摘 要：溫控活門具有安裝簡單、不需要外接能源且性能穩(wěn)定等優(yōu)點，常用于飛機滑油系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)中，通過旁路通斷優(yōu)化系統(tǒng)性能。常見的溫控活門僅為單系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力，本文設(shè)計了一種新型溫控活門，能夠感受燃油的溫度，控制滑油旁路的開關(guān)，進而調(diào)節(jié)燃油的溫度高低。感溫元件連接燃油系統(tǒng)和滑油系統(tǒng)，將動密封改為靜密封，可增加系統(tǒng)可靠性并提高系統(tǒng)性能。

關(guān)鍵詞：溫控活門；燃油系統(tǒng)；滑油系統(tǒng)

中圖分類號：TH 69" " " 文獻標(biāo)志碼：A

按照工作原理，溫控活門可分為自力式溫控活門和電動溫控活門[1]。電動溫控活門由恒溫控制器感應(yīng)環(huán)境溫度，并由連接件控制閥體閥芯移動，這種閥門常用于民品室內(nèi)溫度精確控制，需要外部能源且結(jié)構(gòu)較大；自力式溫控活門利用材料本身熱脹冷縮原理實現(xiàn)閥芯開、關(guān)，具有安裝簡單、結(jié)構(gòu)緊湊且性能穩(wěn)定等優(yōu)點，常用于汽車、飛機等滑油系統(tǒng)中，客戶可以根據(jù)自身對溫度的需求定制不同的溫控活門。

某型發(fā)動機為優(yōu)化整體性能和提高能量利用率，需要在燃油-滑油散熱器前段增加控溫裝置——溫控活門[2]。自力式溫控活門以其自動控溫、結(jié)構(gòu)簡單和流量穩(wěn)定等特點被廣泛應(yīng)用于石油、化工和供暖等系統(tǒng)中。為滿足某型發(fā)動機控溫的要求，本文對傳統(tǒng)的溫控活門進行了結(jié)構(gòu)改進，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示，功能原理圖如圖2所示。閥芯感受燃油系統(tǒng)的溫控可以調(diào)節(jié)滑油旁路的開關(guān)，結(jié)構(gòu)改進后的感溫元件仍然通過石蠟的熱脹冷縮來推動導(dǎo)向桿伸長并調(diào)節(jié)活門開度。

1 工作原理和結(jié)構(gòu)組成

溫控活門是現(xiàn)代發(fā)動機系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，其自控功能對保證發(fā)動機穩(wěn)定運行至關(guān)重要。溫控活門的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由上下端蓋、感溫元件、彈簧和密封圈組成。

這款活門通過感溫元件來感知燃油溫度的變化，進而控制滑油旁路的開啟與關(guān)閉。其安裝位置為發(fā)動機附件傳動機匣油濾組件，可確保發(fā)動機在各種工作條件下都能得到適當(dāng)?shù)臐櫥屠鋮s。

工作原理如圖2所示。當(dāng)燃油溫度低于（27±5）℃時，溫控活門會自動關(guān)閉，此時滑油通過燃油加熱器進行加熱，以確保其達到適合發(fā)動機工作的溫度。當(dāng)燃油溫度高于（40±5）℃時，感溫元件會感知到這一變化并伸長，進而打開活門，使大部分滑油繞過燃油加熱器直接流向滑油濾芯，僅少部分滑油通過加熱器流出。該設(shè)計旨在根據(jù)燃油溫度的變化，自動調(diào)整滑油的加熱和旁通，以實現(xiàn)更精準的溫度控制。通過這種方式，溫控活門不僅能夠提高發(fā)動機的運行效率，還能延長使用壽命，減少因溫度過高或過低導(dǎo)致的故障和損壞。

2 詳細設(shè)計

主要設(shè)計指標(biāo)見表1。

2.1 流阻校核和流通面積計算

根據(jù)流量Q、介質(zhì)密度ρ和最小流阻等要求，可以得到所需的最小流通面積Smin。

前后壓差如公式（1）所示[3]。

ΔP=1/2μρυ2 （1）

式中：ΔP為前后壓差；μ為流阻系數(shù)；υ為流體速度。

根據(jù)經(jīng)驗公式，流阻系數(shù)選取4～6，可根據(jù)具體的活門形式來選取不同的流阻系數(shù)（參考老活門的技術(shù)指標(biāo)），也可根據(jù)閥門設(shè)計手冊等相關(guān)書籍推算，理論推算后同樣需要根據(jù)經(jīng)驗乘比例因子。

