余度設(shè)計(jì)技術(shù)是系統(tǒng)或設(shè)備獲得高可靠性、高安全性及提高生存能力的設(shè)計(jì)方法之一。該文介紹了某商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)用起動(dòng)空氣閥設(shè)計(jì)中采用的余度設(shè)計(jì)技術(shù)，就其結(jié)構(gòu)組成、部分主要功能組件的工作原理及功能余度的構(gòu)成等進(jìn)行了論述。

　　相較于民航運(yùn)輸業(yè)的迅猛發(fā)展， 我國(guó)的民機(jī)研發(fā)才剛剛起步，遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足民用航空的需求；而要在國(guó)際航空業(yè)占有一席之地，研發(fā)高可靠性、高安全性的航空發(fā)動(dòng)機(jī)是我國(guó)航空業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。起動(dòng)空氣閥是某新型民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)配套產(chǎn)品， 基于安全的重要性，從系統(tǒng)需求，到產(chǎn)品的研發(fā)，均進(jìn)行了安全性設(shè)計(jì)考慮。余度設(shè)計(jì)作為安全性設(shè)計(jì)的常用方法，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.healwit.com.cn/)認(rèn)為其被應(yīng)用于起動(dòng)空氣閥的設(shè)計(jì)過(guò)程中。本文介紹了在起動(dòng)空氣閥設(shè)計(jì)中采用的余度設(shè)計(jì)方法， 藉此為航空附件產(chǎn)品進(jìn)行余度設(shè)計(jì)提供一種參考。

1、起動(dòng)空氣閥的系統(tǒng)需求

　　起動(dòng)空氣閥屬于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)系統(tǒng)， 用于給空氣渦輪起動(dòng)機(jī)輸送氣源。其主要系統(tǒng)需求如下：

　　(1)應(yīng)能適應(yīng)多種引氣方式：交叉引氣、APU 引氣和地面氣源引氣；

　　(2)應(yīng)具有限壓功能，出口壓力應(yīng)能在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)；

　　(3)起動(dòng)空氣閥應(yīng)具有手動(dòng)打開(kāi)和關(guān)閉功能；

　　(4)蝶閥在全關(guān)閉位置應(yīng)具有位置指示電信號(hào)輸出功能；

　　(5)位置電信號(hào)輸出應(yīng)具有雙余度，用于實(shí)現(xiàn)雙通道監(jiān)控；

　　(6)操作控制應(yīng)具有雙余度功能，可實(shí)現(xiàn)雙通道控制；

　　(7)起動(dòng)空氣閥應(yīng)為常閉狀態(tài)；

　　(8)引氣孔及通路設(shè)計(jì)要能有效防止因污染而引起的堵塞。

2、起動(dòng)空氣閥的原理設(shè)計(jì)

　　起動(dòng)空氣閥為二位二通壓力調(diào)節(jié)閥， 正常為常閉狀態(tài)。由于其利用高溫空氣作為工作介質(zhì)，且需控制壓力變化的速度，故需采用間接作用式壓力調(diào)節(jié)器。根據(jù)其功能及系統(tǒng)需求， 其控制部分應(yīng)由帶有手動(dòng)功能的二位二通截止閥、過(guò)濾器、可調(diào)先導(dǎo)式減壓閥、電磁閥及作動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。其功能符號(hào)見(jiàn)圖1。

1-手動(dòng)二位二通閥　2-過(guò)濾器　3-先導(dǎo)式減壓閥　4-雙余度電磁閥　5-作動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

圖1 起動(dòng)空氣閥功能符號(hào)圖

　　起動(dòng)空氣閥的詳細(xì)工作原理圖見(jiàn)圖2。手動(dòng)二位二通截止閥用于實(shí)現(xiàn)控制氣路的手動(dòng)關(guān)斷及鎖閉。正常狀態(tài)下，手動(dòng)二位二通閥為常開(kāi)，保持控制氣路常通。電磁閥無(wú)電源接通時(shí)，電磁閥中的鋼球?qū)⒖刂茪饴非袛啵?控制氣體無(wú)法通過(guò)氣路進(jìn)入作動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)開(kāi)啟腔， 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作動(dòng)筒組件處于圖2 所示位置，此時(shí)蝶閥關(guān)閉。通過(guò)此種控制方式，可以使產(chǎn)品在失效狀態(tài)時(shí)保證蝶板處于全關(guān)位置并鎖閉。

　　雙余度電磁閥用于實(shí)現(xiàn)控制氣路的通斷控制；先導(dǎo)式減壓閥用于實(shí)現(xiàn)起動(dòng)閥出口的壓力調(diào)節(jié)； 作動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)用于蝶板打開(kāi)和關(guān)閉的驅(qū)動(dòng)控制。電磁閥線(xiàn)圈接通電源，電磁閥中動(dòng)鐵芯與鐵芯吸合，鋼球移開(kāi)，排氣孔關(guān)閉。控制氣體進(jìn)入作動(dòng)器開(kāi)啟腔，作動(dòng)大活塞在開(kāi)啟腔壓力作用下，驅(qū)動(dòng)作動(dòng)組件向右移動(dòng)，再由連桿組件帶動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使蝶閥打開(kāi)。

