飛船高壓密封堵頭密封研究與應(yīng)用

袁肖肖，蘇翠娥，劉建盈，宣曉萍

(上?？臻g推進(jìn)研究所，上海201112)

0　引言

神舟飛船高壓管路系統(tǒng)是飛船動(dòng)力與姿態(tài)控制模塊的重要組成部分，系統(tǒng)中的高壓測(cè)試接口在飛船發(fā)射之前采用高壓密封堵頭密封，高壓密封堵頭為螺紋連接，需要通過(guò)一定的擰緊力矩以確保高壓管路測(cè)試接口密封的可靠性。本文依據(jù)密封副密封力矩理論公式、有限元接觸密封仿真分析和密封副密封力矩實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，得出了高壓密封堵頭擰緊力矩推薦值，其密封效果和密封性能滿足高壓密封堵頭的密封設(shè)計(jì)要求，該推薦值已應(yīng)用于神舟十一號(hào)飛船系統(tǒng)，并通過(guò)了飛行試驗(yàn)考核，圓滿地完成了飛行任務(wù)。

1　密封設(shè)計(jì)要求

圖1為飛船高壓密封堵頭連接結(jié)構(gòu)示意圖，高壓密封堵頭由球頭密封件和柱段密封件組成，通過(guò)旋轉(zhuǎn)壓緊螺母，把高壓密封堵頭壓緊在高壓管路測(cè)試接口上，完成柱段密封件上的兩道徑向密封，以及球頭密封件上的球面—錐面形式的第三道硬密封；高壓密封堵頭密封設(shè)計(jì)技術(shù)要求見表1。

圖1　高壓密封堵頭連接結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Connection structure of a high-pressure sealing-plug

2　擰緊力矩理論計(jì)算與經(jīng)驗(yàn)校核分析

高壓密封堵頭密封力矩理論計(jì)算與經(jīng)驗(yàn)校核分析分為四個(gè)部分：擰緊力矩理論計(jì)算；擰緊力矩經(jīng)驗(yàn)值經(jīng)驗(yàn)校核；接觸密封有限元仿真計(jì)算與分析；結(jié)合擰緊力矩理論值、經(jīng)驗(yàn)值以及有限元仿真結(jié)果，確定飛船高壓堵頭密封擰緊力矩推薦值。

2.1　擰緊力矩理論值計(jì)算

通過(guò)分析圖1所示的飛船高壓密封堵頭連接結(jié)構(gòu)，把高壓測(cè)試接口等效為螺栓，壓緊螺母等效為連接螺母，高壓密封堵頭等效為被連接件?；诘刃У穆菟ㄟB接模型關(guān)系，施加在高壓密封堵頭上的總擰緊力矩T由四部分組成，即壓緊螺母與測(cè)試接口螺旋副之間的摩擦力矩T1、壓緊螺母與密封堵頭軸肩的摩擦力矩T2、密封堵頭球面與測(cè)試接口錐面的摩擦力矩T3、柱段橡膠密封圈與測(cè)試接口之間的摩擦力矩之T4。則總擰緊力矩T為：

T=T1+T2+T3+T4

(1)

根據(jù)螺紋副與密封副連接的力學(xué)理論分析與計(jì)算關(guān)系式，對(duì)式(1)中的各個(gè)分力矩進(jìn)行參數(shù)化合并，可得到總擰緊力矩T關(guān)系參量化表達(dá)式：

(2)

式中:F0為高壓密封堵頭預(yù)緊力，N；d2為螺紋中徑，m；ψ為螺紋升角，°；φv為螺旋副當(dāng)量摩擦角，°；f2為壓緊螺母與密封堵頭軸肩的摩擦系數(shù)；D0為密封堵頭軸肩外徑，m；d0為密封堵頭軸肩與壓緊螺母接觸面的內(nèi)徑，m；f3為密封堵頭球面與測(cè)試接口錐面之間的摩擦系數(shù)；dv為球頭密封面的等效直徑，m；α為測(cè)試接口錐面傾角，°；E為橡膠密封圈彈性模量；Δξ為密封圈壓縮量，m；ξ為密封圈截面直徑，m；dN為測(cè)試接口通徑，m；bv為密封圈與測(cè)試接口等效接觸寬度，m；f4為密封圈與測(cè)試接口之間的摩擦系數(shù)。

