某型減壓器安全閥持續放氣故障試驗研究

封文春，李瑤，朱永峰，劉中華

（1.航空工業第一飛機設計研究院機電系統設計研究所，西安 710089）

（2.航空工業合肥江航飛機裝備股份有限公司技術中心，合肥 230051）

0 引 言

減壓器是氧氣系統中的重要元件。為了降低高壓管路的泄漏風險，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。減壓器的動態特性是其重要特征之一，在實際應用中，減壓器因其動態特性問題而出現過多種故障。鄭麗等分析了減壓器在下游閥門打開過程中的響應特性和主要結構參數對響應特性的影響；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計參數有關，還和下游管路的容積相關；吳然然等分析了空氣減壓器結構參數的變化對其位移—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過程中出現的出口壓力上漂問題；余中軍等研究航空氧氣減壓器的靜/動態性能，分析了減壓器結構參數對其靜態特性的影響，并找出了影響減壓器動態特性的主要因素；T.Janus等分析了低流動條件下電動控制減壓器出現不穩定現象的根本原因；Zhang Junhui等通過仿真和試驗分析了開關閥阻尼套不同結構和安裝參數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性能匹配的研究較少。

集成減壓器由于其部件多、功能復雜，各元器件之間的匹配對其減壓性能有著重要的影響，如果設計參數匹配不合適，則可能導致使用過程中出現故障。此外，氧氣減壓器的故障、內部雜質或流動狀態的改變還可能導致系統出現著火事故。

某型飛機氧氣系統所用的集成減壓器在使用過程中連續多次出現低壓安全閥持續放氣故障，該故障既有在充氧過程中出現的，也有在保壓未使用時出現的。低壓安全釋放閥在打開后沒有正常關閉，而是將氣瓶內的氣體持續放空，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構和工作原理，根據其在某型飛機上的應用情況，設計相關試驗，通過試驗研究，分析該型集成減壓器安全閥持續放氣故障原因，對集成減壓器的設計提出改進措施，并進行試驗驗證。

1 集成減壓器工作原理

某型飛機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

當無壓力輸入時，在調壓彈簧的作用下，減壓活門處于常開狀態；有壓力輸入時，輸入氣體由氧瓶接口進入，經過濾器、單向活門、高壓腔沿孔道進入減壓腔，減壓腔內的壓力升高，作用在膜片上，壓縮調壓彈簧；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，直至減壓腔內壓力達到規定范圍，減壓機構處于動態平衡。當減壓腔內的壓力超過規定的輸出壓力范圍，低壓安全閥打開工作，超壓氣體從此泄出，壓力降低后，低壓安全閥關閉。當瓶內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：任何一個運動部件出現故障或參數不匹配都有可能導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，其結構如圖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 低壓安全閥結構Fig.2 Structure of low pressure safety valve

該型集成減壓器將瓶內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。

根據該型集成減壓器的結構，其內部各運動部件的關系如圖3所示，運動部件有4個，即保壓活門、減壓活門、頂桿和安全活門，頂桿、減壓活門、調壓彈簧、膜片和減壓彈簧可看作一個運動單元，是減壓器的核心單元。

圖3 運動部件模型示意圖Fig.3 Schematic of move part model in pressure reducer

2 故障現象及故障定位

2.1 故障現象

該型集成減壓器在應用過程中多次出現低壓安全閥持續放氣故障，即安全閥打開泄壓后不能關閉，而是將氣瓶內的氣體放空（即泄至減壓器不工作狀態，瓶內壓力約2.5 MPa）。持續放氣故障主要出現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，在關閉充氧后，安全閥持續將瓶內氣體放空。保壓過程的6起故障發生條件各不相同，有保壓6個月才出現的，也有保壓30 min就出現的，瓶內壓力也有高有低，最高18 MPa，最低9 MPa，但故障現象均是將瓶內氣體放空。

2.2 故障樹

減壓器的功能是將瓶內壓力減壓至規定壓力，安全閥的功能是當減壓器的輸出壓力超出一定范圍時釋放壓力，以保護后端部件。根據該型集成減壓器的內部結構、工作原理以及故障現象，建立造成低壓安全閥持續放氣的故障樹，如圖4所示。

圖4 安全閥持續放氣故障樹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。試驗結果表明，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。對安全閥進行分解，在安全閥殼體內壁、頂桿、閥座等處均沒有發現磨損和多余物，因此，排除了安全閥故障導致安全閥持續放氣這一因素，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、調壓彈簧進行計量檢測，結果表明彈簧合格，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，具有不同的故障現象。有的故障件中頂桿出現磨損，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，在大多數故障件中發現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

根據分解后觀察到的零件上的故障現象，可以初步定位故障的原因為頂桿卡滯、活門卡滯或活門不氣密導致減壓器減壓失效，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制造及裝配過程，也可能是減壓器使用過程中磨損產生。根據文獻［1-2，4］，當減壓器在輸出大流量時會產生顫振，使頂桿、減壓活門與內壁碰撞磨損，進而產生碎屑等多余物，導致減壓器故障。該型減壓器在正常狀態下是不工作的，因為該型飛機的氧氣系統為應急情況下使用，產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態性能（減壓器的輸出特性如圖8所示），使減壓活門產生顫動，破壞其輸出特性。減壓器的動態特性是指減壓器在進口壓力、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關系。

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

在充氧時，可能進口壓力的變化導致出口壓力振蕩，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構參數設計等因素，持續擴大減壓器的輸出壓力，使其始終大于安全活門關閉壓力，導致安全活門不能回位，直至瓶內氣體排空。