圖2 起動(dòng)空氣閥工作原理圖

　　電磁閥斷電，其動(dòng)、定鐵芯脫離，電磁閥鋼球在電磁閥彈簧作用下堵住氣路進(jìn)口， 同時(shí)打開(kāi)開(kāi)啟腔排氣孔。開(kāi)啟腔通過(guò)排氣孔與大氣相通，作動(dòng)組件在扭簧和關(guān)閉腔氣體壓力作用下左移， 作動(dòng)組件通過(guò)連桿組件帶動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使蝶閥關(guān)閉。

　　過(guò)濾器用于保證避免引起通道的堵塞； 關(guān)閉位置電信號(hào)輸出采用耐高溫環(huán)境的雙余度微動(dòng)開(kāi)關(guān)， 以實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的雙余度及雙通道輸出。當(dāng)?shù)�閥在關(guān)閉位置時(shí)，位置電信號(hào)接通，打開(kāi)過(guò)程中電信號(hào)斷開(kāi)；由于有雙余度信號(hào)輸出，可進(jìn)行雙通道監(jiān)控產(chǎn)品的工作狀態(tài)。為防止一旦電磁閥失效， 蝶閥意外打開(kāi)可能導(dǎo)致的系統(tǒng)故障，控制氣路中設(shè)置的手動(dòng)二位二通截止閥，可強(qiáng)制關(guān)閉控制氣路，達(dá)到關(guān)閉且能鎖閉蝶閥的目的；蝶閥軸端設(shè)有通用六方，可手動(dòng)打開(kāi)蝶閥。產(chǎn)品設(shè)有蝶閥目視位置指示，可實(shí)時(shí)觀(guān)察蝶閥位置。

3、關(guān)鍵控制功能組件介紹

　　起動(dòng)空氣閥按功能組成，可分為蝶閥通道、先導(dǎo)控制閥、雙余度電磁閥、雙余度微動(dòng)開(kāi)關(guān)、作動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、手動(dòng)操控機(jī)構(gòu)等幾大功能模塊。幾大功能模塊既相互獨(dú)立，又通過(guò)功能性能的匹配及組合，協(xié)調(diào)工作，共同保證產(chǎn)品功能的實(shí)現(xiàn)。由于起動(dòng)空氣閥功能組件多，工作原理復(fù)雜，本文僅介紹關(guān)鍵控制的功能組件。

　　1)先導(dǎo)控制組件

　　先導(dǎo)控制組件見(jiàn)圖3。先導(dǎo)控制組件為一先導(dǎo)式定值減壓閥， 其作用是調(diào)節(jié)起動(dòng)空氣閥作動(dòng)器控制腔壓力。該定值減壓閥通過(guò)調(diào)節(jié)螺釘預(yù)先設(shè)定出口壓力，出口壓力通過(guò)節(jié)流孔與感壓腔相通。當(dāng)出口壓力高于或低于設(shè)定值時(shí)，減壓閥內(nèi)的膜片組件就會(huì)帶動(dòng)活門(mén)向上或向下位移，通過(guò)活門(mén)開(kāi)度的變化進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，從而保證減壓閥出口壓力在預(yù)先設(shè)定的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。

　　該定值減壓閥的先導(dǎo)部分采用膜片作為感壓元件，利用膜片剛度小、感壓面積大、對(duì)壓力瞬態(tài)變化反映靈敏的特性， 進(jìn)行對(duì)起動(dòng)空氣閥的間接出口壓力控制，可有效保證出口壓力穩(wěn)定。且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，重量輕，尤適用于航空調(diào)壓及減重的需求。

1-控制座　2-濾片組件　3-堵塞　4-調(diào)壓閥蓋　5-調(diào)壓彈簧　6-調(diào)節(jié)螺釘　7-復(fù)位彈簧　8-膜片組件　9-減壓活門(mén)

圖3 先導(dǎo)控制組件

　　2)雙余度電磁閥組件

　　雙余度電磁閥見(jiàn)圖4。該雙余度電磁閥具有兩個(gè)相互獨(dú)立的電磁線(xiàn)圈，既可以使兩個(gè)線(xiàn)圈同時(shí)工作，亦可使其任一線(xiàn)圈獨(dú)立工作。若采用兩個(gè)線(xiàn)圈同時(shí)工作，則電磁閥正常工作時(shí)兩線(xiàn)圈均通一樣大小的電流； 若其中一個(gè)線(xiàn)圈失效， 則另一線(xiàn)圈工作電流增加一倍后仍可保證電磁閥的正常工作。

