封文春，李瑤，朱永峰，劉中華

（1.航空工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計研究院機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計研究所，西安 710089）

（2.航空工業(yè)合肥江航飛機(jī)裝備股份有限公司技術(shù)中心，合肥 230051）

0 引 言

減壓器是氧氣系統(tǒng)中的重要元件。為了降低高壓管路的泄漏風(fēng)險，多將減壓器集成在高壓氧氣瓶的瓶閥上。集成減壓器一般由充氧閥、減壓器、高壓安全釋放閥、低壓安全釋放閥、壓力表、供氧口等組成，其中高壓安全釋放閥一般采用易碎爆破片形式，低壓安全釋放閥為彈簧直接載荷式安全閥。減壓器的動態(tài)特性是其重要特征之一，在實(shí)際應(yīng)用中，減壓器因其動態(tài)特性問題而出現(xiàn)過多種故障。鄭麗等分析了減壓器在下游閥門打開過程中的響應(yīng)特性和主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對響應(yīng)特性的影響；賴林等分析了大流量氣體減壓器工作過程中的振動故障，指出大流量氣體減壓器的振動不僅與減壓器自身設(shè)計參數(shù)有關(guān)，還和下游管路的容積相關(guān)；吳然然等分析了空氣減壓器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對其位移—壓力特性的影響；牟萬輝等分析了減壓器在大流量長程試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的出口壓力上漂問題；余中軍等研究航空氧氣減壓器的靜/動態(tài)性能，分析了減壓器結(jié)構(gòu)參數(shù)對其靜態(tài)特性的影響，并找出了影響減壓器動態(tài)特性的主要因素；T.Janus等分析了低流動條件下電動控制減壓器出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象的根本原因；Zhang Junhui等通過仿真和試驗(yàn)分析了開關(guān)閥阻尼套不同結(jié)構(gòu)和安裝參數(shù)對液動力空化的影響。但是，目前的研究大都集中在單一減壓器性能上，對集成減壓器及其各部件的動態(tài)性能匹配的研究較少。

集成減壓器由于其部件多、功能復(fù)雜，各元器件之間的匹配對其減壓性能有著重要的影響，如果設(shè)計參數(shù)匹配不合適，則可能導(dǎo)致使用過程中出現(xiàn)故障。此外，氧氣減壓器的故障、內(nèi)部雜質(zhì)或流動狀態(tài)的改變還可能導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)著火事故。

某型飛機(jī)氧氣系統(tǒng)所用的集成減壓器在使用過程中連續(xù)多次出現(xiàn)低壓安全閥持續(xù)放氣故障，該故障既有在充氧過程中出現(xiàn)的，也有在保壓未使用時出現(xiàn)的。低壓安全釋放閥在打開后沒有正常關(guān)閉，而是將氣瓶內(nèi)的氣體持續(xù)放空，說明減壓器與安全閥的匹配存在問題，在安全閥的釋放過程中，減壓器的動態(tài)特性對安全閥的性能有一定的影響。

本文基于該型減壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理，根據(jù)其在某型飛機(jī)上的應(yīng)用情況，設(shè)計相關(guān)試驗(yàn)，通過試驗(yàn)研究，分析該型集成減壓器安全閥持續(xù)放氣故障原因，對集成減壓器的設(shè)計提出改進(jìn)措施，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 集成減壓器工作原理

