1、概述

　　在跨超聲速風(fēng)洞運(yùn)行過(guò)程中，隨著氣源壓力的下降，通過(guò)控制調(diào)壓閥的開(kāi)度，以保證穩(wěn)定段內(nèi)氣流壓力穩(wěn)定在某一運(yùn)行壓力值，以維持風(fēng)洞的正常運(yùn)行。調(diào)壓閥的性能直接關(guān)系到風(fēng)洞運(yùn)行壓力、試驗(yàn)段馬赫數(shù)控制精度及試驗(yàn)段流場(chǎng)品質(zhì)。實(shí)踐證明，環(huán)形縫隙套筒式調(diào)壓閥具有良好的調(diào)節(jié)特性，在國(guó)內(nèi)外跨超聲速風(fēng)洞中應(yīng)用非常廣泛。但由于工作環(huán)境惡劣，副密封經(jīng)常出現(xiàn)故障，嚴(yán)重影響了閥門(mén)的正常運(yùn)行，給風(fēng)洞設(shè)備和參試人員帶來(lái)了安全隱患，因此探索和改進(jìn)副密封的結(jié)構(gòu)形式是提高該閥門(mén)可靠性的關(guān)鍵。

圖1 套筒式調(diào)壓閥結(jié)構(gòu)

2、環(huán)形縫隙套筒式調(diào)壓閥結(jié)構(gòu)

　　常見(jiàn)環(huán)形縫隙套筒式調(diào)壓閥結(jié)構(gòu)如圖1所示。閥門(mén)關(guān)閉時(shí)套筒兩端有兩道密封，分別稱(chēng)為主密封和副密封。副密封采用7形密封圈，由壓板固定在內(nèi)筒上，主密封采用凸字形密封圈，由壓板固定在套筒上。閥前后壓差在0.1~2.0MPa之間，閥門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，套筒在油缸的推動(dòng)下將主副密封圈同時(shí)壓緊，從而起到密封作用。閥門(mén)開(kāi)度較小時(shí)，主、副密封處流速很快，對(duì)密封圈的沖擊很大，閥門(mén)開(kāi)度增大后，氣流主要通過(guò)套筒前緣流出。

3、副密封失效分析

　　環(huán)形縫隙套筒式調(diào)壓閥副密封最常見(jiàn)的故障形式是密封圈斷裂脫落，從而導(dǎo)致閥門(mén)漏氣，關(guān)閉不到位或套筒撞擊導(dǎo)向套筒的情況。在套筒處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，副密封圈兩邊均受擠壓力，處于穩(wěn)定狀態(tài)。而在套筒打開(kāi)的狀態(tài)下，因?yàn)榄h(huán)帶與套筒貼合不夠緊密，此時(shí)副密封不再起密封作用，氣流同時(shí)還通過(guò)環(huán)帶從副密封圈周邊流過(guò)，套筒開(kāi)度較小時(shí)，閥前后壓差較大，通過(guò)副密封圈周邊的氣流速度很快，對(duì)密封圈的沖擊很大。該密封圈的左側(cè)僅有一半得到支撐，副密封圈下緣在套筒的搓動(dòng)以及右側(cè)強(qiáng)氣流的沖擊下，逐漸出現(xiàn)裂紋，最后徹底斷裂，進(jìn)入套筒與內(nèi)筒體的空腔內(nèi)。在套筒的不斷往復(fù)運(yùn)動(dòng)中，斷裂的密封圈被搓成棒狀，最后從套筒和內(nèi)筒體的縫隙中被吹出。閥門(mén)關(guān)閉時(shí)有些未被吹出的碎屑卡塞在壓板前，導(dǎo)致套筒無(wú)法繼續(xù)向關(guān)閉方向前進(jìn)，從而出現(xiàn)套筒被彈開(kāi)或無(wú)法關(guān)閉到位的情況。隨著副密封圈的大量脫落，套筒關(guān)閉時(shí)副密封圈應(yīng)有的緩沖作用逐漸減弱，主密封圈就會(huì)承受強(qiáng)大的沖擊力，主密封圈外露部分被全部壓縮后，套筒金屬面與導(dǎo)向套筒直接撞擊，閥門(mén)關(guān)閉時(shí)發(fā)出金屬撞擊的聲音。副密封圈斷裂及被吹出的過(guò)程如圖2所示。

