儲氣式氣體發(fā)生器故障分析及設(shè)計改進(jìn)

楊正才，楊 旗，劉偉國，郭攀峰，陳 雨

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儲氣式氣體發(fā)生器故障分析及設(shè)計改進(jìn)

楊正才，楊 旗，劉偉國，郭攀峰，陳 雨

（北方特種能源集團(tuán)西安慶華公司，陜西 西安，710025）

某氣體發(fā)生器在進(jìn)行放氣試驗時發(fā)生故障，出現(xiàn)了密封膜片結(jié)構(gòu)強度不匹配問題，導(dǎo)致放氣試驗失敗。通過對密封膜片結(jié)構(gòu)和受力過程進(jìn)行分析，找出了故障原因，并改進(jìn)了結(jié)構(gòu)設(shè)計。驗證試驗表明：改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)杜絕了膜片受力后的整體變形，使其只發(fā)生剪切斷裂，提高了放氣功能的可靠性。

氣體發(fā)生器；密封膜片；裝藥；結(jié)構(gòu)設(shè)計

儲氣式氣體發(fā)生器是一種常見航天航空火工裝置，通過儲存在內(nèi)部的高壓氣體實現(xiàn)氣體輸出要求[1]。在某儲氣式氣體發(fā)生器進(jìn)行放氣試驗時，出現(xiàn)了低溫下小裝藥電爆管無法正常放氣，常溫和高溫下正常裝藥電爆管出現(xiàn)放氣異常等故障。通過對氣體發(fā)生器的工作機理、故障現(xiàn)象和密封膜片受力過程進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)膜片結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理是導(dǎo)致放氣異常的主要原因。筆者對膜片結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，解決了故障問題，提高了膜片結(jié)構(gòu)和電爆管裝藥裕度的匹配性。

1 某儲氣式氣體發(fā)生器簡介

某氣體發(fā)生器結(jié)構(gòu)見圖1，當(dāng)氣體發(fā)生器需要工作時，控制系統(tǒng)向電爆管提供工作電流，電爆管工作后產(chǎn)生的高壓火藥燃?xì)馔苿臃艢鈾C構(gòu)的放氣活塞，將密封膜片從設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)剪斷，實現(xiàn)膜片破口。氣體發(fā)生器內(nèi)貯存的高壓氣體從膜片破口沿放氣活塞的排氣口排出，實現(xiàn)產(chǎn)氣功能。

圖1 某氣體發(fā)生器結(jié)構(gòu)圖

2 故障現(xiàn)象及分析

2.1 故障現(xiàn)象

在進(jìn)行放氣試驗時，出現(xiàn)了電爆管作用無法正常放氣的故障。對氣體發(fā)生器進(jìn)行解剖發(fā)現(xiàn)，電爆管正常作用，但放氣位置有異常。故障現(xiàn)象見表1所示。

表1 故障現(xiàn)象統(tǒng)計

Tab.1 Fault statistics

2.2 失效分析

2.2.1故障現(xiàn)象分析

按照火工品失效分析方法[2]，根據(jù)氣體發(fā)生器的放氣工作原理，對引起氣體發(fā)生器故障的原因進(jìn)行逐一分析排查，本文只列出了幾項主要因素。

氣體發(fā)生器是通過密封膜片來實現(xiàn)儲氣和放氣的功能。密封膜片結(jié)構(gòu)見圖2所示。在理論設(shè)計中密封膜片的φ4mm端面在受到力作用后，從位置φ9mm處被剪斷，剪斷位置厚度0.5mm。但故障產(chǎn)品的膜片未破或未從設(shè)計的φ9mm薄弱處剪斷，而是從φ4mm端面處剪斷，剪切位置厚度2.6mm。膜片剪斷位置見圖3所示。

