引言
隨著中國航天技術的不斷深入發展，載人航天技術、繞月探月乃至登月的實現，大型運載火箭（長征五號）得到快速發展。高壓（LH2及LO2高達15MPa、RP-3高達45MPa、氣壓高達60MPa）、大流量（水流量224kg/s、空氣流量1.15kg/s）、低溫（-254℃及-183℃）、快速響應（開關響應3~8ms）等高性能閥門需求越來越大。本設計即是為了設計一種低溫氣動閥，完成嚴酷環境下運載火箭氣瓶的充、放氣功能。
1 設計要求
（1）工作介質：氦氣、氮氣、氧氣、壓縮空氣。
（2）控制氣壓力：4MPa～4.5MPa。
（3）氣源壓力（工作壓力）：22.6±0.5MPa。
（4）工作溫度：190～313K。
（5）打開壓差：不大于0.5MPa。
（6）閥門公稱通徑：φ4、連接螺紋M12×1.25-6h。
（7）工作壽命：可靠接通不低于200次。
2 方案調研
經對目前國內現有的氣動閥門及耐低溫情況調研可知，氣動或液動閥門是以一定壓力的空氣、水或油為動力源，利用氣缸（或液壓缸）和活塞的運動來驅動閥門的，一般氣動的空氣壓力小于0.8MPa，液動的水壓或油壓為2.5～25MPa。氣液驅動裝置又可分成往復型和回轉型兩種。往復型氣、液驅動裝置用于驅動閘閥、截止閥或隔膜閥。
凡溫度低于-40℃的溫度工作的閥門為低溫閥，低溫閥能在溫度降至-196℃的情況下輸送液化氣體，如氮氣、氧氣或天然氣等。低溫閥最顯著的特點通常是在主閥體與操作手輪（操縱桿）之間裝有氣柱和加長閥蓋機構，其作用在于使閥門從極低溫度到工作點有一個溫度梯度。
目前國內廣泛采用的QQ型系列部分回轉閥門氣動裝置：使用環境溫度為-25～+70℃、工作介質溫度為5～60℃，供氣壓力為0.4～0.7MPa。
低溫閥門可采用無填料的波紋管密封結構。但單層波紋管即使采用加強環，其使用壽命仍然很短。這是由于低溫閥中閥門快速關閉或液體管道中可能存在氣穴等引起水擊所致，但使用多層波紋管就可大大提高閥門的使用壽命。
3 總體方案設計
由于本產品直接用于運載火箭，所以產品設計在滿足用戶要求的技術指標、環境條件、外形及接口條件下，還要求結構上工藝性好、質量小、體積小、可靠性高。
根據本產品總體技術指標要求，必須采用氣動控制閥與單向閥的復合式結構。在軸向主閥體內采用升降式結構，彈簧力作用在主活門上，保證主活門的預緊力及主活門的復位；主密封部位采用金屬“R”型面與氟塑料平面配合的軟密封結構；打開方式為控制氣通過導桿傳導力打開主活門放氣，撤掉控制氣主活門通過彈簧自動關閉。方案結構圖如圖1所示。
4 結構設計
低溫氣動閥采用氣動控制就存在導向密封，方式有活塞密封及波紋管密封，活塞密封必須有“O”形圈，本產品的使用溫度為190K～313K，相當于-83～+40℃。經查找有關資料，目前我國橡膠的使用溫度的下限為-70℃，已超過本產品的使用溫度下限，所以“O”形圈結構無法采用，因此，用“O”型橡膠圈密封的活塞作動器基本上不能使用，故只有采用金屬波紋管作為動密封，金屬波紋管作為動密封使用溫度范圍為-253～+600℃，完全滿足要求。為調節波紋管組件的長度，裝配時要求頂桿可以根據具體要求長度進行加工，以保證頂桿頭距閥芯端面有0～0.5mm的間隙。頂桿直徑為7～10mm，而頂桿頭直徑為3mm，頂桿銑成多棱，既保證波紋管內部通氣又給波紋管組件導向。確保在任何情況下，閥芯開度為0.7mm，因此低溫氣動閥工作時，雙波紋管組件總的壓縮行程是0.7～1.2mm。另外，據以往經驗，頂桿頭直徑為3mm，材料為F151、FS46作為密封材料是可行的。在-83～+40℃溫度范圍使用，配合間隙為H9/e9即可防止低溫卡死。
充氣活門采用升降式單向活門結構，彈簧力作用在付活門上，保證付活門的預緊力及付活門的復位；密封部位采用金屬“R”型面與氟塑料平面配合的軟密封結構，彈簧設計滿足不大于0.5MPa的打開壓差�；铋T密封結構示意圖如圖2所示。