1-活門(mén)組件　2-殼體座　3-動(dòng)鐵芯　4-線(xiàn)圈繞組　5-彈簧　6-導(dǎo)線(xiàn)套

圖4 雙余度電磁閥

　　基于航空發(fā)動(dòng)機(jī)電流分配限制， 起動(dòng)空氣閥采用兩個(gè)線(xiàn)圈分別獨(dú)立工作模式，其工作電流相同。若其中一個(gè)線(xiàn)圈失效，則啟用另一線(xiàn)圈保證電磁閥正常工作。

　　該余度電磁閥的設(shè)計(jì)是建立在單線(xiàn)圈電磁閥設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上的， 因此其基本設(shè)計(jì)方法是與單線(xiàn)圈電磁閥是一樣的。該電磁閥采用了螺管電磁鐵結(jié)構(gòu)，兩電磁線(xiàn)圈采用串聯(lián)式結(jié)構(gòu)形式，兩個(gè)線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)參數(shù)完全相同。該結(jié)構(gòu)形式零件種類(lèi)少，便于生產(chǎn)和維修；外徑尺寸小，

　　便于布局；同時(shí)具有重量輕的優(yōu)點(diǎn)。

　　3)雙余度信號(hào)輸出

　　起動(dòng)空氣閥要求具有雙余度信號(hào)輸出功能， 以實(shí)現(xiàn)其狀態(tài)的雙通道監(jiān)控。起動(dòng)空氣閥設(shè)計(jì)采用了耐高溫環(huán)境的雙聯(lián)一體式的微動(dòng)開(kāi)關(guān)， 一體式微動(dòng)開(kāi)關(guān)能夠保證兩個(gè)微動(dòng)開(kāi)關(guān)行程相同、動(dòng)作一致，從而可以有效保證雙信號(hào)輸出的一致性。

　　4)作動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

　　作動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理是： 由控制腔壓力驅(qū)動(dòng)活塞位移、通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)蝶板旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)閥的打開(kāi)操作； 再由反饋腔壓力推動(dòng)活塞反向位移并通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)蝶板反向旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)閥的關(guān)閉操作。其結(jié)構(gòu)原理見(jiàn)圖5。

圖5 起動(dòng)空氣閥作動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

4、起動(dòng)空氣閥的余度設(shè)計(jì)

　　1)雙余度打開(kāi)及關(guān)閉

　　雙余度開(kāi)啟：從圖1 功能符號(hào)圖可以看出：起動(dòng)空氣閥可通過(guò)控制氣路的通斷進(jìn)行打開(kāi)操作， 亦可以進(jìn)行手動(dòng)強(qiáng)制打開(kāi)操作。

　　雙余度關(guān)閉：其一是關(guān)斷電磁閥電源：通過(guò)電磁閥鋼球關(guān)斷控制氣路； 其二是通過(guò)手動(dòng)操控機(jī)構(gòu)關(guān)閉二位二通閥，阻斷控制氣路。由于起動(dòng)閥工作介質(zhì)為高溫空氣，且具有一定壓力，通過(guò)阻斷控制氣路，可保證操作的安全性。

　　2)雙通道控制

　　起動(dòng)空氣閥的電磁閥為雙余度電磁閥， 采用雙線(xiàn)圈通過(guò)雙通道供給電源，可實(shí)現(xiàn)雙通道控制。

　　3)雙通道監(jiān)控

　　起動(dòng)空氣閥采用了雙余度微動(dòng)開(kāi)關(guān)。當(dāng)?shù)�閥處于關(guān)閉位置時(shí)，兩個(gè)微動(dòng)開(kāi)關(guān)同時(shí)輸出關(guān)閉信號(hào)，可雙通道對(duì)起動(dòng)空氣閥的打開(kāi)或關(guān)閉位置進(jìn)行適時(shí)監(jiān)測(cè)。

5、結(jié)論

　　隨著人類(lèi)活動(dòng)空間的拓展以及民用航空運(yùn)輸業(yè)的普及， 航空產(chǎn)品的安全性成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)中首要考慮的問(wèn)題。而余度設(shè)計(jì)作為一種常用的安全性設(shè)計(jì)方法，正越來(lái)越多地被應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)中。起動(dòng)空氣閥用于商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)系統(tǒng)， 其研制成功的關(guān)鍵是組成系統(tǒng)的附件能夠安全、可靠的工作。起動(dòng)空氣閥的設(shè)計(jì)引入目前航空業(yè)常用的余度設(shè)計(jì)技術(shù)，涵蓋控制、監(jiān)控及功能完成等方面，為其安全、可靠地完成預(yù)定功能打下了基礎(chǔ)。目前該產(chǎn)品已完成基本功能測(cè)試，其環(huán)境適應(yīng)性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。