阀门低温振动试验的多余物控制技术

杨 寒，徐庆逍

(北京航天试验技术研究所，北京 100074)

0 引言

多余物是一种在产品中存在的、由外部进入或内部产生的、与产品规定状态不符的物质[1]。在航天阀门与组合件试验中，多余物控制一直是试验质量工作的重中之重。阀门低温振动试验是一种在低温状态下，对试验件施加额定工况的振动条件，测试其启闭性能、密封性能的试验，考核试验件在箭上的工作状态。试验同时面临低温和振动两大严苛考验：一方面，大多数材料在低温条件下韧性下降，刚性增大，发生脆性损伤的可能性增大，产生多余物的可能性增加；另一方面，振动试验为尽可能的模拟试验件经历的真实工况，振动量级大，振动时间长，容易将薄弱点振动脱落。一旦有多余物进入阀门内部，轻则划伤阀门密封面，造成阀门密封不严，出现内漏；重则进入发动机内，造成发动机故障，影响发射。因此，如何在阀门低温振动试验时对多余物进行有效控制，防止多余物进入阀门，是需要解决的问题。

1 多余物简介

1.1 多余物类型

多余物根据产生方式、材料种类、大小形状、危害程度的不同可以有多种分类方式。按照材料种类，将低温振动试验可能引入、产生的多余物分为金属多余物、非金属多余物和冰三大类。

1.1.1 金属多余物

金属多余物主要来源于系统管路、附件及试验件，由于振动过程使脆弱点崩裂脱落，其中铅封块、弹簧、焊接接口、连接铆钉等是主要的脆弱点，特别是相对运动的组件如顶杆、推杆、波纹管组件最易形成破损产生多余物。金属多余物形态各异，尺寸范围大，在强光照射下多呈现金属光泽。这类多余物硬度相对较高，危害性最大，如果进入试验件内部，嵌入到密封端面上，将导致试验件密封不严，出现内漏漏率增大现象；如果通过阀门进入了涡轮泵内部，可能导致泵轮由于撞击产生薄弱点，进而导致故障。因此，金属多余物控制是重中之重。

1.1.2 非金属多余物

非金属多余物主要在试验件生产、运输及装配过程中，由外界引入系统内部。低温振动试验中可能引入的该类多余物主要有油膏、橡胶密封件的飞边、稠布丝、清洗液残留物、环氧树脂屑、非金属纤维物、尘埃等。该类多余物在常温下硬度大多较低，但在低温下物性会迅速变化，对试验件和试验系统造成危害，必须严防非金属多余物的引入。

1.1.3 冰

冰是一种相对特殊的多余物，它在常温下表现为水蒸气，仅能通过采集化验进行测量量化，但是一旦进入低温状态下，气体介质中所包含的水蒸气会迅速液化、凝结为冰颗粒，并随着温度的下降硬度增大，在-50℃时，冰的硬度达到6(莫氏硬度)，超过了钢铁的硬度(莫氏硬度4～5)。在低温振动试验过程中，冰的危害性不亚于金属多余物，它不仅会对试验件的顶杆、推杆、密封面造成损伤，在恢复常温后就会变成水蒸气而导致其难以追溯。因此，冰是低温试验中需要特别注意防范的一种多余物。

1.2 多余物检查工具

低温振动试验多余物主要使用目视检测法进行检查，所使用的工具主要有放大镜、显微镜和内窥镜3类。

1)放大镜主要用于对试验系统、试验件目之所及的连接口、端口进行检查，查看是否有多余物存在，或可能产生多余物的裂痕、划伤。由于其操作简单，使用方便，在试验中应用广泛。

2)显微镜主要用于对清洗液进行检查。由于操作复杂，对环境要求高，在现场应用中较少。

3)内窥镜可以深入试验件内部，对内腔、细长深小孔、盲孔、连接处等部位进行检查，是现阶段最可靠的检查工具。在检查中有两点应特别注意：一是对内窥镜进行保养清洁，防止在探头上附着灰尘引入多余物；二是在低温下内窥镜探头容易爆裂，因此只能在常温环境下使用。

2 多余物控制工艺

2.1 装配过程

装配过程主要是指试验件与出入口工装对接、出入口工装与试验系统对接的过程。

试验件与出入口工装对接过程在无尘装配间完成，所用工装、螺栓、螺母、装配工具、保护盖均为金属材料，装配前均应使用酒精进行清洗，而后使用氮气吹除，清洁完毕后用放大镜对所用工装、螺栓、螺母、保护盖表面进行检查，确认洁净、无裂纹、无磕痕后方可进行安装对接。对接完成使用洁净的白绸布覆盖防止多余物进入。

出入口工装与试验系统对接过程在洁净的试验现场完成，在装配过程中系统各接口均保持0.5 MPa正压气吹除，一次性装配到位，减少对接口的旋转摩擦，如果是螺纹连接要尽可能避免或减少油膏的使用。

2.2 介质供应系统

安装过滤器是介质供应系统控制多余物最有效的手段，为了在保证流动通畅的情况下拦截到尽可能小的多余物，一般情况下，液氢介质使用40 μm过滤网，液氮介质使用70 μm过滤网，冷氦介质使用10 μm过滤网[2]。另外，该过滤器应尽可能安装于靠近试验件的位置。同时应根据实际情况定期或定频对所用过滤器进行分解检查，使用放大镜检查过滤网、支撑架，确认过滤网上无多余物附着、支撑架表面光滑后方可重新进行安装。

2.3 试验工装系统

试验工装系统主要包括入口软管、入口工装、出口工装、出口软管等，其中入口软管、入口工装位于试验件上游，存在引入多余物的可能性；而出口工装、出口软管位于试验件下游，引入多余物可能性低。

低温振动模拟试验虽然可以暴露已经存在的问题和缺陷，降低多余物引入风险，却依然无法对真实试验过程中产生的多余物进行100%的预防。为此，在原有设备基础上进行改进，设计新型入口工装，结构采用分体式，分为内芯与外壳，整体材料选用06Cr19Ni10；H高度由试验件安装时的位置决定，在不触及底座的情况下应尽可能的减小H值，以保证振动的传递性；R1、R2、R3、D4由试验件对接入口决定，以配合、密封为标准；内芯与外壳之间、内芯与试验件之件的密封圈使用聚四氟乙烯加工；过滤网型号由所用介质决定。

3 实施效果

为验证上述措施效果，使用某型阀门工艺件做为试验件进行低温振动试验的对比试验，验证新措施对试验结果造成的影响。由实施前后试验箱压对比可以发现(见图1)，实施前箱压压力为0.410～0.430 MPa，实施后箱压压力为0.408～0.431 MPa，考虑到试验误差的存在，可以认为上述措施对压力测试值无影响。而后对试验件进行烘干分解，未发现阀体内存在多余物，可以认为上述措施可靠、有效。

图1 实施前后试验箱压变化图

4 结语

本文针对低温振动试验的多余物控制技术进行研究，从装配过程、介质供应系统和吹除置换系统、试验工装系统三个方面进行分析，提出具体实施方案。

1)装配过程对使用的所有部件、工具进行清洁、吹扫，检查无缺陷后方可进行试验。

2)试验前进行低温模拟振动试验。

3)设计使用新型工装。

对比试验结果表明：该方案在不影响试验结果可靠性的前提下，可对多余物进行有效控制，规避多余物风险。