由于軟鋁墊片硬密封結構不能滿足低溫密封結構，而聚四氟乙烯膨脹系數大，隨著溫度降低，氟塑料收縮量很大，會使密封性能下降，容易引起泄漏。為保證低溫狀態下的密封可靠性，產品的外密封部位均采用軟鋁墊片表面噴涂形式，其密封形式已經過大氫氧試驗站用氫氧排氣閥的試驗驗證，使用溫度最低可至-190℃以下。
5 主要材料及元器件的選型
根據低溫氣動閥的使用要求和特點，結合實際生產及工藝的特點，確定本產品主要零、部件的材料，據有關資料介紹，在工作介質為有氧氣時，限制了閥門材料的使用范圍：即鈦、鈦合金不能使用，如果充放氧氣速度超過30m/s，則含鈦合金不能使用，否則會燒掉。因此為保證可靠密封和抗擠，壓單向閥閥口密封副選用FS3-F151、聚砜-1Cr18Ni9�？刂魄粌炔y管，在充氣時，要能承受22.6MPa的壓力，選用屈服極限高的GH4169合金，它的屈服極限為900MPa，彈簧材料選用1Cr18Ni9YB（T）11-1983，以上這些材料均不含鈦。接管嘴材料為F151（HRC33～38），閥體材料為1Cr18Ni9，外密封部位密封墊材料采用軟鋁墊片（1035-0）表面噴涂Fs46，滿足整體設計要求。
經調研對比選擇了沈陽儀器儀表研究院生產的U形金屬波紋管，該院生產的金屬波紋管已大量應用于火箭發動機，質量性能可靠。選用的波紋管技術性能指標如下，管坯為GH4169、工作壓力：p內=22.6MPa、使用溫度范圍為-253～+600℃、工作壽命不低于200次、工作行程為2mm。U形金屬波紋管結構如圖3所示。
D-外徑d-內徑a-波厚t0-波距δ-單層壁厚L-總長
L1-有效長度D1、d1-端頭直徑l-接頭長度，左端為外配合
6 承壓強度校核
6.1 工作腔強度校核
6.2 控制腔強度校核
6.3 波紋管強度校核
根據與波紋管生產廠家的協調，波紋管選擇6層，實際厚度為1.02mm，理論計算爆破壓力應為44MPa，完全滿足要求。.
6.4 波紋管的承壓面積校核
波紋管的承壓面積取波紋管內徑與外徑的中間值，外徑為φ25、內徑為φ16.6，則波紋管承壓面積為339.8mm2（φ20.8）為28.26mm2（φ6）的12倍，控制氣壓力為4.5MPa，氣瓶工作壓力22.6MPa，氣瓶工作壓力僅為控制壓力的4倍，當氣瓶放氣時，頂桿足夠打開主閥放氣。
6.5 頂桿拉壓應力校核
7 密封比壓驗算
7.1 充氣口密封比壓驗算
進行密封設計時，應滿足下列條件：
SMF——材料的最小比壓，單位為kg/cm2；
α、c——與密封材料有關的系數；
Δp——密封壓差，單位為kg/cm2；
b——密封面寬度，單位為cm；
S——最小設計比壓，單位為kg/cm2；
S'——最大設計比壓，單位為kg/cm2；
F——密封力，單位為kg；
de——密封面等效直徑，單位為cm；
[S]——密封材料的許用比壓，單位為kg/cm2。
故充氣口密封比壓滿足設計要求。
7.2 放氣口密封比壓的驗算
主活門密封材料選用聚砜，根據5.4相關公式要求
8 主彈簧的設計驗證
（1）初設參數。
根據產品使用要求，選擇彈簧材料為高強度不銹鋼絲1Cr18Ni9 YB（T）11-1983，其剪切彈性模量：G=73000MPa。
則彈簧試驗切應力：
此值符合一般要求α=5°～9°。
（6）彈簧的穩定性驗算。
采用兩端支承，其高徑比b=H0/D=28.625/11=2.6，可知b＜5.3，滿足穩定性要求。
（7）計算彈簧材料展開長度
9 付彈簧的設計驗證
（1）初設參數。
根據產品使用要求，選擇彈簧材料為高強度不銹鋼絲1Cr18Ni9YB（T）11-1983，其剪切彈性模量：G=73000MPa。
則彈簧試驗切應力：
此值符合一般要求α=5°～9°。
（6）彈簧的穩定性驗算。
采用兩端支承，其高徑比b=H0/D=19/9=2.1，可知b＜5.3，滿足穩定性要求。
（7）計算彈簧材料展開長度。
10 結論
通過對低溫氣動閥的方案設計、驗算驗證等，成功完成了低溫氣動閥的設計。經過多年實踐驗證上述分析正確，計算可行，可以完全滿足各項設計要求。隨著航天科技的發展，低溫氣動閥將獲得越來越廣泛的應用。
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