一種耐高溫閥芯密封材料在閥門上的應(yīng)用

王立君 黃愛清 唐妹芳

(1.上?？臻g推進研究所，上海 201112;2.上?？臻g發(fā)動機工程技術(shù)研究中心，上海 201112)

0 引言

隨著深空探測技術(shù)的發(fā)展，對深空探測器的環(huán)境溫度要求越來越高，姿控發(fā)動機用電磁閥的最高工作溫度由原先的80 ℃上升為140 ℃，而傳統(tǒng)的閥芯密封材料使用溫度小于100 ℃，不能滿足深空探測的環(huán)境要求，為了適應(yīng)系統(tǒng)新的要求，需突破高溫閥芯材料技術(shù)的應(yīng)用。

1 電磁閥的原理

電磁閥的工作原理見圖1：電磁閥在線圈未通電時，靠介質(zhì)壓力及彈簧力，將閥芯(與閥芯組件連成一體)壓緊在閥座上，在電磁閥內(nèi)腔流道上形成密封副。當(dāng)給線圈通以一定電流時，由軟磁合金材料構(gòu)成的殼體組件、閥芯組件和罩殼被磁化，與線圈構(gòu)成磁回路，對閥芯組件產(chǎn)生軸向吸力，吸引閥芯組件向遠離閥座方向運動，直至電磁吸力克服彈簧力和介質(zhì)壓力，使閥門完全開啟。只要線圈持續(xù)通電，閥門就一直保持開啟狀態(tài)，直到電流切斷，電磁吸力下降到不足以克服彈簧力和介質(zhì)壓力的合力時，閥芯復(fù)位，閥門關(guān)閉。

圖1 電磁閥的工作原理圖Fig.1 Working principle of the solenoid valve

由閥芯和閥座刃口構(gòu)成的密封副保證產(chǎn)品的密封性能，為了密封性能的良好，需要閥芯和閥座材料在一定的溫度范圍內(nèi)性能穩(wěn)定。

常用的密封副形式有硬密封和軟密封兩種：硬密封副要求產(chǎn)品零件加工精度高，表面粗糙度小，對中性好，否則很難達到上萬次工作壽命和低泄漏率，適用于高壓(約15 MPa以上)工作壓力；軟密封副具有良好的抗污染能力，只要較低的密封比壓就可達到良好的密封性能。設(shè)計上，可以達到上百萬次工作壽命。

姿控發(fā)動機用電磁閥一般工作壓力比較低，小于2.0 MPa，工作次數(shù)要求比較高，因此廣泛采用軟密封式密封副，即將較軟的閥芯材料嵌入閥芯組件，與閥座的硬刃口構(gòu)成密封副來保證產(chǎn)品的密封性能。

2 耐高溫閥芯材料性能

幾種耐高溫閥芯材料的性能參數(shù)對比如表1。由表1中可知5種材料(FEP，16685，09-1833，N160，PFA)的最高可連續(xù)使用溫度均大于200 ℃，可以滿足電磁閥最高140 ℃的工作環(huán)境。

3 試驗驗證情況

首先對5種耐高溫材料閥芯按正常電磁閥環(huán)境條件進行對比試驗，找出性能最穩(wěn)定的材料。然后對找出的性能最穩(wěn)定的材料進行電磁閥的高溫環(huán)境試驗，通過試驗前后的數(shù)據(jù)比對來驗證材料的高溫性能。

表1 耐高溫閥芯材料性能參數(shù)對比表Tab.1 Comparison of performance parameters of high-temperature valve core materials

3.1 五種閥芯材料的對比試驗

3.1.1 試驗準(zhǔn)備

閥芯采用上述5種原料粒子加工而成(如圖2)，裝在不同的閥門里，進行環(huán)境試驗。為避免試驗的偶然性，每種閥芯各做三件，試驗進行三輪，每輪同種閥芯材料對應(yīng)不同的閥門，閥門的裝配狀態(tài)及試驗內(nèi)容相同，閥芯編號與閥芯材料的對應(yīng)如表 2。

圖2 五種原料加工成的閥芯組件Fig.2 Valve core components made from five materials表2 不同閥芯材料對應(yīng)產(chǎn)品編號表Tab.2 Numbers of different valve core materials

產(chǎn)品編號閥芯批次號數(shù)量2-0A1668532-0B09-183332-0CN16032-0DFEP32-0EPFA3

3.1.2 試驗過程

閥門性能的穩(wěn)定性，體現(xiàn)在響應(yīng)特性、行程、流阻特性和密封性能等方面。幾個方面互相關(guān)聯(lián)，互相影響：當(dāng)閥門的行程超大后會造成閥門響應(yīng)速度變慢，若為發(fā)動機閥則會造成發(fā)動機不能按照指令準(zhǔn)確開關(guān)，嚴重的會造成發(fā)動機脈沖工作不正常；閥門行程變小會造成閥門的流阻增大，發(fā)動機燃料供應(yīng)不充足，推力不足，對于雙組元發(fā)動機，若閥門的流阻變化，嚴重的會使發(fā)動機混合比失控推力不足，甚至無法點火；行程變大后，彈簧壓縮量變小，提供的密封力亦相應(yīng)減小，密封比壓下降，造成閥門密封性能變差、閥門泄漏。因此，本試驗中，閥門的穩(wěn)定性主要以閥門的行程參數(shù)變化為指標(biāo)，適當(dāng)考慮響應(yīng)特性、密封性能等方面。

