一种耐高温阀芯密封材料在阀门上的应用

王立君 黄爱清 唐妹芳

(1.上海空间推进研究所，上海 201112;2.上海空间发动机工程技术研究中心，上海 201112)

0 引言

随着深空探测技术的发展，对深空探测器的环境温度要求越来越高，姿控发动机用电磁阀的最高工作温度由原先的80 ℃上升为140 ℃，而传统的阀芯密封材料使用温度小于100 ℃，不能满足深空探测的环境要求，为了适应系统新的要求，需突破高温阀芯材料技术的应用。

1 电磁阀的原理

电磁阀的工作原理见图1：电磁阀在线圈未通电时，靠介质压力及弹簧力，将阀芯(与阀芯组件连成一体)压紧在阀座上，在电磁阀内腔流道上形成密封副。当给线圈通以一定电流时，由软磁合金材料构成的壳体组件、阀芯组件和罩壳被磁化，与线圈构成磁回路，对阀芯组件产生轴向吸力，吸引阀芯组件向远离阀座方向运动，直至电磁吸力克服弹簧力和介质压力，使阀门完全开启。只要线圈持续通电，阀门就一直保持开启状态，直到电流切断，电磁吸力下降到不足以克服弹簧力和介质压力的合力时，阀芯复位，阀门关闭。

图1 电磁阀的工作原理图Fig.1 Working principle of the solenoid valve

由阀芯和阀座刃口构成的密封副保证产品的密封性能，为了密封性能的良好，需要阀芯和阀座材料在一定的温度范围内性能稳定。

常用的密封副形式有硬密封和软密封两种：硬密封副要求产品零件加工精度高，表面粗糙度小，对中性好，否则很难达到上万次工作寿命和低泄漏率，适用于高压(约15 MPa以上)工作压力；软密封副具有良好的抗污染能力，只要较低的密封比压就可达到良好的密封性能。设计上，可以达到上百万次工作寿命。

姿控发动机用电磁阀一般工作压力比较低，小于2.0 MPa，工作次数要求比较高，因此广泛采用软密封式密封副，即将较软的阀芯材料嵌入阀芯组件，与阀座的硬刃口构成密封副来保证产品的密封性能。

2 耐高温阀芯材料性能

几种耐高温阀芯材料的性能参数对比如表1。由表1中可知5种材料(FEP，16685，09-1833，N160，PFA)的最高可连续使用温度均大于200 ℃，可以满足电磁阀最高140 ℃的工作环境。

3 试验验证情况

首先对5种耐高温材料阀芯按正常电磁阀环境条件进行对比试验，找出性能最稳定的材料。然后对找出的性能最稳定的材料进行电磁阀的高温环境试验，通过试验前后的数据比对来验证材料的高温性能。

表1 耐高温阀芯材料性能参数对比表Tab.1 Comparison of performance parameters of high-temperature valve core materials

3.1 五种阀芯材料的对比试验

3.1.1 试验准备

阀芯采用上述5种原料粒子加工而成(如图2)，装在不同的阀门里，进行环境试验。为避免试验的偶然性，每种阀芯各做三件，试验进行三轮，每轮同种阀芯材料对应不同的阀门，阀门的装配状态及试验内容相同，阀芯编号与阀芯材料的对应如表 2。

图2 五种原料加工成的阀芯组件Fig.2 Valve core components made from five materials表2 不同阀芯材料对应产品编号表Tab.2 Numbers of different valve core materials

产品编号阀芯批次号数量2-0A1668532-0B09-183332-0CN16032-0DFEP32-0EPFA3

3.1.2 试验过程

阀门性能的稳定性，体现在响应特性、行程、流阻特性和密封性能等方面。几个方面互相关联，互相影响：当阀门的行程超大后会造成阀门响应速度变慢，若为发动机阀则会造成发动机不能按照指令准确开关，严重的会造成发动机脉冲工作不正常；阀门行程变小会造成阀门的流阻增大，发动机燃料供应不充足，推力不足，对于双组元发动机，若阀门的流阻变化，严重的会使发动机混合比失控推力不足，甚至无法点火；行程变大后，弹簧压缩量变小，提供的密封力亦相应减小，密封比压下降，造成阀门密封性能变差、阀门泄漏。因此，本试验中，阀门的稳定性主要以阀门的行程参数变化为指标，适当考虑响应特性、密封性能等方面。