由式(2)可知，擰緊力矩理論計(jì)算公式中的參數(shù)較多，結(jié)構(gòu)亦較復(fù)雜，為便于理論計(jì)算，需要對(duì)式(2)進(jìn)行歸一化處理，即把擰緊力矩計(jì)算公式轉(zhuǎn)化為只含有代表性參量的計(jì)算公式。根據(jù)飛船高壓密封堵頭連接形式，并考慮到計(jì)算參量的通用性和重要性，定義影響擰緊力矩的兩個(gè)關(guān)鍵參量為：軸向預(yù)緊力和螺紋公稱直徑。F0為軸向預(yù)緊力，N；d為螺紋公稱直徑，m。

根據(jù)本文研究的密封堵頭規(guī)格和已知量參數(shù)，則有：

d2≈0.932d，D0≈0.858d，d0≈0.567d，dv≈0.617d，f2=f3=0.15，f4=0.75，tanψ≈0.05，tanφv≈0.17，cosα≈0.866，Δξ=0.1 mm，ξ=1 mm，bv≈0.5 mm，dN=4 mm，E=7.8 MPa

把以上參數(shù)代入到式(2)，則可得到歸一化的總擰緊力矩T計(jì)算公式：

T≈0.22F0d+0.015

(3)

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)和類比同規(guī)格螺紋的擰緊力矩，式(3)中的常量(0.015 N·m)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于式中第一項(xiàng)的計(jì)算數(shù)值，可以忽略不計(jì)，則式(3)可簡(jiǎn)化為：

T≈0.22F0d

(4)

最大擰緊力矩理論值計(jì)算依據(jù)螺紋連接強(qiáng)度分析與計(jì)算準(zhǔn)則，受拉螺栓的最危險(xiǎn)失效狀態(tài)為螺栓的強(qiáng)度失效，對(duì)于本文的密封堵頭連接形式而言，要確保飛船高壓密封堵頭密封結(jié)構(gòu)不失效且連接牢靠，則高壓測(cè)試接口截面上所承受的總應(yīng)力σ不大于許用應(yīng)力[σ]，即：

σ

(5)

式中：σs為高壓測(cè)試接口材料的屈服強(qiáng)度，Pa；S為靜載荷下緊螺栓連接的許用安全系數(shù)。

當(dāng)高壓測(cè)試接口被壓緊螺母擰緊時(shí)，測(cè)試接口整體結(jié)構(gòu)上一方面要承受預(yù)緊力F0作用下的拉伸應(yīng)力，另一方面還要承受螺紋摩擦力矩T1作用下的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，依據(jù)材料力學(xué)第四強(qiáng)度理論計(jì)算方法，高壓測(cè)試接口上所承受的總應(yīng)力σ為：

(6)

式中d1為螺紋危險(xiǎn)截面直徑，m。

將上述已知參數(shù)代入式(6)，則式(6)可簡(jiǎn)化為:

(7)

由式(5)和式(7)，則可得到高壓密封堵頭軸向預(yù)緊力F0關(guān)系式：

F0

(8)

取安全系數(shù)S=1.25，σs=320 MPa(材料為TA2，GJB2218-94)；根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，取危險(xiǎn)截面直徑d1≈10 mm；將式(8)代入到式(4)中，則可計(jì)算出擰緊力矩T理論最大值[Tmax]：

TTmax=0.002 64F0max=34.28 N·m

(9)

最小擰緊力矩理論值計(jì)算，由圖1飛船高壓密封堵頭連接結(jié)構(gòu)可知，高壓密封堵頭三道密封面中，徑向橡膠密封圈的密封性能對(duì)軸向預(yù)緊力F0不敏感，第三道硬密封則需要在許用工作壓力[FW]作用下，球頭與測(cè)試接口錐面發(fā)生接觸，且具有一定的殘余預(yù)緊力Fr后，才能有效密封，由此可以得出，要確保高壓密封堵頭第三道硬密封有效的軸向預(yù)緊力F0應(yīng)滿足以下關(guān)系式：

(10)

(11)

取Cb/(Cb+Cm)=0.2，μ=2，在工作壓強(qiáng)PW=23 MPa條件下，將式(11)代入到式(4)，則可計(jì)算出擰緊力矩T最小擰緊力矩值[Tmin]：

T≥Tmin=0.00264F0min=13.57 N·m

(12)

由式(9)和式(12)的計(jì)算結(jié)果可知，神舟飛船高壓密封堵頭擰緊力矩理論計(jì)算值T滿足以下關(guān)系：

13.57 N·m≤T≤34.28 N·m

(13)