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理與充氧時相似。

為了進一步確定故障的本質原因，嚴格按照工藝規程重新制造和裝配一批減壓器，在排除因裝配誤差導致卡滯和裝配中帶進多余物的情況下，通過試驗確定故障的本質原因。

3 試 驗

3.1 故障復現試驗

故障出現在充氧和保壓兩個過程，為了復現故障，將故障件按照實際裝機情況進行充氧和保壓試驗。充氧試驗原理如圖9所示。

圖9 充氧試驗原理圖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）中并沒有復現故障，說明故障的發生不僅與內在因素有關，外部條件可能也有一定的促進作用，故障的發生有一定的偶然性。

3.2 故障分析試驗

3.2.1 試驗原理及試驗方法

由于故障復現試驗中沒有復現故障，在試驗中通過對供氧管路反向加壓使安全閥打開來模擬故障現象。試驗原理如圖10所示。試驗分兩種情況，即單氣瓶和雙氣瓶，在靠近安全閥的位置接數字壓力表，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。數字壓力表的精度為0.001 MPa，采樣頻率0.1 s。

圖10 試驗原理圖Fig.10 Test schematic diagram

試驗中，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。然后通過調節反向加壓閥，緩慢調節至安全閥打開壓力后立即關閉閥門，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。

為了分析導致安全閥開啟后不關閉的其他可能因素，還進行了不同開啟值、不同排放量、不同安裝位置等試驗。安全閥不同開啟值通過調節安全閥的調壓彈簧來實現，不同排放量通過在安全閥側部增加釋放孔來實現，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現。

3.2.2 試驗現象

在故障分析試驗中觀察到如下現象：

（1）充氧過程中均沒有發生安全閥開啟現象，集成減壓器的輸出壓力隨著瓶內壓力的升高而增加，當增加至最大輸出壓力時穩定不變，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壓力有一定關系，當開啟值為6 MPa時，瓶內任何壓力下均能正?；匚?；當開啟值為5.2 MPa時，瓶內壓力低于12 MPa時開啟后不能正?；匚?；當開啟值為4.7 MPa時，瓶內壓力低于15 MPa時開啟后不能正?；匚?。在持續放氣過程中，打開放氧閥對安全閥的開啟沒有影響，安全閥仍然持續放氣，直至瓶內壓力下降至最低值。

（3）當在安全閥上增加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?；匚?，如圖12所示。當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，安全閥出現顫抖持續放氣現象。

圖12 安全閥開啟復位壓力曲線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壓力為多大，安全閥開啟后均能正常復位。

（5）在試驗中，沒有觀察到兩個安全閥同時開啟持續放氣的現象。通過放氧閥放氣，沒有出現安全閥開啟現象，但分解后發現減壓活門有磨損現象，如圖13所示。

圖13 試驗中出現的減壓活門磨損情況Fig.13 Worn signs of reducer valve during the test

3.2.3 試驗結果分析

充氧過程中沒有出現安全閥開啟現象，說明試驗條件與飛機上的安裝及使用條件還存在一定差異。氧氣瓶在飛機上安裝后需要進行氣密性試驗和充氧排氮過程，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壓力有關，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系。

相同入口條件下不同安全閥排氣孔徑的試驗結果如圖14所示，可以看出：當安全閥排氣孔徑越大，安全閥關閉速度越敏捷，關閉瞬間的最低壓力也越高。不同安全閥排氣孔數量、尺寸以及將安全閥移至管路上的試驗說明，安全閥排氣量與減壓活門的動態特性存在一定關系。

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

減壓器的輸出流量對系統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，重新進行不同放氣量試驗，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閉。

圖15 試驗后的減壓活門Fig.15 Reducer valve after test

4 仿真分析

為了進一步說明輸出流量對減壓器振蕩特性的影響，通過仿真計算進行分析。調壓彈簧、膜片、頂桿、減壓活門和彈簧所組成的運動系統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；為溫度。

為閥芯節流面積，可由式（5）求得。

式中：為閥芯直徑；為閥芯開啟度。

將調壓彈簧、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，向下為正，則其運動方程如下：

式中：為活動組件質量；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：為環境壓力；為膜片截面積；為調壓彈簧剛度；為膜片剛度。

閥芯腔內氣體的質量守恒，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中的流量是試驗中測得的穩態流量，在實際工作中，減壓器后端無流量輸出時，壓力穩定在調節范圍內，活門處于關閉狀態，當安全活門或放氧開關突然打開，減壓活門開始工作，將減壓壓力穩定在額定的輸出范圍內。因此，仿真計算的基本思路是，首先根據輸出流量和輸出壓力初步確定減壓活門穩定狀態的開啟度，然后通過求解活門組件的運動方程，計算活門是否能夠在輸出流量的條件下達到穩定狀態。計算中假定輸入壓力不變，不考慮氣體溫度的變化。計算結果如圖16所示。

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

從圖16可以看出：當輸出流量較大時，減壓活門一直處于振動狀態，不能穩定；流量較小時，減壓活門在經最初的調整后很快處于穩定狀態。

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

調壓彈簧、膜片、頂桿、減壓活門和減壓彈簧等組成的運動系統可看作單自由度有阻尼的自由振動系統，運動方程為

式中：為振動系統的固有頻率；為阻尼率。

式中：為彈簧剛度；為系統質量；為阻尼系數。

由上述運動方程可知，系統振蕩與、和等的匹配有關。

在保持減壓活門基本參數，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，減壓活門很快穩定，當設置輸出流量為0時，減壓活門也能正常關閉。

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

5 結 論

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

（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磨損等故障，并且減壓活門動態參數與安全閥釋放流量不匹配，減壓活門喪失壓力調節功能，使輸出壓力一直大于安全閥釋放壓力，使安全閥持續放氣。