[2]活塞向前運動時，充氣嘴打開，高壓氣體進入 I級伺服氦氣瓶中，當?shù)孛嬖O備的氣動增壓泵活塞返回時充氣嘴關(guān)閉，使 I級伺服氦氣瓶中的氣體封閉，氦氣瓶的壓力保持不變。地面設備的氣動增壓泵活塞反復運動，充氣嘴反復開啟、關(guān)閉。

充氣嘴是某固體運載火箭伺服系統(tǒng)中重要的元件，不僅要求能夠?qū)崿F(xiàn)為I級伺服氦氣瓶充60 MPa的高壓氦氣，而且要求充氣完畢后密封良好，I級伺服氦氣瓶無壓力下降現(xiàn)象。

1 工作原理

高壓氣體充氣嘴[3]的原理是：充氣嘴殼體通過螺紋與高壓氣瓶連接，右側(cè)通過外套螺帽、接管嘴及高壓氣管連接到雙作用氣驅(qū)高壓氣體增壓泵，由增壓泵提供高壓氣體。在正常工作時，高壓氣體由殼體進入，在單向閥芯前后腔形成壓力差，并且此壓力大于彈簧的預壓縮力后，高壓氣體推動單向閥芯向后移動，氣體通過單向閥芯、單向閥支座進入 I級伺服氦氣瓶。為30 L容積氦氣瓶充60 MPa的氣體，充氣嘴平均開啟頻率為0.5次/s，需要工作2 h，完成3 600次開啟。在試驗中，能夠聽到單向閥芯平穩(wěn)開啟及關(guān)閉的聲音，充氣完畢后關(guān)閉雙作用氣驅(qū)高壓氣體增壓泵，充氣嘴閥芯前端的壓力小于后端的壓力時，在彈簧的作用下單向閥芯復位，充氣嘴關(guān)閉，實現(xiàn) I級伺服氦氣瓶的氣體密封。高壓氣體充氣嘴的結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 高壓氣體充氣嘴結(jié)構(gòu)

2 結(jié)構(gòu)設計

2.1 通徑設計

高壓氣體充氣嘴給某固體運載火箭 I級伺服系統(tǒng)進行充氣時，需與地面設備配套使用，而由于地面設備的氣動增壓泵增壓方式的特殊性，同時氦氣的額定壓力為60 MPa，這兩個條件決定了高壓氣體充氣嘴應該設計較小的通徑，不然充氣時 I級伺服氦氣源溫度升高過快，容易引起爆炸，安全性降低。

高壓氣體充氣嘴的單向閥芯的通徑見圖2。

圖2 單向閥芯節(jié)流孔

根據(jù)圖2結(jié)構(gòu)，計算單向閥芯的節(jié)流孔直徑，公式如下：

式中 b為充氣嘴閥芯扁邊長度；ψ為充氣嘴閥芯扁邊半錐角；m為充氣嘴殼體孔徑；n為充氣嘴閥芯扁邊到另一側(cè)圓邊的距離；S為充氣嘴節(jié)流面積；d為充氣嘴節(jié)流孔直徑。用上述公式可計算出節(jié)流孔[4]直徑為1.2 mm。

2.2 密封方式設計

高壓氣體充氣嘴結(jié)構(gòu)方案的關(guān)鍵技術(shù)為密封性，充氣完畢后能夠保證密封性好，指標要求外泄漏率不應大于 1×10-5(Pa﹒m3)/s。從開始設計到最后確定方案，充氣嘴經(jīng)過金屬錐面密封、球頭密封、軟密封 3個階段，每個階段均進行了密封性試驗考核，通過試驗得出最佳方案為軟密封結(jié)構(gòu)。

軟密封結(jié)構(gòu)是采用閥芯壓膠[5]的方式，現(xiàn)在閥芯壓膠技術(shù)已成熟化、可靠化，能夠保證單向閥芯壓膠槽中的密封件在充氣過程中不會發(fā)生脫落及漏氣的現(xiàn)象。高壓氣體充氣嘴依靠彈簧的作用力使單向閥芯壓緊在充氣嘴殼體的錐形密封面上，這時非金屬錐面與金屬錐面壓緊配合，從而保證無氣體從非金屬錐面與金屬錐面接觸面處漏出。

2.3 可靠性設計

高壓氣體充氣嘴為 30 L的 I級伺服氦氣瓶充60 MPa的氣體，充氣嘴平均開啟頻率為0.5次/s，完成3 600次開啟需要工作2 h。所以高壓氣體充氣嘴的可靠性設計[6]非常重要。

為保證高壓氣體充氣嘴頻繁往復運動的可靠性，將閥芯零件上設置導向結(jié)構(gòu)。單向閥芯前端為一細桿，在圓柱桿上均勻加工3個扁邊，3個扁邊的2大作用為：a）保證氣體從圓柱桿周圍通過，3個扁邊起到節(jié)流孔的作用，使氣體從此處通過時不會迅速升溫，保證試驗設備及人員的安全；b）保證單向閥芯在運動過程中有很好的導向作用，使單向閥芯在開啟過程中平穩(wěn)移動，保證不會發(fā)生傾斜、彎曲及脫落，不會產(chǎn)生側(cè)向力而使閥芯卡死的現(xiàn)象，具有較高的可靠性。