按圖3進行試驗，其中：

驗收級熱循環(huán)：循環(huán)溫度10～90 ℃，循環(huán)次數(shù)6次，每次循環(huán)在高溫端和低溫端至少停留1 h，并在第一次循環(huán)和最后一次循環(huán)的最高和最低溫度端空載動作兩次；

鑒定級熱循環(huán)：循環(huán)溫度0～100 ℃，循環(huán)次數(shù)12次，每次循環(huán)在高溫端和低溫端至少停留1 h，并在第一次循環(huán)、第六次循環(huán)和最后一次循環(huán)的最高和最低溫度端空載動作兩次。

通過測量記錄試驗每個階段各個閥門的行程、響應(yīng)特性以及密封性能等參數(shù)，找出性能最穩(wěn)定的閥門對應(yīng)的閥芯。

圖3 試驗項目及順序圖
Fig.3 Experiment contents and sequence

3.1.3 試驗結(jié)果

1)第一輪試驗結(jié)果分析

第一輪試驗(試驗項目及順序見圖3)行程參數(shù)變化如表 3。對第一輪的試驗結(jié)果進行分析，發(fā)現(xiàn)動作試驗后、驗收級熱循環(huán)、鑒定級熱循環(huán)試驗后，閥芯E的行程變化量最小，流阻試驗后，閥芯E的行程變化量最大。但從總變化量上看，閥芯E的行程變化量0.12 mm為最小。閥芯E采用的PFA表現(xiàn)出優(yōu)異的耐溫性能。

2)第二輪試驗結(jié)果分析

將第一輪試驗的5件閥門分解，更換閥芯，重新裝配并進行第二輪試驗，第二輪試驗(試驗項目及順序見圖3)行程參數(shù)變化如表 4，對第二輪的試驗結(jié)果進行分析，發(fā)現(xiàn)閥芯E的行程變化量0.14 mm為最小，與第一輪試驗的結(jié)果一致。

表4 第二輪試驗行程參數(shù)變化表Tab.4 Parameters of spool stroke in the second experiment mm

3)第三輪試驗結(jié)果分析

將第二輪試驗的5件閥門分解，更換閥芯，重新裝配并進行第三輪試驗，第三輪試驗(試驗項目及順序見圖3)行程參數(shù)變化如表 5，對第三輪的試驗結(jié)果進行分析，發(fā)現(xiàn)閥芯E的行程變化量為0.18 mm，依然最小，與前兩輪試驗的結(jié)果一致。

表5 第三輪試驗行程參數(shù)變化表Tab.5 Parameters of spool stroke in the third experiment mm

對三輪試驗的結(jié)果進行整合，同樣情況下，閥芯E的行程變化最小，參考閥芯E的材料參數(shù)，閥芯E(PFA)的材料力學(xué)性能以及耐溫能力均強于其它閥芯材料(見表1)，為理想的閥芯密封材料。

3.2 PFA的電磁閥高溫試驗

3.2.1 試驗準(zhǔn)備

將PFA材料制成的閥芯裝于閥門中，進行環(huán)境試驗，本輪試驗共裝配一臺產(chǎn)品。

3.2.2 試驗過程

按圖4進行試驗，與篩選試驗相比，高溫試驗在試驗最高溫度、循環(huán)次數(shù)、高低溫端保持時間方面更嚴苛，并在環(huán)境試驗后進行壽命試驗，其中：

熱循環(huán)試驗：循環(huán)溫度-15～135 ℃，循環(huán)次數(shù)25.5次，每次循環(huán)在高溫端和低溫端至少停留4 h，并在第一次循環(huán)和最后一次循環(huán)的最高和最低溫度端空載動作兩次；

熱真空試驗：循環(huán)溫度-15～135 ℃，循環(huán)次數(shù)6.5次，每次循環(huán)在高溫端和低溫端至少停留4 h，并在第一次循環(huán)和最后一次循環(huán)的最高和最低溫度端空載動作兩次。

圖4 試驗項目及順序圖
Fig.4 Test contents and sequence

3.2.3 試驗結(jié)果

試驗結(jié)果如表6所示。由試驗過程數(shù)據(jù)分析可知，經(jīng)過熱學(xué)(熱循環(huán)和熱真空)和力學(xué)環(huán)境試驗后，閥門的開啟時間變化小于1 ms，關(guān)閉時間變化為0.3 ms，50萬次壽命試驗前后，閥門的性能數(shù)據(jù)基本沒變化。

本次試驗表明：由PFA材料加工而成的閥芯裝配的閥門產(chǎn)品在高溫下性能穩(wěn)定，經(jīng)過-15～135 ℃的熱試驗、力學(xué)試驗和50萬次壽命試驗后，產(chǎn)品的漏率依然維持在1.0×10-7Pa·m3/s量級，可滿足深空探測高溫環(huán)境對閥門的要求。

表6 試驗過程中行程、響應(yīng)及漏率變化表Tab.6 Spool stroke, response and leak rate in experiment process

4 總結(jié)

本文通過常溫電磁閥的比對試驗，確定了可耐高溫的PFA做為高溫電磁閥的閥芯密封材料，此材料的閥芯通過了-15～135 ℃的環(huán)境試驗驗證，并經(jīng)50萬次壽命試驗后，主要性能穩(wěn)定?？蓾M足深空探測系統(tǒng)對閥門的高溫環(huán)境要求，該研究成果可為其它高溫閥門設(shè)計時提供參考。