某型飛機(jī)所用集成減壓器主要由充氧閥、減壓器組件、低壓安全釋放閥、壓力表和高壓安全釋放閥等組成，如圖1所示（圖中高壓安全釋放閥和壓力表沒有示出）。

圖1 集成減壓器Fig.1 Integrated pressure reducer

當(dāng)無壓力輸入時，在調(diào)壓彈簧的作用下，減壓活門處于常開狀態(tài)；有壓力輸入時，輸入氣體由氧瓶接口進(jìn)入，經(jīng)過濾器、單向活門、高壓腔沿孔道進(jìn)入減壓腔，減壓腔內(nèi)的壓力升高，作用在膜片上，壓縮調(diào)壓彈簧；此時，頂桿及減壓活門在彈簧的作用下上移，活門開啟度減小，輸出流量減小，直至減壓腔內(nèi)壓力達(dá)到規(guī)定范圍，減壓機(jī)構(gòu)處于動態(tài)平衡。當(dāng)減壓腔內(nèi)的壓力超過規(guī)定的輸出壓力范圍，低壓安全閥打開工作，超壓氣體從此泄出，壓力降低后，低壓安全閥關(guān)閉。當(dāng)瓶內(nèi)壓力超過名義工作壓力的1.5倍時，高壓安全釋放閥的爆破片破裂，將氣體排出。

從圖1可以看出：任何一個運(yùn)動部件出現(xiàn)故障或參數(shù)不匹配都有可能導(dǎo)致減壓器輸出壓力波動，超出安全活門的打開壓力，使安全活門打開放氣。

低壓安全閥為彈簧直接載荷式安全閥，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，其固有特性是安全活門的回座壓力小于安全活門的開啟壓力。

圖2 低壓安全閥結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of low pressure safety valve

該型集成減壓器將瓶內(nèi)3.0～20.6 MPa的壓力減至2.2～4.0 MPa，低壓安全閥打開壓力5～6 MPa，關(guān)閉壓力不小于4.2 MPa。入口壓力3.5～20.6 MPa下，減壓器的流通能力不小于500 L/min。

根據(jù)該型集成減壓器的結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部各運(yùn)動部件的關(guān)系如圖3所示，運(yùn)動部件有4個，即保壓活門、減壓活門、頂桿和安全活門，頂桿、減壓活門、調(diào)壓彈簧、膜片和減壓彈簧可看作一個運(yùn)動單元，是減壓器的核心單元。

圖3 運(yùn)動部件模型示意圖Fig.3 Schematic of move part model in pressure reducer

2 故障現(xiàn)象及故障定位

2.1 故障現(xiàn)象

該型集成減壓器在應(yīng)用過程中多次出現(xiàn)低壓安全閥持續(xù)放氣故障，即安全閥打開泄壓后不能關(guān)閉，而是將氣瓶內(nèi)的氣體放空（即泄至減壓器不工作狀態(tài)，瓶內(nèi)壓力約2.5 MPa）。持續(xù)放氣故障主要出現(xiàn)在充氧過程和保壓過程兩個階段，其中充氧過程3起，保壓過程6起。充氧過程的3起故障均是充至8 MPa時安全閥打開，在關(guān)閉充氧后，安全閥持續(xù)將瓶內(nèi)氣體放空。保壓過程的6起故障發(fā)生條件各不相同，有保壓6個月才出現(xiàn)的，也有保壓30 min就出現(xiàn)的，瓶內(nèi)壓力也有高有低，最高18 MPa，最低9 MPa，但故障現(xiàn)象均是將瓶內(nèi)氣體放空。

2.2 故障樹

減壓器的功能是將瓶內(nèi)壓力減壓至規(guī)定壓力，安全閥的功能是當(dāng)減壓器的輸出壓力超出一定范圍時釋放壓力，以保護(hù)后端部件。根據(jù)該型集成減壓器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理以及故障現(xiàn)象，建立造成低壓安全閥持續(xù)放氣的故障樹，如圖4所示。

圖4 安全閥持續(xù)放氣故障樹Fig.4 Fault tree of safety valve continued exhaust

2.3 故障定位

通過對集成減壓器反向加壓，即在出口端輸入一定的壓力，直至低壓安全閥打開。試驗(yàn)結(jié)果表明，安全閥的打開壓力均合格，排除了故障樹中安全閥打開壓力不匹配這一因素。對安全閥進(jìn)行分解，在安全閥殼體內(nèi)壁、頂桿、閥座等處均沒有發(fā)現(xiàn)磨損和多余物，因此，排除了安全閥故障導(dǎo)致安全閥持續(xù)放氣這一因素，故障定位于減壓器的本體。

