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浅析常见磁翻柱液位计的低压漏气故障分析

作时间:2019-07-17 11:03:15   来源:  作者:
摘 要:针对某型磁翻柱液位计的低压漏气现象,对液位计的特点和设计原理上的不足进行分析。根据相关试验数据,对液位计关键部分进行改进设计,提高了液位计的综合性能和可靠性。
 
0 引 言
磁翻柱液位计不仅在航天和军事领域应用广泛,在民用方面也是一种重要的功能控制元件,在各增压系统或动力系统中起到稳定系统工作的重要作用。磁翻柱液位计的主要功能是对密闭系统额定压差进行控制,即对规定的最高和最低压力进行安全控制。当密闭系统内的压力超出规定最高压力值时液位计自动打开,从溢出口将密闭系统内的气体或液体卸出,当密闭系统内的压力下降至规定压力以下时液位计自动关闭,保证系统内工作压力在规定的正常安全范围内。
 
1 液位计低压漏气故障分析
1.1 液位计低压漏气现象
常见磁翻柱液位计,在一次系统气密试验过程中,当密闭系统放气至0.07 MPa时,检查液位计主阀气密性,出现漏气现象且漏气量超过允许范围。要分析液位计低压漏气现象,首先从液位计各工作段的性能和漏气量进行试验,复核相关数据。此型 活 门 设计打开压力值为0.5 MPa、关闭压力值为0.27 MPa,对该液位计进行相关试验,在试验过程中液位计打开、关闭动作正常。检查液位计主阀气密性,在0.27 MPa时主阀气密性良好,无漏气现象,继续放气至0.07 MPa,漏气率为260 泡/min,出现漏气现象。
 
1.2 建立模拟试验系统
在试验室建立模拟试验系统,将液位计装在300 L试验容器上进行复测工作,试验室试验状态如图2所示。按液位计试验室试验状态:先手动调节打开1次,再用手动开关从液位计外给容器放气至0.27 MPa,检查主阀活塞气密性,继续手动开关放气至0.07 MPa ,检查主阀活塞气密性。结果均为0 泡/min。
模拟正式使用测试状态试验:在液位计出口处加应急堵盖(带放气小孔)限制放气流量,液位计强制放气至0.27MPa及0.07 MPa,并进行气密检查,结果为:0.27 MPa 时主阀活塞气密性良好;0.07 MPa 时主阀活塞处出现连续漏气(漏气量无法精确统计),从0.07 MPa 开始为容器增压,容器压力升至0.15 MPa时,液位计漏气现象消失。产品故障得到复现,同时说明如下问题:试验室状态下液位计试验状态与正式使用测试状态不一致,导致试验室状态无法及时发现液位计存在的低压漏气问题,将故障产品流入到了交付使用程序。
 
1.3 低压漏气影响因素
从机理上分析液位计主阀活塞低压漏气有5个可能因素:1)密封面上有多余物;2)密封圈光洁度差、材料破裂等质量问题;3)壳体止口质量问题;4)弹簧力不足;5)止口处密封比压不足。
对以上各可能因素进行检查与分析:1)经分解检查,液位计密封面无多余物;2)密封圈光洁度好,无破损;3)分解后检查壳体止口质量,止口表面完整,未发现锯齿和碰伤;4) 复测主阀弹簧力满足设计要求;5)活塞止口处密封力满足密封压力要求。
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1.4 低压漏气故障分析
活塞止口处密封力由气体压力、弹簧力、摩擦力等共同决定,弹簧力经检查符合设计要求。在此液位计模拟使用状态测试试验后进行分解检查,发现当拆除指挥阀、液位计主弹簧、液位计壳体后,活塞杆从强制腔推出时有明显回弹情况,进一步分析后确认活塞杆上两道密封圈之间存在夹气现象。为分析夹气现象对活塞止口处密封力的影响,对自由状态与夹气状态下两道密封圈与活塞杆间摩擦力进行比对试验,测试结果见表1。
自由状态为直接装配(未强制打开)两道密封圈时状态,夹气状态为液位计强制5 min后两道密封圈间出现夹气时状态。
由试验结果可以看出:与自由状态相比,当两道密封圈间存在夹气现象时,密封圈与活塞杆间摩擦力明显增大。为进一步明确夹气现象对活塞气密性能的影响,对夹气状态下活塞止口处实际密封状态进行分析。由表2可以看出:夹气状态下,受密封圈与活塞杆间摩擦力影响,0.07MPa气检时活塞止口处实际密封力已无法满足设计密封需求,活塞止口处因密封力不足而出现漏气现象。为进一步弄清两道密封圈间夹气现象的产生机理,对涉及密封圈密封的各零件尺寸进行复测并计算,结果见表3。由 表 3可 以 看 出 ,密 封 圈 要 求 压 缩 率 为 15.52% ~26.79%,实际压缩率为20.86%~21.41%,满足设计要求。密封圈要求拉伸率为1.055~1.070,实际拉伸率为1.032~1.042,实际拉伸率偏小,造成内圈胀紧量不足,使密封圈内圈与活塞杆间的胀紧压力偏小,无法达到密封要求。当强制腔通入气体时,高压气体由密封圈内圈与活塞杆间缝隙进入两道密封圈间空腔,强制腔卸压后仍有部分气体无法溢出并最终造成夹气现象。
夹气现象出现后,两道密封圈间空腔内夹气压力从侧面挤压两道密封圈,使两道密封圈与活塞杆间胀紧压力增大,导致强制动作后活塞复位时活塞杆与两道密封圈间摩擦力增加,使活塞在低压气检时因密封力不足出现漏气。
为进一步确认问题原因,将远离强制腔一侧的1件密封圈进行返修:在其小径内部压紧面处修圆弧形槽3处(槽深0.3~0.5 mm均布),以避免出现夹气现象,重新装配后模拟使用状态进行气密检查,气密性能良好。经过以上分析及对比验证,可以确认活塞杆上两道密封圈之间存在夹气现象是造成液位计低压漏气的直接原因。
 
2 低压漏气改进措施
根据试验的数据和结果对液位计设计进行完善,更改远离强制腔一侧密封圈的设计状态,将密封圈小径内部压紧面处修圆弧形槽3处,以彻底消除夹气现象。为验证上述措施的可行性,进行如下验证工作:液位计夹气现象出现后,将液位计中靠近强制腔一侧密封圈更换为新状态产品,重新装配后进行500次动作试验,每50次模拟使用状态进行1次气密检查,分别强制放气至0.27 MPa、0.07 MPa后进行气密性检测,液位计低压气密性能良好,漏气现象消失。试验后分解检查开槽密封圈状态良好,且无多余物产生。通过上述验证试验,说明采用远离强制腔一侧密封圈小径内部开槽的方法可以有效消除夹气现象,避免液位计因夹气而低压漏气。
 
3 结 论
某型磁翻柱液位计由于原始设计和生产装配过程存在不足,使液位计不能满足使用要求。通过以上对液位计性能和不足的分析,对漏气现象进行了密封结构的重新设计和改进,解决了液位计漏气现象,使其满足相关使用要求,为提高产品整体质量和后续发展提供了研究改进的基础。
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