由式(13)可知，神舟飛船高壓密封堵頭擰緊力矩理論計(jì)算值的平均值T0為：T0=23.9 N·m。

2.2　擰緊力矩經(jīng)驗(yàn)校核值

考慮到飛船高壓管路測(cè)試接口密封堵頭加工、裝配精度和人為等因素的影響，擰緊力矩理論計(jì)算值與實(shí)際情況可能存在一定的偏差，必須與以往通過(guò)經(jīng)驗(yàn)方法得出的擰緊力矩經(jīng)驗(yàn)校核值進(jìn)行相互比對(duì)與驗(yàn)證。擰緊力矩校核試驗(yàn)流程見圖2，具體方案是：選取五件與實(shí)際產(chǎn)品一致的高壓測(cè)試接口和高壓密封堵頭；選擇五名具有航天型號(hào)產(chǎn)品操作資質(zhì)和經(jīng)驗(yàn)的操作者對(duì)每組試驗(yàn)產(chǎn)品實(shí)施擰緊操作；每名操作者完成操作后，通過(guò)力矩扳手對(duì)各自的擰緊力矩值進(jìn)行校核，得到經(jīng)驗(yàn)擰緊力矩?cái)?shù)值；重復(fù)上述操作步驟二次，取每名操作者三次所測(cè)得的經(jīng)驗(yàn)擰緊力矩的平均值。校核試驗(yàn)結(jié)果見表2。

由表2可知，擰緊力矩經(jīng)驗(yàn)值范圍為T’=20.0～28.0 N·m，擰緊力矩經(jīng)驗(yàn)平均值T0’=23.8 N·m，擰緊力矩經(jīng)驗(yàn)值相對(duì)其平均值而言，雖然有一定的離散性，但從整體上來(lái)說(shuō)，擰緊力矩量值仍然在同一量級(jí)范圍之內(nèi)。

圖2　擰緊力矩校核試驗(yàn)流程框圖Fig.2　Flowchart of check test for tightening torque

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2.3　有限元接觸密封仿真分析

高壓密封堵頭在擰緊過(guò)程中，會(huì)形成一道硬接觸密封帶。根據(jù)硬密封帶密封機(jī)制，接觸密封帶面積越大，越有益于高壓密封堵頭硬密封副密封性能的提高，為了便于仿真計(jì)算，本文以密封接觸面積A作為高壓密封堵頭硬密封性能的表征參數(shù)。由圖1可知，高壓密封堵頭為軸對(duì)稱回轉(zhuǎn)體，為了減少計(jì)算周期，以高壓密封堵頭的二維剖面建模，另外高壓密封堵頭中的軸段結(jié)構(gòu)對(duì)擰緊力矩不敏感，建模時(shí)可以忽略。有限元模型網(wǎng)格劃分采用有限元模塊的二維軸對(duì)稱單元PLANE82，選取TARGE169和CONTA172建立接觸對(duì)單元，有限元模型示意圖見圖3。

圖3　有限元模型Fig.3　Finite element model

高壓密封堵頭與高壓測(cè)試接口的連接關(guān)系中模型載荷邊界條件為總擰緊力矩T，其計(jì)算表達(dá)式見式(2)，依據(jù)高壓測(cè)試接口不發(fā)生屈服失效的原則，控制高壓密封堵頭擰緊力矩T∈[0，[T]max]范圍內(nèi)進(jìn)行仿真分析，其中[T]max由式(9)確定。定義總擰緊力矩T為輸入變量，依據(jù)式(2)，帶入輸入變量T和已知參數(shù)，得到給定總擰緊力矩T下的螺紋軸向預(yù)緊力F0，根據(jù)有限元迭代計(jì)算和單元積分，可以得到不同擰緊力矩T作用下的高壓密封堵頭密封接觸面積A，有限元仿真計(jì)算流程見圖4，仿真計(jì)算結(jié)果見圖5。

圖4　有限元仿真流程框圖Fig.4　Flowchart of finite element simulation

圖5　擰緊力矩與接觸面積之間的關(guān)系Fig.5　Relationship between contact-area and tightening torque

由圖5可知，密封接觸面積A隨擰緊力矩T的增大而逐漸增大，說(shuō)明擰緊力矩T越大，越有益于密封性能的提高；擰緊力矩T處于20～25 N·m之間時(shí)，密封接觸面積A的變化趨于平緩，說(shuō)明擰緊力矩在達(dá)到一定值(約25 N·m)之后，繼續(xù)增加擰緊力矩，對(duì)密封接觸面積增大的增益效果并不明顯；另外較大擰緊力矩也會(huì)加重球頭硬密封副材料的局部屈服，考慮到金屬材料的應(yīng)力松弛現(xiàn)象，接觸應(yīng)力會(huì)隨時(shí)間的變化而不斷減少，從而會(huì)降低高壓密封堵頭長(zhǎng)期使用過(guò)程中密封性能的可靠性。

