高真空插板閥廣泛應(yīng)用于空間環(huán)境模擬器真空分系統(tǒng)，如低溫泵、分子泵泵口閥，粗抽機(jī)組總閥等。這些閥門均屬于單點(diǎn)失效或一旦失效對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生較大影響的關(guān)鍵設(shè)備。以KM6 空間環(huán)境模擬器試驗(yàn)系統(tǒng)的單點(diǎn)失效設(shè)備粗抽總閥為研究對(duì)象，開展工作狀態(tài)監(jiān)測方法研究，通過位移傳感器、特定條件下閥門的開啟與關(guān)閉時(shí)間、開關(guān)到位指示器、聲音傳感器從多角度對(duì)閥門的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測與判斷，能夠在其出現(xiàn)故障前，給出相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行預(yù)示，效果良好。

引言

　　為驗(yàn)證航天器熱設(shè)計(jì)的正確性及各個(gè)飛行階段熱控系統(tǒng)適應(yīng)各種熱環(huán)境的能力并確定熱控系統(tǒng)的最佳熱控參數(shù)，在航天器的研制過程中必須進(jìn)行充分的地面試驗(yàn)。航天器真空熱環(huán)境試驗(yàn)是在空間環(huán)境模擬器內(nèi)實(shí)現(xiàn)的，KM6 空間環(huán)境模擬器于1998 年建成，為載人飛船、空間站、大型應(yīng)用衛(wèi)星進(jìn)行熱平衡、真空熱試驗(yàn)提供關(guān)鍵設(shè)備。空間環(huán)境模擬器是一個(gè)大型復(fù)雜的設(shè)備，由多個(gè)分系統(tǒng)組成，各分系統(tǒng)都存在單點(diǎn)失效或一旦失效對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生較大影響的關(guān)鍵設(shè)備，為了增強(qiáng)試驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，真空技術(shù)網(wǎng)(http://203scouts.com/)認(rèn)為需要對(duì)系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備尤其是單點(diǎn)失效設(shè)備的工作狀態(tài)監(jiān)測方法進(jìn)行研究。以KM6 空間環(huán)境模擬器試驗(yàn)系統(tǒng)的單點(diǎn)失效設(shè)備粗抽總閥(ZBS-800 高真空插板閥)為研究對(duì)象，對(duì)閥門的工作狀態(tài)監(jiān)測方法進(jìn)行研究，監(jiān)測和預(yù)示閥門的狀態(tài)，在其出現(xiàn)故障前進(jìn)行維護(hù)或維修，確保不影響試驗(yàn)的順利進(jìn)行。

1、高真空插板閥組成及原理

　　在真空系統(tǒng)中，高真空插板閥用來切斷或接通管路氣流，按其結(jié)構(gòu)原理可分為滾珠脹緊型與平行四邊形運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)撐開型。本文的研究對(duì)象ZBS-800 高真空插板閥為滾珠脹緊型，滾珠脹緊方式的高真空插板閥主要由閥體(閥殼、閥蓋、密封圈)、閥板組件(脹緊滾珠、密封閥板、承壓閥板、板簧、保持架、導(dǎo)向輪)、驅(qū)動(dòng)部分(曲柄連桿機(jī)構(gòu)、氣缸、機(jī)械到位開關(guān))等部件組成，具體結(jié)構(gòu)原理圖如圖1 所示。

　　ZBS-800 型插板閥是一種雙向密封閥，在正向或反向抽真空時(shí)，密封閥板兩面形成0 至1 大氣壓壓差，均能達(dá)到真空密封，壓差作用在密封閥板上的力，無論壓差方向如何，均自動(dòng)增強(qiáng)O型膠圈的密封力。閥門開啟時(shí)，驅(qū)動(dòng)桿向后運(yùn)動(dòng)，滾珠進(jìn)入閥板凹坑，板簧使兩個(gè)閥板離開閥座，緊壓在保持架兩側(cè)平面上，閥板隨保持架移動(dòng)。閥門關(guān)閉時(shí)，驅(qū)動(dòng)桿向前移動(dòng)，當(dāng)閥板前進(jìn)到位，頂塊接觸閥殼后，保持架繼續(xù)移動(dòng)，將滾珠推出凹坑，閥板壓向閥座，達(dá)到真空密封，此時(shí)屬于靜態(tài)密封結(jié)構(gòu)。