ρ為流體介質(zhì)密度，密度是隨溫度而變化的，一般取定值。ν為流體介質(zhì)流速，如公式（2）所示。

v=Q/Smin （2）

式中：Q為額定流量；Smin為最小流通面積。

根據(jù)公式（1）、公式（2）可以得到所需最小流通面積，乘以安全系數(shù)1.1（靈活選?。?，可以得到所需流通面積。

綜上所述，當(dāng)活門流通面積為254.34mm2，即活門流通通徑為18mm時，取流阻系數(shù)為5.1，活門的流阻為16.99kPa，在要求的范圍內(nèi)。

2.2 活門最大開度和殼體最大內(nèi)徑計算

活門最大開度K是活門是否能夠完全開啟的關(guān)鍵指標(biāo)[4]，如公式（3）所示。

K·πD=Smin （3）

式中：D為最小流通面積的真實通徑；π取3.14。

一般公式（3）可簡化為K=D/4。

在活門的整個流通過程中，最小流通面積是流體在流道過程中的最小橫截面積，流體流出活門后有一圈環(huán)形最小面積，它決定了殼體最小內(nèi)徑，如公式（4）所示。

π（Dmin2-Ddmax2）/4=Smin （4）

式中：Dmin為殼體內(nèi)徑；Ddmax為活門最大直徑。

將活門通徑18mm帶入上述公式，可得K開度為4.5mm，殼體最小內(nèi)徑為25.4mm。

2.3 上、下端蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計

上、下端蓋是燃滑油溫控活門中關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。主要作用是承壓、耐振、協(xié)助活門運動以及與其他零部件進行安裝連接。采用不銹鋼0Cr17Ni4Cu4Nb，HRC≥38，表面鈍化處理，能夠保證產(chǎn)品使用要求。

設(shè)計時需要考慮上、下端蓋的結(jié)構(gòu)強度、耐腐性能，還要保證活門在下端蓋的運動和密封功能。為了保證活門運動順暢，下端蓋與活門采用小間隙配合，配合公差為0.1～0.18，配合面粗糙度設(shè)計為Ra0.4。另外，下端蓋導(dǎo)向面圓度設(shè)計為0.05，粗糙度設(shè)計為Ra0.8。

2.4 溫控組件設(shè)計

溫控組件由上端蓋、感溫元件和密封圈組成，如圖4所示。感溫元件安裝有密封圈，可與機匣油濾組件殼體進行徑向密封，將燃油腔與滑油旁通油路分開。上端蓋安裝有密封圈，可防止燃油液體外漏。感溫元件頭部由螺紋與上端蓋螺紋孔進行連接，形成溫控組件。

當(dāng)燃油溫度低于（27±5）℃時，感溫元件內(nèi)部石蠟處于收縮狀態(tài)，滑油旁通油路完全關(guān)閉。當(dāng)燃油溫度逐漸升高時，石蠟受熱產(chǎn)生固液相變并膨脹，推動頂桿產(chǎn)生動力和行程，頂桿逐漸伸長頂開活門，滑油旁通油路逐漸打開。當(dāng)燃油溫度達到（40±5）℃時，滑油旁通油路完全開啟。

2.5 關(guān)鍵特性分析

2.5.1 活門密封性設(shè)計

選擇活門密封形式時，需要綜合考慮客戶對泄漏量的嚴格要求、實際使用環(huán)境以及常開/常閉的工作狀態(tài)[5]。例如，在發(fā)動機滑油系統(tǒng)中，滑油系統(tǒng)屬于熱邊，而空氣、燃油等則屬于冷邊。通常換熱器可為燃油加溫，同時也為滑油系統(tǒng)降溫。當(dāng)燃油溫度較低時，冷邊滑油進入換熱器加熱燃油；當(dāng)燃油溫度過高時，溫控活門會旁通換熱器。由于金屬錐形活門具有較長的使用壽命和良好的維護性，因此選擇金屬錐形活門更合適。

這款活門采用不銹鋼圓錐形設(shè)計，其關(guān)鍵功能是在燃油溫度達到（40±5）℃時自動關(guān)閉，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行。為了確保產(chǎn)品的密封性能，本文將錐形圓面作為密封面，并嚴格提升了2個零件間配合面的圓度和粗糙度。該設(shè)計不僅保證了密封的可靠性，同時也增強了產(chǎn)品的耐用性和穩(wěn)定性。

2.5.2 活門導(dǎo)向設(shè)計

導(dǎo)向設(shè)計在溫控活門執(zhí)行機構(gòu)中具有重要作用。在活門設(shè)計中增加導(dǎo)向的主要目的是確保大流量介質(zhì)通過時，活門能夠穩(wěn)定工作，避免徑向滑動或?qū)硬粐缹?dǎo)致的關(guān)閉失效。

