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user: 3. 超低温阀门驱动机构防卡滞技术及其典型案例 提高驱动机构运动的可靠性是低温气动阀门设计的一项重要内容。驱动机构在运动中最容易出现的故障就是运动副的卡滞、卡死。阀门的运动副只要相互接触、相对运动，就会发生上述摩擦与磨损，当上述总的摩擦磨损力小于阀门驱动力时，运动副的运动件在驱动力的作用下，阀门运动副能正常动作，但随着运动副的动作次数增加，工况环境的变化等，上述总摩擦磨损力会加大，当还不大于阀门驱动力时，阀门虽还能运动，但阀门的安全裕度下降了，这就是阀门运动副的卡滞，当上述总的摩擦磨损力增大到等于或超过阀门驱动力时，阀门不能运动了，这就是阀门运动副的卡死。在超低温环境中，材料的在低温下收缩会使运动副结构间隙缩小，更容易产生阀门运动副的卡死 [ 6 ] 。下面针对几种防卡滞技术及其典型案例进行详细讲解。 3.1. 奥氏体不锈钢材料深冷处理技术 3.1.1. 低温下奥氏体不锈钢的马氏体转变机理分析 不锈钢中奥氏体相的相对含量受合金元素的影响，Ni、Mn、C和N使奥氏体相扩大，因而会增加奥氏体的稳定性。在不锈钢中加入Nb、Ti、Ta等会使之组织稳定，叫做稳定化不锈钢。对于未加稳定剂的不锈钢，其中γ相是亚稳定的。亚稳定不锈钢在冷却到低温过程中，将发生马氏体转变，由于马氏体转变伴随着体积的变化，结果会严重影响材料的尺寸精度，尺寸变化量与材料中不稳定奥氏体的含量相关。 温度降低是引起马氏体转变的关键因素，当材料被冷却到转变开始温度T ms 时，马氏体相开始形成。生成的马氏体结构单位体积比母材奥氏体大1.7%，因此转变引起体积增大。为了防止马氏体转变导致精密工件尺寸变化，对于亚稳定的不锈钢可在工件精加工之前施行低温处理，促使残余奥氏体的马氏体转变，以保证零件在低温条件下的尺寸稳定性。 3.1.2. 深冷处理对超低温阀门的影响 超低温阀门属于精密级机械产品，对零件尺寸精度要求很高。由于极低温环境下，较多地采用Cr-Ni奥氏体不锈钢，这类材料属于亚稳定型不锈钢，超低温下会发生向马氏体的金相转变，引起体积膨胀，导致零件变形 [ 7 ] 。同时，巨大温度交变导致零件各部分收缩不均匀，产生温度应力，也可能导致永久变形，降低零件尺寸精度，导致精密零件重要尺寸的变化影响阀门动作灵活性与密封可靠性，使阀门性能下降。 深冷处理是将奥氏体不锈钢材料浸在冷却剂中进行冷却、保冷，使之发生马氏体转变的一种工艺方法。经过深冷处理，使金属相变和温差变形充分发生，达到组织结构稳定，然后通过精细加工，使零件的尺寸精度得到保证。因此，深冷处理可稳定和提高阀门综合低温性能。深冷处理一般在零件的精加工之前进行。马氏体的转变量随温度的降低而增加，为确保工件在使用过程中的组织稳定性，深冷处理所用介质的温度需等于或低于阀门工作温度。深冷处理的冷却介质多采用液氮或液氦等溶液。浸在深冷介质中的零件达到介质温度时，即可计算保冷时间。根据实践经验，保冷1~2 h即能达到处理目的。时间过长，对马氏体的转变无明显影响。保冷结束即可将零件取出在空气中放置至常温。经过一次深冷处理后，奥氏体不锈钢的马氏体转变基本完成，一般情况下可以满足使用要求。对于密封性要求较严或靠介质压力密封的超低温阀门，可适当增加深冷处理的次数。 3.1.3. 低温深冷典型案例 某型号超低温阀门的波纹管组件在初次装配后进行低温液氮试验时活门大漏，分解阀门，发现波纹管组件导向筒与导向套卡死(图12)。 图12. 超低温阀门卡滞处结构图 对单个波纹管组件和装配在壳体中的波纹管组件进行液氮浸泡对比试验。试验结果分析： 单独波纹管组件在液氮深冷处理后，运动副配合处两零件尺寸绝对值均有所增加，深冷处理后配合间隙仍符合设计要求。 装配至整阀进行深冷处理后，导向筒内径φ62收缩量在0.136~0.174 mm，导向筒外圆φ93收缩量在0.081~0.090 mm之间，减小幅度较大。