圖1　真空插板閥結(jié)構(gòu)原理圖

2、高真空插板閥工作狀態(tài)監(jiān)測方法

　　根據(jù)ZBS-800 型插板閥的組成以及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以采用檢測閥門閥板位移、閥門開啟以及關(guān)閉過程的聲音、閥門開啟以及關(guān)閉所需時(shí)間相互結(jié)合的方法對(duì)閥門的工作狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測。

　　2.1、閥門密封閥板的位移

　　激光位移傳感器是可以精確進(jìn)行非接觸位置、位移測量的精密傳感器，在科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)、空間技術(shù)、國防等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，我們選用激光三角測量法傳感器對(duì)閥門密封閥板的位移進(jìn)行測量，激光三角測量法原理如圖2 所示，激光發(fā)射器通過鏡頭將可見紅色激光射向被測物體表面，經(jīng)物體反射的激光通過接收器鏡頭，被內(nèi)部的CCD 線性相機(jī)接收，根據(jù)不同的距離，CCD 線性相機(jī)可以在不同的角度下“看見”這個(gè)光點(diǎn)，然后根據(jù)這個(gè)角度及已知的激光和相機(jī)之間的距離，數(shù)字信號(hào)處理器就能計(jì)算出傳感器和被測物體之間的距離。

圖2　三角法位移測量基本原理圖

　　將上述位移傳感器安裝到閥座內(nèi)壁上，安裝時(shí)應(yīng)保證傳感器的激光發(fā)射器、接收元件表面與閥門密封閥板表面平行；傳感器與閥座之間固定可靠；傳感器的激光發(fā)射器、接收元件表面與密封閥板的距離(閥門關(guān)閉、未完全關(guān)閉狀態(tài)下)均應(yīng)在量程范圍之內(nèi)，具體安裝位置如圖3 所示。

圖3　位移傳感器安裝位置圖

　　監(jiān)測密封閥板在每次閥門開啟以及關(guān)閉時(shí)相對(duì)于基準(zhǔn)位置(閥座上的固定位置)的位移量即可以進(jìn)行閥門內(nèi)部易損件—密封閥板密封圈工作狀態(tài)的預(yù)測。閥門關(guān)閉到位時(shí)刻，密封閥板表面到基準(zhǔn)位置的距離是一個(gè)定值，如果這個(gè)定值在某次閥門關(guān)閉到位后減小，就能夠說明密封圈的性質(zhì)(硬度降低)已經(jīng)發(fā)生了變化，應(yīng)當(dāng)引起我們的足夠重視。

　　2.2、閥門開啟以及關(guān)閉過程的聲音

　　插板閥在開啟以及關(guān)閉過程中均會(huì)產(chǎn)生很大的聲響，尤其是在關(guān)閉到位時(shí)刻，聲音達(dá)到最大，在閥門附近的控制箱側(cè)面安裝一個(gè)聲音傳感器，如圖4所示，可以對(duì)閥門開啟、關(guān)閉全過程的聲音進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

圖4　聲音傳感器安裝位置圖

　　閥門開啟、關(guān)閉過程聲音的監(jiān)測只能作為閥門是否關(guān)閉到位一個(gè)方面的判據(jù)，因此，考慮將閥門位移以及聲音的監(jiān)測結(jié)合起來，即監(jiān)測位移的同時(shí)監(jiān)測聲音，這樣的好處是更加準(zhǔn)確判斷閥門的狀態(tài)。

