高真空插板閥廣泛應用于空間環(huán)境模擬器真空分系統(tǒng)，如低溫泵、分子泵泵口閥，粗抽機組總閥等。這些閥門均屬于單點失效或一旦失效對試驗系統(tǒng)運行產(chǎn)生較大影響的關鍵設備。以KM6 空間環(huán)境模擬器試驗系統(tǒng)的單點失效設備粗抽總閥為研究對象，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閉時間、開關到位指示器、聲音傳感器從多角度對閥門的狀態(tài)進行監(jiān)測與判斷，能夠在其出現(xiàn)故障前，給出相關數(shù)據(jù)，對其狀態(tài)進行預示，效果良好。

引言

　　為驗證航天器熱設計的正確性及各個飛行階段熱控系統(tǒng)適應各種熱環(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行充分的地面試驗。航天器真空熱環(huán)境試驗是在空間環(huán)境模擬器內實現(xiàn)的，KM6 空間環(huán)境模擬器于1998 年建成，為載人飛船、空間站、大型應用衛(wèi)星進行熱平衡、真空熱試驗提供關鍵設備。空間環(huán)境模擬器是一個大型復雜的設備，由多個分系統(tǒng)組成，各分系統(tǒng)都存在單點失效或一旦失效對系統(tǒng)運行產(chǎn)生較大影響的關鍵設備，為了增強試驗系統(tǒng)運行的可靠性，真空技術網(wǎng)(http://www.mp99x.cn/)認為需要對系統(tǒng)中的關鍵設備尤其是單點失效設備的工作狀態(tài)監(jiān)測方法進行研究。以KM6 空間環(huán)境模擬器試驗系統(tǒng)的單點失效設備粗抽總閥(ZBS-800 高真空插板閥)為研究對象，對閥門的工作狀態(tài)監(jiān)測方法進行研究，監(jiān)測和預示閥門的狀態(tài)，在其出現(xiàn)故障前進行維護或維修，確保不影響試驗的順利進行。

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，按其結構原理可分為滾珠脹緊型與平行四邊形運動機構撐開型。本文的研究對象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、導向輪)、驅動部分(曲柄連桿機構、氣缸、機械到位開關)等部件組成，具體結構原理圖如圖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，密封閥板兩面形成0 至1 大氣壓壓差，均能達到真空密封，壓差作用在密封閥板上的力，無論壓差方向如何，均自動增強O型膠圈的密封力。閥門開啟時，驅動桿向后運動，滾珠進入閥板凹坑，板簧使兩個閥板離開閥座，緊壓在保持架兩側平面上，閥板隨保持架移動。閥門關閉時，驅動桿向前移動，當閥板前進到位，頂塊接觸閥殼后，保持架繼續(xù)移動，將滾珠推出凹坑，閥板壓向閥座，達到真空密封，此時屬于靜態(tài)密封結構。

圖1　真空插板閥結構原理圖

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構特點，可以采用檢測閥門閥板位移、閥門開啟以及關閉過程的聲音、閥門開啟以及關閉所需時間相互結合的方法對閥門的工作狀態(tài)進行預測。

　　2.1、閥門密封閥板的位移

　　激光位移傳感器是可以精確進行非接觸位置、位移測量的精密傳感器，在科學研究、工業(yè)生產(chǎn)、空間技術、國防等領域得到了廣泛應用，我們選用激光三角測量法傳感器對閥門密封閥板的位移進行測量，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，被內部的CCD 線性相機接收，根據(jù)不同的距離，CCD 線性相機可以在不同的角度下“看見”這個光點，然后根據(jù)這個角度及已知的激光和相機之間的距離，數(shù)字信號處理器就能計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壁上，安裝時應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(閥門關閉、未完全關閉狀態(tài)下)均應在量程范圍之內，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閉時相對于基準位置(閥座上的固定位置)的位移量即可以進行閥門內部易損件—密封閥板密封圈工作狀態(tài)的預測。閥門關閉到位時刻，密封閥板表面到基準位置的距離是一個定值，如果這個定值在某次閥門關閉到位后減小，就能夠說明密封圈的性質(硬度降低)已經(jīng)發(fā)生了變化，應當引起我們的足夠重視。

　　2.2、閥門開啟以及關閉過程的聲音

　　插板閥在開啟以及關閉過程中均會產(chǎn)生很大的聲響，尤其是在關閉到位時刻，聲音達到最大，在閥門附近的控制箱側面安裝一個聲音傳感器，如圖4所示，可以對閥門開啟、關閉全過程的聲音進行實時監(jiān)測。