波纹管组件配合间隙仅有0.03~0.04 mm之间，远小于设计值0.1~0.192 mm。综合上述两组试验结果，经历低温深冷后的不锈钢波纹管组导向筒外圆直径若有显著的增大，变化量超过导向筒与铝壳体之间的间隙值，便会受到铝壳体的制约，体积增长由向外扩张转为向内收缩。由于波纹管组件导向间隙的设计值偏小，而低温深冷后导向间隙进一步减小，导致导向筒与导向套发生卡滞现象。 改进措施：减小导向套径向尺寸，增大配合间隙；增加相关奥氏体不锈钢零组件的深冷处理：在液氮中浸泡2 h，取出后常温放置4 h，共进行2次，改进状态后的阀门经过了两批产品的常温及低温检查，全部都工作正常。 3.2. 合理选配导向间隙 3.2.1. 低温下奥氏体不锈钢的马氏体转变机理分析 对于高压低温大流量阀门来说，波纹管组件导向运动不但行程长而且采用多个波纹管串、并联结构导向设计，因此若导向结构设计不合理，运动导向长度过长(导向长度与孔径比不小于1.2)或配合间隙选取过大或过小都会导致波纹管运动过程出现严重磨损，并逐渐发展为卡滞或卡死等故障。过大的导向间隙不能很好的实现结构运动的导向作用，易发生运动部件的偏斜，尤其是大尺寸阀门偏斜量随尺寸增加而成倍放大极易导致卡滞故障发生；但过小的导向间隙又会引起运动部件之间的协调性差，多次摩擦使密封副表面出现沟犁和磨痕，随着动作次数增多及摩擦生热，容易出现金属密封副烧死及卡死等故障。 3.2.2. 导向间隙过小对阀门运动副的影响 在某型号高压低温气动阀门的研制过程中就曾出现过开关腔控制组件导套和推拉杆有严重磨损，出现卡死的故障(图13~图15)，导致发动机热试车曲线与系统设计参数发生了明显偏离。 图13. 波纹管组件卡滞故障分解图 图14. 波纹管组件卡滞故障分解图 图15. 导杆磨损部位微观放大图 在事例中，原来导套和导杆的配合间隙为径向单边0.1 mm，改进后将间隙增大为径向单边0.2 mm，再配合加大圆角等措施，该处位置在后面多个批次的产品装配和试验中都没有再发生卡滞。对于超低温使用的阀门设计中还应考虑运动副配对材料的低温收缩系数对结构间隙的影响。 3.3. 运动副表面改性 3.3.1. 接触粘着机理 阀门运动副作为两个固体表面接触，由于表面不平，实际上是微凸体之间的接触，在相对滑动和在一定载荷作用下，接触点发生塑性变形或剪切，摩擦表面温度升高，严重时表层金属局部软化或熔化，使接触点发生粘着或焊合 [ 8 ] 。形成粘着–剪断–再粘着–再剪断的循环过程，形成粘着磨损。接触部位随着外力的加大，接触面积相应加大。机理图见图16~图18。 图16. 阀门运动副接触面简图 图17. 压力小的接触面简图 图18. 压力小的接触面简图 就是在这些小小的接触面上，发生塑性流动、粘着、冷焊、分子间的互相吸引作用。从微观角度解释其机理，则是高的接触应力造成运动副表面相互嵌入，破坏了表面膜，使金属接触部分形成了分子相互吸引的条件进行粘着，运动中再撕开，其中产生了一部分分子的转移。当运动副相对滑动运动的时候，必须剪断这些粘着形成的接触面，这些剪断力就是摩擦力，微凸部分的断裂就是磨损 [ 9 ] 。设计上，选择材料的许用应力必须低于材料硬度(HB)的1/3，才有可能减轻或不发生粘着磨损。 3.3.2 表面改性技术在超低温气动阀门上的应用 阀门运动副设计时需选取合适的运动副配对材料，运动副的导向面若选用同种材料，多次的往复运动摩擦容易引起烧结而卡死，因此宜选取硬度不同的材料进行配对。若运动副配对材料不便更换，可通过硬质阳极化表面处理、喷涂氮化钛、镀铬、表面Ti + N离子注入和类金刚石膜等多种方案的表面改性，通过材料的表面改性改善材料表面力学性能，提高硬度，降低摩擦系数，进而达到减小磨损的目标 [ 10 ] 。图19、图20为常用的表面改性技术。 图19. 钛离子注入齿条 图20. 表面镀氮化钛导向件