單向閥芯與左側(cè)的單向閥支座之間的有效間隙設計為1.5 mm，當單向閥芯在高壓氣體及彈簧力的作用下向右移動時最大位移量為1.5 mm，這時單向閥芯右側(cè)桿仍有3.5 mm長在殼體孔中，保證單向閥芯的平穩(wěn)性及導向性。

為驗證結(jié)構(gòu)設計的合理性和可靠性，高壓氣體充氣嘴產(chǎn)品進行了可靠性增長試驗[7]，要求充氣嘴在規(guī)定的壽命內(nèi)，應能：

a）充氣嘴啟閉次數(shù)不少于20萬次；

b）累計工作時間不少于100 h。

高壓氣體充氣嘴以 0.3～0.67 次/s的頻率進行了20萬次啟閉試驗，每1 000次用氦質(zhì)譜儀器檢測一下充氣嘴閥芯前端的外漏率，各項指標性能正常，反向密封性良好，無泄漏。而且將高壓氣體充氣嘴裝配至I級伺服系統(tǒng)中已成功完成了多次充氣、放氣試驗，每次試驗性能均穩(wěn)定，說明產(chǎn)品的可靠性較高。

3 仿真分析

高壓氣體充氣嘴為安全性、可靠性考慮設計成具有節(jié)流作用的結(jié)構(gòu)，如果節(jié)流孔設計不合理，將影響I級伺服系統(tǒng)的工作效率及各伺服產(chǎn)品的壽命，故現(xiàn)用ANSYS軟件[8]對高壓氣體充氣嘴結(jié)構(gòu)進行氣場仿真，驗證結(jié)構(gòu)的合理性。

現(xiàn)用 ANSYS軟件[8]對高壓氣體充氣嘴結(jié)構(gòu)進行氣場仿真，驗證結(jié)構(gòu)的合理性。

將高壓氣體充氣嘴三維模型導入ANSYS軟件中，進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分見圖3。

圖3 網(wǎng)格劃分

在高壓氣體充氣嘴單向閥芯前腔施加 60 MPa的壓力，三維壓力分布詳見圖4。

圖4 壓力分布

通過仿真分析，高壓氣體充氣嘴在額定壓力為60 MPa的情況下，單向閥芯開啟前后的壓力損失為0.38 MPa，滿足伺服機構(gòu)的需要。

為驗證仿真結(jié)果，高壓氣體充氣嘴進行了壓力損失測試試驗，在單向閥芯前后腔分別安裝一個壓力表，當高壓氣體充氣嘴在額定壓力為60 MPa開啟時，計算兩個壓力表的壓力差值，通過試驗得到壓力差值范圍為0.3～0.47 MPa，與仿真結(jié)果基本吻合，說明高壓氣體充氣嘴結(jié)構(gòu)具有合理性。

4 結(jié) 論

本文從工作原理、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、密封方式、可靠性方面對高壓氣體充氣嘴進行闡述，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，方案可靠，已成功運用到某運載火箭伺服系統(tǒng)，在飛行試驗中得到了有效驗證。

[1]李俊巖, 等. 擠壓式伺服系統(tǒng)參數(shù)設計與優(yōu)化方法[J]. 導彈與航天運載技術(shù), 2016 (增刊2): 59-61

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[3]中國國家標準化管理委員會. GB/T30210-2013 飛機高壓氣體空氣閥[S].北京: 中國標準出版社, 2014.

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[6]謝少峰, 等. 可靠性設計[M]. 北京: 中國工信出版集團, 2015.

[7]曾天翔. 可靠性增長試驗[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2003.

[8]凌桂龍, 等. ANSYS Workbench 13.0從入門到精通[M]. 北京: 清華大學出版社, 2012.

Design and Development of the High Pressure Gas Charging Valve

Han Xin-miao, Wei Guan-ju, Yang Xu-zhao, Cao Jian-ling, Ma Xiao-chen
(Beijing Research Institute of Precise Mechanical and Electronic Control Equipment, Beijing, 100076)

The high pressure gas charging valve is used to aerate for the high pressure helium gas energy of solid launch vehicle servo-operated products, the rated pressure of which reach to 60 MPa , and the ground supercharging equipment should be adapted when aerating for servo energy. A new type charging valve needs to be developed.

High pressure gas charging valve; Structure; Reliability

V228.7

A

1004-7182(2017)01-0056-03

10.7654/j.issn.1004-7182.20170114

2016-01-15；

2016-05-17；數(shù)字出版時間：2017-01-06；數(shù)字出版網(wǎng)址：www.cnki.net

韓新苗（1981-），女，工程師，主要研究方向為氣動元件設計