對故障件分解，分別取出減壓彈簧、調(diào)壓彈簧進(jìn)行計量檢測，結(jié)果表明彈簧合格，可以排除彈簧失效這一因素。通過對其余零件的檢查，不同的故障件，具有不同的故障現(xiàn)象。有的故障件中頂桿出現(xiàn)磨損，如圖5所示，有的故障件中減壓活門有明顯磨損痕跡，如圖6所示，在大多數(shù)故障件中發(fā)現(xiàn)減壓活門存在多余物，如圖7所示。

圖5 頂桿磨損痕跡Fig.5 Worn signs of pushing rod

圖6 減壓活門磨損情況Fig.6 Worn signs of reducer valve

圖7 減壓活門墊上的多余物Fig.7 Redundant substance on the cushion of reducer valve

根據(jù)分解后觀察到的零件上的故障現(xiàn)象，可以初步定位故障的原因?yàn)轫敆U卡滯、活門卡滯或活門不氣密導(dǎo)致減壓器減壓失效，輸出壓力超過安全閥釋放壓力，安全閥打開。安全閥在打開后雖然釋放了壓力，但由于減壓器故障，輸出壓力一直大于安全閥的回座壓力，直至瓶內(nèi)氣體放空。

頂桿或活門卡滯，活門墊片磨損和存在多余物，其原因可能來自生產(chǎn)制造及裝配過程，也可能是減壓器使用過程中磨損產(chǎn)生。根據(jù)文獻(xiàn)［1-2，4］，當(dāng)減壓器在輸出大流量時會產(chǎn)生顫振，使頂桿、減壓活門與內(nèi)壁碰撞磨損，進(jìn)而產(chǎn)生碎屑等多余物，導(dǎo)致減壓器故障。該型減壓器在正常狀態(tài)下是不工作的，因?yàn)樵撔惋w機(jī)的氧氣系統(tǒng)為應(yīng)急情況下使用，產(chǎn)生大流量的情況主要有兩種：①氣密檢查放氧；②安全閥釋放。

該型減壓器正常工作狀態(tài)的輸出流量較小，約500 L/min。在安全閥打開釋放時，輸出流量遠(yuǎn)大于正常工作時的流量。在低壓安全閥放氣過程中，減壓器的減壓性能超出其穩(wěn)態(tài)性能（減壓器的輸出特性如圖8所示），使減壓活門產(chǎn)生顫動，破壞其輸出特性。減壓器的動態(tài)特性是指減壓器在進(jìn)口壓力、出口流量突然變化或有干擾因素的作用下，出口壓力隨時間的函數(shù)關(guān)系。

圖8 減壓器的輸出特性Fig.8 Output character of pressure reducer

在充氧時，可能進(jìn)口壓力的變化導(dǎo)致出口壓力振蕩，輸出最大壓力大于安全活門開啟壓力，安全活門開啟。由于安全活門排放量及結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計等因素，持續(xù)擴(kuò)大減壓器的輸出壓力，使其始終大于安全活門關(guān)閉壓力，導(dǎo)致安全活門不能回位，直至瓶內(nèi)氣體排空。

在保壓時，可能由于外部干擾因素或減壓器輸出壓力漂移，使得輸出壓力大于安全活門開啟壓力，致使安全活門開啟。安全活門開啟后不能回位的機(jī)理與充氧時相似。

為了進(jìn)一步確定故障的本質(zhì)原因，嚴(yán)格按照工藝規(guī)程重新制造和裝配一批減壓器，在排除因裝配誤差導(dǎo)致卡滯和裝配中帶進(jìn)多余物的情況下，通過試驗(yàn)確定故障的本質(zhì)原因。

3 試 驗(yàn)