按图3进行试验，其中：

验收级热循环：循环温度10～90 ℃，循环次数6次，每次循环在高温端和低温端至少停留1 h，并在第一次循环和最后一次循环的最高和最低温度端空载动作两次；

鉴定级热循环：循环温度0～100 ℃，循环次数12次，每次循环在高温端和低温端至少停留1 h，并在第一次循环、第六次循环和最后一次循环的最高和最低温度端空载动作两次。

通过测量记录试验每个阶段各个阀门的行程、响应特性以及密封性能等参数，找出性能最稳定的阀门对应的阀芯。

图3 试验项目及顺序图
Fig.3 Experiment contents and sequence

3.1.3 试验结果

1)第一轮试验结果分析

第一轮试验(试验项目及顺序见图3)行程参数变化如表 3。对第一轮的试验结果进行分析，发现动作试验后、验收级热循环、鉴定级热循环试验后，阀芯E的行程变化量最小，流阻试验后，阀芯E的行程变化量最大。但从总变化量上看，阀芯E的行程变化量0.12 mm为最小。阀芯E采用的PFA表现出优异的耐温性能。

2)第二轮试验结果分析

将第一轮试验的5件阀门分解，更换阀芯，重新装配并进行第二轮试验，第二轮试验(试验项目及顺序见图3)行程参数变化如表 4，对第二轮的试验结果进行分析，发现阀芯E的行程变化量0.14 mm为最小，与第一轮试验的结果一致。

表4 第二轮试验行程参数变化表Tab.4 Parameters of spool stroke in the second experiment mm

3)第三轮试验结果分析

将第二轮试验的5件阀门分解，更换阀芯，重新装配并进行第三轮试验，第三轮试验(试验项目及顺序见图3)行程参数变化如表 5，对第三轮的试验结果进行分析，发现阀芯E的行程变化量为0.18 mm，依然最小，与前两轮试验的结果一致。

表5 第三轮试验行程参数变化表Tab.5 Parameters of spool stroke in the third experiment mm

对三轮试验的结果进行整合，同样情况下，阀芯E的行程变化最小，参考阀芯E的材料参数，阀芯E(PFA)的材料力学性能以及耐温能力均强于其它阀芯材料(见表1)，为理想的阀芯密封材料。

3.2 PFA的电磁阀高温试验

3.2.1 试验准备

将PFA材料制成的阀芯装于阀门中，进行环境试验，本轮试验共装配一台产品。

3.2.2 试验过程

按图4进行试验，与筛选试验相比，高温试验在试验最高温度、循环次数、高低温端保持时间方面更严苛，并在环境试验后进行寿命试验，其中：

热循环试验：循环温度-15～135 ℃，循环次数25.5次，每次循环在高温端和低温端至少停留4 h，并在第一次循环和最后一次循环的最高和最低温度端空载动作两次；

热真空试验：循环温度-15～135 ℃，循环次数6.5次，每次循环在高温端和低温端至少停留4 h，并在第一次循环和最后一次循环的最高和最低温度端空载动作两次。

图4 试验项目及顺序图
Fig.4 Test contents and sequence

3.2.3 试验结果

试验结果如表6所示。由试验过程数据分析可知，经过热学(热循环和热真空)和力学环境试验后，阀门的开启时间变化小于1 ms，关闭时间变化为0.3 ms，50万次寿命试验前后，阀门的性能数据基本没变化。

本次试验表明：由PFA材料加工而成的阀芯装配的阀门产品在高温下性能稳定，经过-15～135 ℃的热试验、力学试验和50万次寿命试验后，产品的漏率依然维持在1.0×10-7Pa·m3/s量级，可满足深空探测高温环境对阀门的要求。

表6 试验过程中行程、响应及漏率变化表Tab.6 Spool stroke, response and leak rate in experiment process

4 总结

本文通过常温电磁阀的比对试验，确定了可耐高温的PFA做为高温电磁阀的阀芯密封材料，此材料的阀芯通过了-15～135 ℃的环境试验验证，并经50万次寿命试验后，主要性能稳定。可满足深空探测系统对阀门的高温环境要求，该研究成果可为其它高温阀门设计时提供参考。