　　2.3、閥門開啟以及關(guān)閉所需的時(shí)間

　　我們知道，閥門開啟與關(guān)閉時(shí)間不僅與閥門所處狀態(tài)有關(guān)，還與供氣壓力有關(guān)，因此只有在特定條件下得出的開啟與關(guān)閉時(shí)間才有可比性。由于Φ800 閥門的實(shí)際關(guān)閉狀態(tài)是在粗抽結(jié)束、高真空系統(tǒng)開啟之前，其關(guān)閉時(shí)處于真空狀態(tài)，因此搭建了如圖5 所示的測試系統(tǒng)。

　　閥門閥座兩邊用兩個(gè)法蘭形成密封空間，使用旋片泵、分子泵機(jī)組對(duì)其進(jìn)行抽空，當(dāng)密封空間真空度優(yōu)于1 Pa 后，對(duì)Φ800 閥門進(jìn)行多次開關(guān)測試，發(fā)現(xiàn)供氣壓力越高，閥門開啟與關(guān)閉的時(shí)間越短，閥門開啟與關(guān)閉時(shí)的振動(dòng)沖擊(通過聲音傳感器測量聲音信號(hào)體現(xiàn))越大，技術(shù)人員通過多次試驗(yàn)，最終得出供氣壓力為0.6 MPa 時(shí)，既可以保證閥門開啟與關(guān)閉的時(shí)間不長，又可以保證開啟與關(guān)閉的振動(dòng)沖擊不大。

圖5　閥門真空狀態(tài)下測試系統(tǒng)圖片

　　閥門開啟與關(guān)閉供氣壓力確定后， 進(jìn)行0.6 MPa 供氣壓力下的開、關(guān)時(shí)間測試，對(duì)Φ800閥門進(jìn)行多次開關(guān)測試，開閥時(shí)間在17.6 ~18.9 s之間，關(guān)閥時(shí)間在46.7 ~48.1 s 之間。

　　綜上，閥門在供氣壓力為0.6 MPa 的狀態(tài)下開啟時(shí)間以及關(guān)閉時(shí)間會(huì)是兩個(gè)相對(duì)固定的值，記錄供氣壓力為定值時(shí)，閥門每次開啟以及關(guān)閉的時(shí)間，會(huì)對(duì)閥門的工作狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測。例如，若閥門關(guān)閉時(shí)間與之前比過長，那么可以推斷閥門的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)或者閥門閥板組件的脹緊過程遇到阻力，這種阻力可能來自驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)或者脹緊滾珠，因此，閥門一旦出現(xiàn)關(guān)閉時(shí)間變長，應(yīng)當(dāng)引起我們的足夠重視，在其內(nèi)部性能沒有惡化前，將閥門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)連同閥板一起吊出，進(jìn)行維護(hù)，以便下次熱試驗(yàn)前達(dá)到最佳工作狀態(tài)。

3、測試結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

　　由于在文章2.3 部分中，已經(jīng)獲得了閥門在真空狀態(tài)下(真空度優(yōu)于1 Pa) 的最佳供氣壓力(0.6 MPa)，因此本部分的試驗(yàn)數(shù)據(jù)全部基于上述條件測得。

　　3.1、測試結(jié)果

　　搭建的Φ800 閥門測試系統(tǒng)如圖5 所示，真空狀態(tài)、供氣壓力0.6 MPa 時(shí)，對(duì)閥門進(jìn)行了多次開關(guān)測試，得出了多組位移、聲音復(fù)合曲線，通過比對(duì)分析，這些曲線的趨勢、特征點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系均是一致的，下圖6、圖7 分別為一次開閥與關(guān)閥過程的典型位移、聲音復(fù)合曲線。

　　3.2、數(shù)據(jù)分析

　　3.2.1、開閥曲線

　　如圖6 所示，為開閥過程的位移、聲音復(fù)合曲線，聲音曲線先開始變化，這個(gè)階段測得的聲音是閥門氣缸換氣所引起，此過程位移不變，位移曲線第一次變化過程，是閥門閥板收攏的階段，收攏結(jié)束后位移達(dá)到52.73 mm，此時(shí)聲音達(dá)到最大76.78 dB，后續(xù)位移曲線的平穩(wěn)段是閥板組件上提的過程，此過程聲音逐漸降低，后續(xù)一段曲線的變化是位移傳感器超出測量范圍的一個(gè)過程，此過程聲音逐漸降低。因此，復(fù)合曲線的變化過程符合閥門開啟引起的位移、聲音變化過程。