活門導(dǎo)向的設(shè)計分為小間隙導(dǎo)向和大間隙導(dǎo)向。小間隙導(dǎo)向雖然精度高，但當(dāng)介質(zhì)雜質(zhì)較多時，其抗污染能力較弱，易出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象，并且生產(chǎn)成本高昂，對安裝后的徑向間隙控制要求較高。大間隙導(dǎo)向雖然能應(yīng)對一定程度的雜質(zhì)，但長期運行下易出現(xiàn)局部磨損，進而在特定情況下出現(xiàn)卡滯。

綜合考慮上述因素，本文選擇導(dǎo)向間隙時，權(quán)衡各種因素，不推薦使用太小的間隙配合，最小間隙不得＜0.08mm。同時，參考經(jīng)過實際考核的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，本文確定采用0.1mm～0.18mm的間隙范圍，導(dǎo)向桿與孔的最小重合長度為12mm。該設(shè)計既能保證活門的穩(wěn)定性，又能降低卡滯風(fēng)險。同時，在設(shè)計中本文還特別關(guān)注了盲孔的排液問題，以確保活門在各種工作環(huán)境下都能順暢運行。

2.5.3 金屬材料耐溫情況

燃滑油溫控活門選用的金屬材料為不銹鋼棒022Cr17Ni12-

Mo2、0Cr17Ni4Cu4Nb和1Cr18Ni9。不銹鋼022Cr17Ni12Mo2優(yōu)點突出，耐高溫且耐腐蝕性優(yōu)異。彈簧采用1Cr18Ni9奧氏體不銹鋼，將其進行鈍化處理，可進一步提高耐腐蝕性能。

3 溫控活門仿真驗證

Ansys強度仿真是一種基于有限元分析（FEA）的仿真技術(shù)，用于預(yù)測和分析工程結(jié)構(gòu)在各種外部載荷（如力、壓力和溫度等）下的強度、剛度和穩(wěn)定性等性能。Ansys是一款功能強大的仿真軟件，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、電子、機械以及土木工程等領(lǐng)域。

在Ansys強度仿真中，首先需要根據(jù)溫控活門的三維結(jié)構(gòu)建立數(shù)學(xué)模型，并定義材料的屬性、邊界條件和載荷等參數(shù)。整體應(yīng)力云圖如圖5所示。其次，通過有限元網(wǎng)格劃分將結(jié)構(gòu)離散化為有限個單元，每個單元間通過節(jié)點連接。再次，通過求解線性或非線性方程組，得到結(jié)構(gòu)在載荷作用下的位移、應(yīng)力和應(yīng)變等響應(yīng)。最后，通過后處理功能查看和分析仿真結(jié)果，以評估活門零組件的性能，并找出潛在問題。

溫控活門的技術(shù)要求是滑油壓力為1.4MPa時保壓3min，保證燃滑油溫控活門無變形損壞；滑油壓力為2.8MPa時保壓3min，保證燃滑油溫控活門無破裂等。

在氣密試驗壓力為1.4MPa的工況下，上端蓋應(yīng)力最大值為18.697MPa，小于材料屈服強度177MPa；下端蓋應(yīng)力最大值為9.791MPa，小于材料屈服強度1000MPa；活門應(yīng)力最大值為12.142MPa，小于材料屈服強度1000MPa；整體應(yīng)力最大值為18.697MPa，滿足各零部件使用要求。

4 溫控活門性能驗證

本文重新設(shè)計了一款新型溫控活門，在燃滑油實驗臺上主要測試了溫控活門的初開溫度和全開溫度、流阻和流通能力。試驗情況見表2。

比較統(tǒng)計試驗數(shù)據(jù)與理論計算數(shù)據(jù)可以看出，試驗結(jié)果與理論計算結(jié)果擬合程度較好。

5 結(jié)語

本文主要介紹了溫控活門的常用計算公式，對其增加了流阻系數(shù)進行修正，試驗證明該計算公式較準確。由試驗結(jié)果可以看出，40℃以后，感溫元件繼續(xù)伸長，對流通能力基本無影響，可見，活門流通能力的計算是全過程的計算，不僅要考慮活門通徑，還要評估后續(xù)開度對其的影響。

本文設(shè)計的新型溫控活門結(jié)構(gòu)在仿真和試驗過程中通過了額定壓力的考驗，表明該種結(jié)構(gòu)具有一定參考價值。

參考文獻

[1]陸陪文.實用閥門設(shè)計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.

[2]全國壓力容器技術(shù)標(biāo)準化委員會.鋼制壓力容器：GB150—1998[S].北京：中國標(biāo)準出版社，1998.

[3]機械設(shè)計手冊編委會.機械設(shè)計手冊：液壓傳動與控制[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[4]楊世忠，邢麗娟.調(diào)節(jié)閥流量特性分析及應(yīng)用選擇[J].閥門，2006（5）：33-36.

[5]楊紀偉，調(diào)節(jié)閥流量調(diào)節(jié)理論研究[J].流體機械，2003，31（2）：24-26.