3.1 故障復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)

故障出現(xiàn)在充氧和保壓兩個過程，為了復(fù)現(xiàn)故障，將故障件按照實(shí)際裝機(jī)情況進(jìn)行充氧和保壓試驗(yàn)。充氧試驗(yàn)原理如圖9所示。

圖9 充氧試驗(yàn)原理圖Fig.9 Test schematic of filling oxygen

在多次的充氧（每起故障近400次，包括單瓶和多瓶）和長時間保壓（30天）中并沒有復(fù)現(xiàn)故障，說明故障的發(fā)生不僅與內(nèi)在因素有關(guān)，外部條件可能也有一定的促進(jìn)作用，故障的發(fā)生有一定的偶然性。

3.2 故障分析試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)原理及試驗(yàn)方法

由于故障復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)中沒有復(fù)現(xiàn)故障，在試驗(yàn)中通過對供氧管路反向加壓使安全閥打開來模擬故障現(xiàn)象。試驗(yàn)原理如圖10所示。試驗(yàn)分兩種情況，即單氣瓶和雙氣瓶，在靠近安全閥的位置接數(shù)字壓力表，用于記錄減壓器輸出壓力的變化以及安全閥打開后的壓力變化。數(shù)字壓力表的精度為0.001 MPa，采樣頻率0.1 s。

圖10 試驗(yàn)原理圖Fig.10 Test schematic diagram

試驗(yàn)中，先將氣瓶充至工作壓力，記錄充氧過程中輸出端的壓力變化。然后通過調(diào)節(jié)反向加壓閥，緩慢調(diào)節(jié)至安全閥打開壓力后立即關(guān)閉閥門，觀察安全閥開啟情況，并記錄壓力變化。放氧閥的作用有二：①如果安全閥持續(xù)開啟，則打開放氧閥，觀察放氧流量對安全閥開啟是否有影響；②如果安全閥開啟后正常關(guān)閉，通過放氧閥放氧分析大流量條件下對減壓器減壓性能的影響。

為了分析導(dǎo)致安全閥開啟后不關(guān)閉的其他可能因素，還進(jìn)行了不同開啟值、不同排放量、不同安裝位置等試驗(yàn)。安全閥不同開啟值通過調(diào)節(jié)安全閥的調(diào)壓彈簧來實(shí)現(xiàn)，不同排放量通過在安全閥側(cè)部增加釋放孔來實(shí)現(xiàn)，不同安裝位置是將安全閥從減壓器上拆除，利用一小段管路連接，增加安全閥與減壓器之間的距離來實(shí)現(xiàn)。

3.2.2 試驗(yàn)現(xiàn)象

在故障分析試驗(yàn)中觀察到如下現(xiàn)象：

（1）充氧過程中均沒有發(fā)生安全閥開啟現(xiàn)象，集成減壓器的輸出壓力隨著瓶內(nèi)壓力的升高而增加，當(dāng)增加至最大輸出壓力時穩(wěn)定不變，如圖11所示。

圖11 充氧過程輸出壓力曲線Fig.11 Output pressure curve of filling oxygen process

（2）通過反向加壓，使安全閥開啟。安全閥開啟不回位與瓶內(nèi)壓力有一定關(guān)系，當(dāng)開啟值為6 MPa時，瓶內(nèi)任何壓力下均能正常回位；當(dāng)開啟值為5.2 MPa時，瓶內(nèi)壓力低于12 MPa時開啟后不能正?；匚?；當(dāng)開啟值為4.7 MPa時，瓶內(nèi)壓力低于15 MPa時開啟后不能正?；匚弧Ｔ诔掷m(xù)放氣過程中，打開放氧閥對安全閥的開啟沒有影響，安全閥仍然持續(xù)放氣，直至瓶內(nèi)壓力下降至最低值。