2.4　擰緊力矩推薦值確定

由上述計(jì)算分析可知，高壓密封堵頭的擰緊力矩經(jīng)驗(yàn)值范圍為T’=20.0～28.0 N·m，在擰緊力矩理論計(jì)算值T=13.57～34.28 N·m范圍之內(nèi)，由此表明：以往的擰緊力矩經(jīng)驗(yàn)值雖然具有一定的散差，但從理論上來(lái)講，在滿足密封組件不發(fā)生強(qiáng)度失效的前提下，可保證高壓密封堵頭的密封性能；另外，通過(guò)有限元仿真分析可知：在擰緊力矩達(dá)到25 N·m之后，對(duì)高壓密封堵頭密封性能的提高將趨緩。綜上所述，由高壓密封堵頭擰緊力矩經(jīng)驗(yàn)值的均值T0’=23.8 N·m、擰緊力矩理論計(jì)算值的均值T0=23.9 N·m和有限元仿真計(jì)算分析結(jié)果可知：神舟飛船高壓密封堵頭擰緊力矩量化的推薦值為：[T]= (24±5) N·m。

3　高壓密封堵頭氣密性試驗(yàn)與驗(yàn)證

為了能夠考察到高壓密封堵頭的硬密封的密封性能，提高試驗(yàn)嚴(yán)酷度，本次試驗(yàn)中的高壓密封堵頭均不安裝橡膠密封圈，試驗(yàn)流程框圖見圖6。試驗(yàn)方法：選取五件與實(shí)際產(chǎn)品狀態(tài)一致的高壓測(cè)試接口和高壓密封堵頭；選擇推薦擰緊力矩值[T]=24 N·m作為密封性能試驗(yàn)的參考基準(zhǔn)力矩值；以[T]-5(19 N·m)的擰緊力矩值擰緊高壓密封堵頭后，按照高壓管路工作壓力(20～25) MPa對(duì)高壓測(cè)試接口進(jìn)行氦氣增壓；通過(guò)抽真空法，對(duì)[T]-5(19 N·m)擰緊力矩下的高壓密封堵頭連接處進(jìn)行氦質(zhì)譜漏率檢測(cè)；分別以[T]-3(21 N·m)、[T](24 N·m)、[T]+3(27 N·m)、[T]+5(29 N·m)為高壓密封堵頭的擰緊力矩施加值，重復(fù)上述步驟，檢測(cè)不同擰緊力矩值下高壓密封堵頭氦質(zhì)譜漏率；檢漏完畢后，松開高壓密封堵頭，對(duì)每組試驗(yàn)件外觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查，確認(rèn)螺紋副與密封副是否有損傷。不同擰緊力矩值下的氦質(zhì)譜漏率試驗(yàn)結(jié)果見表3。

圖6　檢漏試驗(yàn)流程框圖Fig.6　Flowchart of leak test

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通過(guò)分析表3試驗(yàn)結(jié)果可知：以[T]=24 N·m為基準(zhǔn)擰緊力矩，±5 N·m擰緊力矩值的允差范圍之內(nèi)，飛船工作壓力20～25 MPa下的試驗(yàn)檢測(cè)漏率均在10-10量級(jí)，明顯優(yōu)于高壓密封堵頭第三道密封漏率設(shè)計(jì)要求值的10-6量級(jí)，由此表明：推薦擰緊力矩值[T]=24±5 N·m，可確保飛船高壓密封堵頭的密封性能；每組試驗(yàn)件在施加擰緊力矩后，通過(guò)分解檢查，試驗(yàn)件外觀結(jié)構(gòu)均正常，表明在推薦擰緊力矩值[T]=24±5 N·m范圍之內(nèi)，飛船高壓密封堵頭結(jié)構(gòu)均不會(huì)發(fā)生強(qiáng)度失效。

4　結(jié)論

基于擰緊力矩理論計(jì)算方法、經(jīng)驗(yàn)值校核方法和有限元接觸密封仿真分析，得出了神舟飛船高壓密封堵頭擰緊力矩推薦值[T]=24±5 N·m，試驗(yàn)表明：擰緊力矩值[T]=24±5 N·m時(shí)，飛船工作壓力20～25 MPa下的氦質(zhì)譜試驗(yàn)檢測(cè)漏率均在10-10量級(jí)，明顯優(yōu)于高壓密封堵頭第三道密封漏率設(shè)計(jì)要求值的10-6量級(jí)，可確保飛船高壓密封堵頭的密封性能。該推薦擰緊力矩值已應(yīng)用于神舟十一號(hào)飛船系統(tǒng)，并通過(guò)了飛船飛行考核。