减压阀低温密封性能优化研究

侯松峰 王献岭 史新芳

（新乡航空工业（集团）有限公司民机事业部，河南 新乡 453019）

0 引言

减压阀被广泛应用于飞机刹车系统［1］、轨道交通制动系统、撒砂装置、轮缘润滑装置及风源系统中［2−4］，其可用来维持出口压力的稳定。减压阀性能的好坏将直接影响到制动系统运行的安全。

近年来，有关减压阀的研究主要集中在高精度减压阀［5］、高压空气减压阀等方面［6］，对低温环境中减压阀的性能的研究相对较少。杨凯等［7］对减压阀的低温泄漏问题进行分析，但其改进的减压阀的工作环境温度仅为−40℃；崔广龙等［8］对减压阀进行低温控制精度研究，但没有针对减压阀低温环境下的密封性提出具体的措施。

目前，国内动车组使用环境温度最低为−40℃［9］，为保证系统有更高的安全裕度，要求动车组配套气动元件在−50℃的低温环境中能保持优良的密封性能。新乡航空工业（集团）有限公司原有为某型动车组制动系统配套的减压阀，其能满足−40℃低温的密封性，但在−50℃环境中泄漏量超标。针对该问题，本研究提出一种新型密封结构的溢流式减压阀，该减压阀为定值减压阀，在原减压阀结构的基础上进行改进，并对其关键参数重新进行匹配。同时，利用AMEsim软件［10−11］建立该减压阀的物理模型，通过分析改进后减压阀的关键性能参数，确保减压阀的各项指标在设计阶段就能满足使用要求。基于仿真结果对原理样机进行生产及试验验证，试验结果证明，减压阀各项指标与仿真结果相符，且经过−50℃低温环境的试验验证，改进后的减压阀原理样机的性能满足在−50℃低温中的要求。

1 改进方案

1.1 设计要求

根据动车组制动系统的要求，减压阀的性能应满足表1中的要求。

表1 减压阀主要性能要求

1.2 减压阀原结构

减压阀主要由壳体、复位弹簧、活门、密封圈、密封座、定位挡圈、活塞、调压弹簧等组成（见图1），包括进口、出口、溢流口（通大气）。

在调压弹簧力的作用下，活门开始向下移动，节流口处于全开状态，进口腔高压空气经过节流口进入出口腔。出口腔内的气体压力会作用在活塞下侧，并推动活塞上移，同时在复位弹簧的作用下，节流口逐渐关闭，保证进出口腔之间的密封性，节流口关闭后，出口腔的气体压力与调压弹簧力处于平衡状态。因此，减压阀出口压力主要由调压弹簧力来保证，当减压阀出口压力高于弹簧力时，活塞上移，溢流口打开，排出多余的气体；当减压阀出口压力低于弹簧力时，活塞下移，节流口打开，进行补气。

经试验验证，该结构的减压阀在−50℃低温环境中泄漏量超标，难以满足系统要求。

通过高倍放大镜观察后发现，活门与密封座配合处的橡胶面压痕在圆周方向不均匀。因此，该结构减压阀密封不良是由节流口处密封不良造成的，这是因为该处密封需要密封座与活门有较好的配合精度，但该处密封结构存在2个缺陷。①受活门硫化工艺的影响，活门采用二体式结构，上侧半体为球面密封结构，保证溢流口的密封性，下侧半体为硫化活门，保证节流口的密封性，但二半体组装后难以保证较好的同轴度，实际计量为Φ0.18。②密封座经过挡圈固定配合在壳体上，受挡圈槽公差的影响，较难保证密封座密封面与活门密封面之间的配合精度。

1.3 改进后减压阀结构

针对原结构存在的不足，对节流口密封结构重新进行设计（见图2），改进后的活门为一体式结构，且直接在壳体上加工密封座。同时，将产品内部零件的装配方式从单侧装配改为从壳体上下侧装配，装配工艺性更好。

2 减压阀基本参数计算

2.1 复位弹簧力计算

减压阀溢流口处为球面密封结构，密封面上总作用力的计算公式见式（1）到（5）。

式中：Fmz1为球面总密封力，N；Fmj为密封面上介质作用力，N；Fmf为密封面上密封力，N；Dmn为密封接触面最小直径，mm；Dmw为密封接触面最大直径，mm；bm为密封面宽度，mm；p为介质压力，MPa；Fmf为密封面上密封力，N；f m为密封面摩擦因数；α为密封面与球面接触半角，°；q为密封面比压，MPa；qmf为密封面必需比压，MPa；[q]密封面许用比压，MPa。

节流口处密封为端面密封，该处密封力的计算公式见式（6）。

复位弹簧力的计算公式见式（7）。

2.2 减压阀出口静态压力计算

因减压阀在工作时，节流口处于封闭状态。因此不考虑流量变化对减压阀出口压力产生的影响，减压阀节流口关闭时，减压阀出口压力的计算公式见式（8）。

式中：P出为减压阀出口压力，MPa；F调压为节流口关闭时调压弹簧力，N；F复位为节流口关闭时复位弹簧力，N；b为节流口密封面宽度，mm；D1为活塞直径，mm；D2为溢流口直径，mm；D3为节流口密封面最小直径，mm；D4为节流口密封面中径，mm；D5为活门密封面直径，mm；P进为减压阀进口压力大小，MPa。

3 减压阀性能仿真

3.1 减压阀的物理模型

通过对减压阀的性能进行仿真研究，确保减压阀各项性能满足要求，主要仿真模型参数见表2。

表2 减压阀主要仿真模型参数设置

根据图2的减压阀结构，建立减压阀AMEsim仿真模型（见图3）。

3.2 减压阀性能仿真分析

改进后的减压阀性能仿真结果如图4所示。

由图4可知，在充气过程中，出口压力先是高于正常调定压力，然后通过溢流口溢流，多余气体排出后，减压阀调定压力又恢复至正常值0.3 MPa；打开过载开关后，减压阀出口压力升高至0.5 MPa，关闭过载开关后，减压阀出口压力又能恢复至初始值，因此满足表1中过载特性要求；打开Φ1排气孔，减压阀出口压力为0.27 MPa，满足表1中流量特性要求。

4 性能测试

基于以上参数对改进后的减压阀原理样机进行生产制造，且减压阀实物调定压力、过载特性试验数据与仿真结果吻合，减压阀出口压力为0.271 MPa，与仿真结果基本吻合。此外，减压阀在−50℃低温环境下保压过程中进口压力变化为0.007 MPa/min，出口压力变化为0.001 MPa/min，均能满足表1中的要求。改进后的减压阀交付主机后进行系统联试（见图5），装车路试，经主机反馈，减压阀在−50℃低温环境中的密封性能优良，调压特性、流量特性、过载特性均能满足系统需求。

5 结语

改进后减压阀活门同轴度为Φ0.02，相比于改进前同轴度Φ0.18，同轴度得到很大改进。改进后减压阀静压特性、流量特性、过载特性均满足技术要求，同时试验数据与AMEsim仿真结果吻合，说明仿真模型的合理性，为后续同类产品优化提供参考。通过对改进后的减压阀进行−50℃低温环境密封性试验验证，证明改进后减压阀低温密封性能能够满足要求，为同类产品性能的优化提供依据。