（3）當(dāng)在安全閥上增加1個直徑為1.0或1.5 mm的排氣孔，反向加壓后，安全閥開啟后均能正常回位，如圖12所示。當(dāng)將安全閥排氣孔由最初的2個分別增加到4個、5個和6個時，反向加壓后，安全閥不能正常開啟，安全閥出現(xiàn)顫抖持續(xù)放氣現(xiàn)象。

圖12 安全閥開啟復(fù)位壓力曲線Fig.12 Pressure curve when safety open reset

（4）通過增加一段約200 mm的管路，使安全閥位于管路上而不是與減壓器集成在一起，反向加壓后，無論安全閥的開啟值和瓶內(nèi)壓力為多大，安全閥開啟后均能正常復(fù)位。

（5）在試驗(yàn)中，沒有觀察到兩個安全閥同時開啟持續(xù)放氣的現(xiàn)象。通過放氧閥放氣，沒有出現(xiàn)安全閥開啟現(xiàn)象，但分解后發(fā)現(xiàn)減壓活門有磨損現(xiàn)象，如圖13所示。

圖13 試驗(yàn)中出現(xiàn)的減壓活門磨損情況Fig.13 Worn signs of reducer valve during the test

3.2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

充氧過程中沒有出現(xiàn)安全閥開啟現(xiàn)象，說明試驗(yàn)條件與飛機(jī)上的安裝及使用條件還存在一定差異。氧氣瓶在飛機(jī)上安裝后需要進(jìn)行氣密性試驗(yàn)和充氧排氮過程，排氣量要大于減壓器正常輸出流量，可能對減壓活門造成一定損傷，在下次充氧時正好使某個減壓器輸出壓力超過安全閥釋放壓力，安全閥開啟。

安全閥開啟不回位與瓶內(nèi)壓力有關(guān)，說明減壓活門、保壓活門和安全閥排氣三者之間存在一定的匹配關(guān)系。

相同入口條件下不同安全閥排氣孔徑的試驗(yàn)結(jié)果如圖14所示，可以看出：當(dāng)安全閥排氣孔徑越大，安全閥關(guān)閉速度越敏捷，關(guān)閉瞬間的最低壓力也越高。不同安全閥排氣孔數(shù)量、尺寸以及將安全閥移至管路上的試驗(yàn)說明，安全閥排氣量與減壓活門的動態(tài)特性存在一定關(guān)系。

圖14 不同排氣孔徑下安全閥關(guān)閉壓力Fig.14 Safety valve close pressure at different exhaust diameter

減壓器的輸出流量對系統(tǒng)的振蕩有一定的影響，不同放氣流量下減壓活門的磨損情況如表1所示，可以看出：減壓活門阻尼對活門的動態(tài)特性有著較大的影響。

表1 放氣量對活門磨損的影響Table 1 The effects of exhaust flow to valve worn

在減壓活門上增加阻尼環(huán)，重新進(jìn)行不同放氣量試驗(yàn)，分解后減壓活門沒有磨損，如圖15所示，安全閥在開啟后也能正常關(guān)閉。

圖15 試驗(yàn)后的減壓活門Fig.15 Reducer valve after test

4 仿真分析

為了進(jìn)一步說明輸出流量對減壓器振蕩特性的影響，通過仿真計算進(jìn)行分析。調(diào)壓彈簧、膜片、頂桿、減壓活門和彈簧所組成的運(yùn)動系統(tǒng)是減壓活門組件的核心（圖3），通過閥芯的氣體流量為

、的計算公式為

式中：為氣體常數(shù)；為溫度。

為閥芯節(jié)流面積，可由式（5）求得。

式中：為閥芯直徑；為閥芯開啟度。

將調(diào)壓彈簧、膜片、頂桿、減壓活門和減壓彈簧等作為一個活動組件，并假定調(diào)壓彈簧和膜片的變形量與活門開啟度相同，忽略重力作用，則由該活動組件的受力情況，以閥芯閉合時為零點(diǎn)，向下為正，則其運(yùn)動方程如下：