圖4　聲音傳感器安裝位置圖

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

　　2.3、閥門開啟以及關閉所需的時間

　　我們知道，閥門開啟與關閉時間不僅與閥門所處狀態(tài)有關，還與供氣壓力有關，因此只有在特定條件下得出的開啟與關閉時間才有可比性。由于Φ800 閥門的實際關閉狀態(tài)是在粗抽結束、高真空系統(tǒng)開啟之前，其關閉時處于真空狀態(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法蘭形成密封空間，使用旋片泵、分子泵機組對其進行抽空，當密封空間真空度優(yōu)于1 Pa 后，對Φ800 閥門進行多次開關測試，發(fā)現(xiàn)供氣壓力越高，閥門開啟與關閉的時間越短，閥門開啟與關閉時的振動沖擊(通過聲音傳感器測量聲音信號體現(xiàn))越大，技術人員通過多次試驗，最終得出供氣壓力為0.6 MPa 時，既可以保證閥門開啟與關閉的時間不長，又可以保證開啟與關閉的振動沖擊不大。

圖5　閥門真空狀態(tài)下測試系統(tǒng)圖片

　　閥門開啟與關閉供氣壓力確定后， 進行0.6 MPa 供氣壓力下的開、關時間測試，對Φ800閥門進行多次開關測試，開閥時間在17.6 ~18.9 s之間，關閥時間在46.7 ~48.1 s 之間。

　　綜上，閥門在供氣壓力為0.6 MPa 的狀態(tài)下開啟時間以及關閉時間會是兩個相對固定的值，記錄供氣壓力為定值時，閥門每次開啟以及關閉的時間，會對閥門的工作狀態(tài)進行預測。例如，若閥門關閉時間與之前比過長，那么可以推斷閥門的驅動機構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動機構或者脹緊滾珠，因此，閥門一旦出現(xiàn)關閉時間變長，應當引起我們的足夠重視，在其內部性能沒有惡化前，將閥門驅動機構連同閥板一起吊出，進行維護，以便下次熱試驗前達到最佳工作狀態(tài)。

3、測試結果及數(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)，因此本部分的試驗數(shù)據(jù)全部基于上述條件測得。

　　3.1、測試結果

　　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，對閥門進行了多次開關測試，得出了多組位移、聲音復合曲線，通過比對分析，這些曲線的趨勢、特征點的對應關系均是一致的，下圖6、圖7 分別為一次開閥與關閥過程的典型位移、聲音復合曲線。

　　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、聲音復合曲線，聲音曲線先開始變化，這個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，收攏結束后位移達到52.73 mm，此時聲音達到最大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過程，此過程聲音逐漸降低。因此，復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、關閥曲線

　　如圖7 所示，為關閥過程的位移、聲音復合曲線，聲音曲線先開始變化，這個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，其中位移最小點為52.76 mm，此時，閥板組件到位，同時聲音曲線會出現(xiàn)一個峰值，后續(xù)位移將逐漸變小，隨著氣缸中的氣量增大，位移的變化率會有所增加，在這個時間段，聲音曲線也會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，同時發(fā)出很大的聲響，聲音曲線在閥板撐開到位時刻會出現(xiàn)一個峰值。

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

　　3.2.3、分析結論

　　綜上，圖7 復合曲線中聲音曲線所反應的閥門關閉時間，在2. 3 部分中PLC 計算的關閥時間范圍內(46.7 ~48.1s)；同樣，開閥與關閥的過程，兩次測量的閥板有效位移幾乎一致；而且閥門開啟與關閉過程的一些特征點在復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刻、閥門關閉過程的閥板到位時刻、閥門關閉過程的閥板撐開到位時刻，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、位移復合曲線

圖7　閥門關閉聲音、位移復合曲線

4、結束語

　　本文對用于空間環(huán)境模擬器的關鍵設備，高真空插板閥的結構原理進行了深入研究，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，通過位移傳感器預測密封閥板關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)閥門的開啟與關閉時間預測驅動機構的工作狀態(tài)，通過開關到位指示器以及聲音傳感器確認閥門的關閉狀態(tài)，并建立了高真空插板閥性能工作狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，獲得了相關測試數(shù)據(jù)。

　　國外從20 世紀70 年代起，故障診斷、故障預測、工作狀態(tài)管理等系統(tǒng)逐漸投入工程應用，國內很多行業(yè)憑借多年的技術積累也建立了自己的異常診斷系統(tǒng)，但經(jīng)過真空技術網(wǎng)(http://www.mp99x.cn/)的調研發(fā)現(xiàn)目前還沒有單位或個人開展過高真空插板閥性能工作狀態(tài)監(jiān)測方面的技術研究，本文也只是對滾珠脹緊型的高真空插板閥進行工作狀態(tài)的預測，以滿足工程應用的需要，希望文章的研究成果可以為空間環(huán)境模擬器其它關鍵設備的工作狀態(tài)監(jiān)測研究提供借鑒。