圖2 副密封圈斷裂及被吹出的過(guò)程

　　副密封圈與主密封圈材質(zhì)一致，所經(jīng)受的沖擊基本相同，但是兩者的結(jié)構(gòu)形式以及固定方式差別很大。主密封圈如圖1放大圖P所示為凸字形，無(wú)論套筒處于關(guān)閉還是打開(kāi)狀態(tài)，該密封圈的大部分被緊緊地壓在槽內(nèi)，只露出少部分。這種結(jié)構(gòu)在氣流的沖擊下，不會(huì)被折斷，也不會(huì)被吹出。與主密封圈相比，副密封圈的結(jié)構(gòu)以及壓緊方式都不利于抵抗氣流的沖擊。因此解決該問(wèn)題主要立足于不改變套筒結(jié)構(gòu)，從副密封圈的結(jié)構(gòu)以及壓緊方式這兩個(gè)方面來(lái)考慮。

4、副密封圈改進(jìn)方案及選擇

4.1、方案①

　　如圖3所示。改變了副密封圈的外部形狀，在副密封圈的內(nèi)部增加⌈形金屬?gòu)椥凿摷埽�以增�?qiáng)副密封圈在氣流的沖擊下抵抗折斷撕裂的能力，同時(shí)對(duì)副密封圈壓板下緣做了延伸，壓板前端加工出長(zhǎng)16mm，厚1mm的凸出部分，將副密封圈半包圍保護(hù)起來(lái)，避免下緣受到氣流的沖擊。由于副密封圈內(nèi)增加彈性鋼架后，副密封圈圓周方向不再有彈性，而副密封圈安裝時(shí)必須從套筒前主密封面位置套入，主密封圈位置直徑比副密封圈內(nèi)徑大，如果副密封圈做成整圈，因不能拉伸而無(wú)法安裝。為此，該方案中將副密封圈分成3段以便于安裝。

圖3 副密封改進(jìn)方案一

　　該方案的優(yōu)點(diǎn)是密封圈抗彎曲抗撕裂能力強(qiáng)，密封圈下緣不再受套筒的搓動(dòng)以及氣流的沖擊。缺點(diǎn)在于，由于密封圈分段，段間接頭處密封很難處理，存在漏氣隱患。另外，密封圈壓板下緣延伸部分太薄尺寸很難保證，安裝時(shí)容易卷邊，一旦與套筒相蹭將導(dǎo)致該處撕裂，如與套筒咬合在一起，有導(dǎo)致套筒被卡塞的隱患。

4.2、方案②

　　如圖4所示。參照主密封圈的外形和壓緊方式，將副密封圈改為J形，內(nèi)部不增加補(bǔ)強(qiáng)填充材料，也不再分段。壓緊板由均為四段的內(nèi)襯圈和壓板組合而成，兩者采用兩面對(duì)扣的形式將副密封圈緊緊卡在槽內(nèi)。壓板與內(nèi)筒體間增加密封墊片，以確保氣流不從兩者間穿過(guò)。

　　該方案的優(yōu)點(diǎn)是大大改善了副密封圈的受力方式。無(wú)論套筒是開(kāi)是合，密封圈都始終處于合理的包裹狀態(tài)。為了安裝方便，內(nèi)襯圈與壓板間徑向兩側(cè)均設(shè)有定位止口，安裝時(shí)內(nèi)襯圈壓入壓板槽內(nèi)就可確保內(nèi)襯圈與壓板間徑向無(wú)法移動(dòng)，內(nèi)襯圈和壓板貼合后所形成的空腔為密封圈的固定槽。密封圈與套筒相貼面設(shè)計(jì)為平面，在套筒關(guān)閉后套筒上的柱面與密封圈的平面相貼，即使密封圈徑向有偏移，兩者間的貼合面仍能得到保證。

圖4 副密封改進(jìn)方案二

　　風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果證明，方案º可操作性好，密封性能可靠，能有效提高密封圈的壽命。

5、結(jié)語(yǔ)

　　跨超聲速風(fēng)洞環(huán)形縫隙套筒式調(diào)壓閥的⌈形副密封圈因支撐不良易撕裂，不宜做該閥的副密封圈，而J形副密封圈因具有良好支撐結(jié)構(gòu)，耐氣流沖擊，適宜用于環(huán)向縫隙套筒式調(diào)壓閥的副密封圈。

參考文獻(xiàn)

　　[1]劉政崇.風(fēng)洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1M2.北京：中國(guó)宇航出版社，2005.