　　由位移曲線，容易得出閥門開啟過程閥板的有效位移為8.92 mm。

　　3.2.2、關(guān)閥曲線

　　如圖7 所示，為關(guān)閥過程的位移、聲音復(fù)合曲線，聲音曲線先開始變化，這個(gè)階段測得的聲音主要是閥門氣缸換氣所引起，此過程位移超范圍，位移曲線第一次變化是閥板組件到位的過程，其中位移最小點(diǎn)為52.76 mm，此時(shí)，閥板組件到位，同時(shí)聲音曲線會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰值，后續(xù)位移將逐漸變小，隨著氣缸中的氣量增大，位移的變化率會(huì)有所增加，在這個(gè)時(shí)間段，聲音曲線也會(huì)隨著閥板撐開的聲音發(fā)生變化，后續(xù)一段位移曲線比較平緩，直到最后閥板完全撐開到位，同時(shí)發(fā)出很大的聲響，聲音曲線在閥板撐開到位時(shí)刻會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰值。

　　由聲音曲線，容易得出閥門關(guān)閉過程一共用時(shí)48 s；由位移曲線，容易得出閥門關(guān)閉過程閥板的有效位移為8.93 mm。

　　3.2.3、分析結(jié)論

　　綜上，圖7 復(fù)合曲線中聲音曲線所反應(yīng)的閥門關(guān)閉時(shí)間，在2. 3 部分中PLC 計(jì)算的關(guān)閥時(shí)間范圍內(nèi)(46.7 ~48.1s)；同樣，開閥與關(guān)閥的過程，兩次測量的閥板有效位移幾乎一致；而且閥門開啟與關(guān)閉過程的一些特征點(diǎn)在復(fù)合曲線上均吻合的很好，例如，閥門開啟過程的閥板收攏完成時(shí)刻、閥門關(guān)閉過程的閥板到位時(shí)刻、閥門關(guān)閉過程的閥板撐開到位時(shí)刻，這再次證明聲音曲線、位移曲線的正確性。

圖6　閥門開啟聲音、位移復(fù)合曲線

圖7　閥門關(guān)閉聲音、位移復(fù)合曲線

4、結(jié)束語

　　本文對(duì)用于空間環(huán)境模擬器的關(guān)鍵設(shè)備，高真空插板閥的結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行了深入研究，以此為依據(jù)，開展閥門性能工作狀態(tài)監(jiān)測方法的研究，通過位移傳感器預(yù)測密封閥板關(guān)鍵部件密封圈的疲勞程度，通過特定條件下(真空狀態(tài)、供氣壓力0.6 MPa)閥門的開啟與關(guān)閉時(shí)間預(yù)測驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)，通過開關(guān)到位指示器以及聲音傳感器確認(rèn)閥門的關(guān)閉狀態(tài)，并建立了高真空插板閥性能工作狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，獲得了相關(guān)測試數(shù)據(jù)。

　　國外從20 世紀(jì)70 年代起，故障診斷、故障預(yù)測、工作狀態(tài)管理等系統(tǒng)逐漸投入工程應(yīng)用，國內(nèi)很多行業(yè)憑借多年的技術(shù)積累也建立了自己的異常診斷系統(tǒng)，但經(jīng)過真空技術(shù)網(wǎng)(http://203scouts.com/)的調(diào)研發(fā)現(xiàn)目前還沒有單位或個(gè)人開展過高真空插板閥性能工作狀態(tài)監(jiān)測方面的技術(shù)研究，本文也只是對(duì)滾珠脹緊型的高真空插板閥進(jìn)行工作狀態(tài)的預(yù)測，以滿足工程應(yīng)用的需要，希望文章的研究成果可以為空間環(huán)境模擬器其它關(guān)鍵設(shè)備的工作狀態(tài)監(jiān)測研究提供借鑒。