保险阀导向杆断裂故障分析及结构改进

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Fracture analysis and structure improvement oforiented-pole of safety valveYU Feng WANG Xibo SUN Faguo YUE Bing LI Juanjuan ZHOU Haoyang(Beijing Institute ofAstronautical Systems Engineering，Beijing 100076，China)Abstract：The fracture fault of the oriented-pole was analyzed using the fatigue life theory，the FEA ofstatic strength and dynamic intensity，and the observation of microscopic morphology.The results shownthe fracture of the oriented-pole resulted from the unsubstantial dynamic intensity that made the polefatigue in the coupled vibration stress region.Based on the analysis result，the structure of the oriented-polewas improved and a test was carried out on the eficiency of the improved structure.The test results shownthe improved structure was efectual，which testified the correctness and the reliability of the analysis wayin the text from another point of view。

Key words：safety valve；fractre；FEA；fatigue life；dynamic intensity0 弓l言保险阀是运载火箭关键单机之-，在火箭发射准备过程中和火箭飞行过程中保护贮箱承压安全，保险阀故障模式为单点失效模式，保险阀-旦发生故障，至少为I类故障模式。保险阀收稿日期：2013.05.02；修回日期：2013-08-10基金项目：国家 863项 目 (2011AA0170)作者简介：余锋 (1978-)，男，博士，工程师，研究方向：箭体阀门设计； (100076)北京市 9200信箱 10分箱 12号。

强 度 与 环 境 2013生处，疲劳计算时G(厂)为3.1.4节随机响应分析得到的导向杆最大应力处均方根应力谱密度。

随机载荷下，单位之间内应力的峰值E[P][ 。如随机振动试验时间为 ，则在 时间内材料的疲劳损伤D可表示为D-E[.p]T S"p(S)dS (5)式中，D值表示在 时间内元件发生疲劳破坏的可能性，1表示材料发生了破坏，即D≤1。利用MATLAB软件编程，对径向随机振动过程中疲劳寿命 J[)值进行计算，2O～1000Hz范围内导向杆的疲劳寿命D值为 1.9×10 ，D值远大于 1，在振动时间内，导向杆发生疲劳破坏的可性较大。

2.3 嗅通过对导向杆动强度分析、模态分析、疲劳计算及故障件失效分析，可以看出，在径向随机振动力学环境条件下，指挥阀导向杆结构主要在第-阶、二阶固有频率位置产生共振激励，导致导向杆在螺纹根部发生双向弯曲疲劳断裂。

3 结构改进由前面分析知道，保险阀导向杆断裂故障主要是由于动强度设计不足导致导向杆双向弯曲应力集中区疲劳断裂，为此结构改进从如下三个方面进行。 现状态1)提高耐振动性能导向杆外径及螺纹处直径由8mm增大至 12ram，导 向杆材 料 由不锈 钢 OCrl8Ni9 改为 高温 合金GH4169，材料强度由520MPa提高到 1275MPa。 改进后状态2)减少应力集中区应力集中区增加圆滑过渡 R10。

3)减小悬壁梁结构质量指挥阀膜盒导向套组件20图8 导向杆结构改进结构改进前导向杆上弹簧挡盘材料为高温合金 GH4169，密度为 8.24g/cm ，改进后材料为铝合金 2A14，密度为2.8g/cm3，质量由376.2g降低至 127.8g，可有效降低悬臂梁端部重量。

4 结构改进有效性分析及验证4.1 静强度分析在弹簧和气体的压力作用下，指挥阀导向杆应力如图9所示，最大应力在导向杆根部为10.8MPa。

4.2 模态分析指挥阀导向结构前四阶共振频率及模态如表2 图9 改进后导向杆Mises应力云图Jl1.1砰42 强 度 与 环 境 2013笠0Cr18Ni9改为高温合金 GH4169后，抗疲劳强度增加，导向杆疲劳寿命大大增加。振动试验后导向杆未出现断裂，改进方案能够解决振动过程中导向杆断裂故障，解决措施有效。

5 结论1)经过有限元动强度分析、疲劳寿命计算及故障件失效分析可知，保险阀导向杆断裂故障为导向杆设计动强度不足，导致导向杆双向弯曲应力集中区疲劳断裂。

2)依据分析结果，对保险阀导向杆结构进行改进，主要改进有：增大导向杆直径、增加应力集中区圆滑过大、更改材料、减小悬壁梁端部质量，以此提高导向杆抗振性能。

3)对导向杆改进结构进行分析和试验验证，结果表明改进后导向杆抗振性能好，振动过程中没有出现断裂故障，改进措施有效。

4)由试验结果可以验证有限元动强度分析和疲劳寿命计算方法正确可靠，该方法为结构产品动载荷及疲劳寿命分析计算提供参考。