圖2 膜片結(jié)構(gòu)圖

圖3 膜片切斷位置示意圖

由于電爆管已正常作用且爆壓符合要求，所以產(chǎn)生故障可能有密封膜片加工不合格、膜片受力過程異常等原因。

2.2.2膜片加工情況

對故障膜片的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行測量，其膜片厚度為0.51mm，膜片薄弱環(huán)節(jié)位置和加工角度等均滿足設(shè)計要求。檢查使用批次膜片的加工過程，其使用的材料、熱處理硬度等也滿足要求；同時選用同批次加工的膜片進(jìn)行剪切力試驗，數(shù)據(jù)見表2。試驗結(jié)果顯示：膜片的剪切力均在設(shè)計值10 000N的允許范圍內(nèi)，因此可以排除加工問題導(dǎo)致的故障。

表2 膜片剪切力數(shù)據(jù)

2.2.3膜片受力情況分析

經(jīng)過計算，設(shè)計的膜片剪切力值為9 919N，拉斷力值為16 108N。而受力面φ4mm處的剪切力值為14 107N。從計算數(shù)據(jù)可以看出，φ4mm處的剪切力值是膜片設(shè)計剪切力的1.42倍，但當(dāng)膜片在受力過程中不是剪切，而是發(fā)生了變形，那么其斷開方式由剪切向拉斷變化，此時設(shè)計斷裂出的拉斷力大于φ4mm處的剪切力，出現(xiàn)從φ4mm的受力面斷裂的可能。

該分析也與裕度試驗時部分氣瓶的膜片發(fā)生變形但未打開，和部分膜片從φ4mm受力面處斷裂的故障現(xiàn)象吻合。

為了解該膜片結(jié)構(gòu)在受力時的應(yīng)力分布及受力后變形情況，利用ANSYSWorkbench軟件進(jìn)行了受力分析，模擬加載10 000N力時，膜片結(jié)構(gòu)的受力和變形情況見圖4所示。

圖4 膜片受力變形情況

從仿真結(jié)果看出，在10 000N力加載時，膜片的最大受力點出現(xiàn)在φ4mm受力面和φ9mm剪切面處，膜片受力后并不是直接被剪切，而是發(fā)生了彎曲變形，最大彎曲量1.5mm，已經(jīng)超過了0.5mm的膜片厚度。

通過對故障現(xiàn)象和膜片受力變形情況的分析得出：膜片受力面（φ4mm）和剪切面（φ9mm）之間由于存在2.5mm的過渡距離，膜片受力后發(fā)生變形，薄弱部分的剪切力轉(zhuǎn)換為變形后的拉力，使得膜片的破壞力增大，出現(xiàn)故障。

3 設(shè)計方案的改進(jìn)

要徹底解決放氣試驗中出現(xiàn)的小裝藥時膜片打不開，大藥量時膜片破口異常，需要解決以下幾個問題：（1）在保證膜片剪切力和耐壓強度不發(fā)生大的變化的情況下，減小或杜絕其受力時的變形，提高受力集中度、降低響應(yīng)時間。（2）改善膜片端面的受力環(huán)境，增加受力面積，保證在高壓力下不發(fā)生嚴(yán)重變形。

新設(shè)計的膜片中將原設(shè)計中的剪切槽的角度由120°改為90°；膜片承力端由φ4mm改進(jìn)至φ6.8mm；膜片外徑由φ9mm改進(jìn)至φ7mm。通過角度和尺寸的調(diào)整增加了膜片承力端的結(jié)構(gòu)強度，降低膜片受力后的變形程度，更利于剪切。理論計算膜片設(shè)計的剪切力為7 714N，是整個膜片端面剪切力最弱的部位。改進(jìn)后的膜片結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 改進(jìn)后的膜片結(jié)構(gòu)圖

4 方案驗證

為驗證新設(shè)計方案的可行性，進(jìn)行了新結(jié)構(gòu)的仿真計算、膜片耐壓強度檢驗和放氣試驗驗證。

4.1 仿真計算

利用SolidEdge軟件建立受力模型，利用ANSYS Workbench軟件進(jìn)行活塞運動和膜片受力過程分析[3]，得出最大應(yīng)力分布點和變形情況。

圖6為活塞運動時膜片受力變形情況分布圖，從圖中可以看出，運動后膜片最大變形為3.07mm，除去2.5mm的活塞運動距離和0.5mm的膜片厚度，端面最大變形量僅有0.07mm，遠(yuǎn)小于改進(jìn)前的1.5mm，說明改進(jìn)后的膜片和活塞結(jié)構(gòu)具有較高的強度，可以保證斷裂方式為剪切。