式中：為活動組件質(zhì)量；K 為減壓彈簧剛度；為閥芯輸出通道的有效作用面積。

式中：為閥芯通道直徑；為頂桿直徑。

活門有效面積的計算公式為

式中：為減壓活門直徑。

為通過頂桿的綜合作用力：

式中：為環(huán)境壓力；為膜片截面積；為調(diào)壓彈簧剛度；為膜片剛度。

閥芯腔內(nèi)氣體的質(zhì)量守恒，滿足以下方程：

式中：為閥芯通道長度；為閥芯上部有效腔容積。

表1中的流量是試驗(yàn)中測得的穩(wěn)態(tài)流量，在實(shí)際工作中，減壓器后端無流量輸出時，壓力穩(wěn)定在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，活門處于關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)安全活門或放氧開關(guān)突然打開，減壓活門開始工作，將減壓壓力穩(wěn)定在額定的輸出范圍內(nèi)。因此，仿真計算的基本思路是，首先根據(jù)輸出流量和輸出壓力初步確定減壓活門穩(wěn)定狀態(tài)的開啟度，然后通過求解活門組件的運(yùn)動方程，計算活門是否能夠在輸出流量的條件下達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。計算中假定輸入壓力不變，不考慮氣體溫度的變化。計算結(jié)果如圖16所示。

圖16 閥芯位移Fig.16 Displacement of valve core

從圖16可以看出：當(dāng)輸出流量較大時，減壓活門一直處于振動狀態(tài)，不能穩(wěn)定；流量較小時，減壓活門在經(jīng)最初的調(diào)整后很快處于穩(wěn)定狀態(tài)。

雖然仿真計算模型經(jīng)過了一定的簡化，但計算結(jié)果與試驗(yàn)現(xiàn)象基本符合。在較大的輸出流量情況下，減壓活門一直處于振動狀態(tài)，易造成活門的磨損和碰撞損傷。

調(diào)壓彈簧、膜片、頂桿、減壓活門和減壓彈簧等組成的運(yùn)動系統(tǒng)可看作單自由度有阻尼的自由振動系統(tǒng)，運(yùn)動方程為

式中：為振動系統(tǒng)的固有頻率；為阻尼率。

式中：為彈簧剛度；為系統(tǒng)質(zhì)量；為阻尼系數(shù)。

由上述運(yùn)動方程可知，系統(tǒng)振蕩與、和等的匹配有關(guān)。

在保持減壓活門基本參數(shù)，增加阻尼后的計算曲線如圖17所示，可以看出：在增加阻尼后，模擬計算安全活門釋放情況，減壓活門很快穩(wěn)定，當(dāng)設(shè)置輸出流量為0時，減壓活門也能正常關(guān)閉。

圖17 閥芯位移（改變系統(tǒng)阻尼）Fig.17 Displacement of valve core（change system damp）

5 結(jié) 論

（1）減壓活門的動態(tài)特性參數(shù)匹配不合理，減壓活門是按照500 L/min的流量設(shè)計的，沒有考慮到實(shí)際使用中會產(chǎn)生大流量的情況。氧氣瓶在飛機(jī)上安裝后的氣密檢查以及充氧排氮過程中的放氧流量遠(yuǎn)大于減壓器的設(shè)計流量。

（2）在大放氣量的情況下，減壓活門的阻尼特性不匹配，造成減壓活門高頻振動，容易造成減壓活門磨損。在保壓或充氧過程中，活門磨損導(dǎo)致輸出壓力爬升，使輸出壓力大于安全閥開啟壓力。

（3）在安全閥開啟后，由于減壓活門已出現(xiàn)磨損等故障，并且減壓活門動態(tài)參數(shù)與安全閥釋放流量不匹配，減壓活門喪失壓力調(diào)節(jié)功能，使輸出壓力一直大于安全閥釋放壓力，使安全閥持續(xù)放氣。