圖7為膜片受力時的應(yīng)力分布圖，從圖中可以看出，膜片受力時最大應(yīng)力點均分布在膜片外圓周線上，與設(shè)計方案一致。

圖6 膜片結(jié)構(gòu)變形分布圖

圖7 膜片應(yīng)力分布圖

4.2 耐壓強度試驗

為保證改進(jìn)后的膜片承壓能力不下降，進(jìn)行了整個結(jié)構(gòu)的耐壓試驗（水壓），試驗進(jìn)行了3發(fā)，試驗結(jié)果見圖8。

圖8 瓶體耐壓試驗曲線

試驗結(jié)顯示：在水壓53MPa時膜片結(jié)構(gòu)無變形和發(fā)生破壞，該壓力已經(jīng)遠(yuǎn)超過氣體發(fā)生器的內(nèi)部最大設(shè)計壓力22.23MPa和實際使用壓力9.5MPa，說明改進(jìn)后的膜片有較好的承壓能力。

4.3 裕度試驗

按照改進(jìn)方案和理論計算確定最終尺寸，生產(chǎn)出了新的膜片，并進(jìn)行了電爆管的開瓶裕度試驗[4]。試驗結(jié)果見表3。

表3 改進(jìn)方案的裕度試驗結(jié)果

Tab.3 Margin test results of improved schemes

表3試驗結(jié)果可以看出，新改進(jìn)的膜片有較高的匹配性，由于膜片受力后不再發(fā)生變形，其剪斷所需的壓力就大幅下降，裝藥也會隨之減少，受力后接觸變形也會減少，提高了整體的放氣功能可靠性。

5 結(jié)束語

密封膜片作為儲氣式氣體發(fā)生器結(jié)構(gòu)的核心部件，雖然結(jié)構(gòu)和工作原理簡單，但其工作過程涉及到電爆管的匹配性與工作壓力、金屬受力后接觸變形和沖擊、膜片結(jié)構(gòu)的受力變化和結(jié)構(gòu)強度等方面的影響，因此其整個工作過程和受力變化情況需重點關(guān)注分析。發(fā)生裕度試驗故障的膜片結(jié)構(gòu)，就是片面地考慮了工作時的剪力，而忽略了膜片受力變形后的拉力，從而出現(xiàn)了設(shè)計缺陷。新改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)杜絕了膜片受力后的整體變形，使其只發(fā)生剪切斷裂，降低了電爆管的工作壓力，提高了放氣功能的可靠性。

[1] 劉竹生,等.航天火工裝置[M].北京:中國宇航出版社,2012.

[2] 嚴(yán)楠.火工品失效分析概論[J].失效分析與預(yù)防,2006(1):10- 14.

[3] 韓靜,方亮,等.基于Pro/e與ANSYS WORKBENCH的復(fù)雜裝配件協(xié)同仿真及優(yōu)化 [J].機械設(shè)計與制造,2010(1):190- 192.

[4] 王凱民,符綠化.航天火工品輸出性能試驗及其作用裕度的確定 [J].火工品,2001(1):2-6.

Fault Analysis and Improving Design of Some Gas Storage Type Gas Generator

YANG Zheng-cai, YANG Qi, LIU Wei-guo，GUO Pan-feng，CHEN Yu

(Xi’an Qianghua Company of North Special Energy Group Co.Ltd.,Xi’an,710025)

Some gas generator got fault in bleed test, the structure strength of sealing diaphragm was mismatched, which led to failure of deflation test. Through analysis of sealing diaphragm structure and its accepting force, the reasons for failure were found, and the structure design was improved. The verification test indicated the improved structure solved the problem of deformation of sealing diaphragm after force impacting, and only sheared breakage appeared, then the reliability of deflation was enhanced effectively.

Gas generator；Diaphragm；Charge；Structure design

1003-1480（2014）05-0009-04

TJ450.3

A

2014-06-03

楊正才（1968-），男，研究員級高級工程師，從事火工品研究與設(shè)計。