某運(yùn)載器作動(dòng)器密封設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

， ， ，

(1. 蘭州空間技術(shù)物理研究所， 甘肅蘭州 730000； 2. 蘭州科技職業(yè)學(xué)院社會(huì)科學(xué)與人文系， 甘肅蘭州 730102)

引言

近年來(lái)，隨著國(guó)際航天事業(yè)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，中國(guó)的航天事業(yè)也進(jìn)入了快速發(fā)展的黃金時(shí)期，然而航天的發(fā)射費(fèi)用是非常昂貴的，因此如何減少發(fā)射成本逐漸成為世界各國(guó)關(guān)注的熱點(diǎn)[1-2]。運(yùn)載器的回收再利用技術(shù)就是減少發(fā)射成本的重要舉措[3]，目前，運(yùn)載器的返回方式主要有三種：垂直返回方式、降落傘返回方式、舵面返回方式[4-6]。本研究是對(duì)某舵面返回方式運(yùn)載器作動(dòng)器的密封技術(shù)展開研究的，火工作動(dòng)器是一種利用火藥燃燒產(chǎn)生的高壓氣體做功的氣動(dòng)裝置。運(yùn)載器在返回大氣層時(shí)由于飛行速度高，其表面溫度急劇升高，甚至高達(dá)1000 ℃左右，雖然也采取了熱防護(hù)措施，但是運(yùn)載器的作動(dòng)器面臨的熱環(huán)境依然是十分復(fù)雜、惡劣的[7]。現(xiàn)有火工作動(dòng)器的密封方式無(wú)法滿足其惡劣的環(huán)境適應(yīng)性要求和可靠度指標(biāo)高的要求，因此需要研制一種新型的火工作動(dòng)器密封方式來(lái)滿足運(yùn)載器的使用要求。

作動(dòng)器采用金屬橡膠作為密封件材料，解決了作動(dòng)器環(huán)境要求苛刻的問題，密封件表面包覆層采用填充石墨的聚四氟乙烯材料，從而保證了密封件能在高溫條件下保持良好的潤(rùn)滑性。對(duì)密封圈的最大壓縮率和最小壓縮率進(jìn)行了計(jì)算并給出了密封圈規(guī)格選取的經(jīng)驗(yàn)算法，設(shè)計(jì)了一種非標(biāo)的梯形密封槽結(jié)構(gòu)并給出了槽深和槽寬的計(jì)算方法，避免了擋圈的使用，從而保證了作動(dòng)器的可靠度指標(biāo)，提出了密封槽表面粗糙度和配合零件之間配合間隙的參考值，最后用地面實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了作動(dòng)器的密封性能，作動(dòng)器密封性能良好。

1 作動(dòng)器內(nèi)部氣體介質(zhì)工作壓力的計(jì)算

舵面從初始折疊位置旋轉(zhuǎn)展開至到位位置的過程中，作動(dòng)器需克服的負(fù)載力矩主要包括舵面氣動(dòng)負(fù)載力矩、舵面初始鎖定負(fù)載力矩、舵面展開過程的慣性負(fù)載力矩、舵面折疊展開機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)自身的摩擦力矩。作動(dòng)器內(nèi)部氣體介質(zhì)的工作壓力p1由式(1)計(jì)算：

(1)

式中，p1—— 作動(dòng)器內(nèi)部氣體介質(zhì)的工作壓力，MPa

k—— 運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換系數(shù)

M1—— 舵面氣動(dòng)負(fù)載力矩，N·m

M2—— 舵面初始鎖定負(fù)載力矩，N·m

M3—— 舵面慣性負(fù)載力矩，N·m

M4—— 機(jī)構(gòu)摩擦力矩，N·m

L—— 作動(dòng)器作用力臂，m

S—— 作動(dòng)器活塞桿動(dòng)力面積，mm2

2 作動(dòng)器的密封結(jié)構(gòu)

作動(dòng)器的密封主要包括活塞桿密封和活塞密封兩種形式，作動(dòng)器密封結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 作動(dòng)器密封結(jié)構(gòu)

3 作動(dòng)器各密封參數(shù)的設(shè)計(jì)

影響作動(dòng)器密封性能的主要參數(shù)有： ① 密封圈材料； ② 密封圈初始?jí)嚎s率； ③ 密封圈截面直徑； ④ 密封槽結(jié)構(gòu)及表面粗糙度； ⑤ 配合間隙。

3.1 密封圈材料的選用

O形橡膠密封圈由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、成本低[8-10]、有自密封作用、摩擦阻力小且尺寸已標(biāo)準(zhǔn)化，因此現(xiàn)有火工作動(dòng)器廣泛采用O形橡膠密封圈密封。目前用于火工作動(dòng)器的O形橡膠密封圈材料主要有丁腈橡膠、氟橡膠、硅橡膠等。丁腈橡膠具有良好的高、低溫性能，長(zhǎng)期使用溫度可達(dá)120 ℃，最低玻璃化溫度可達(dá)-55 ℃，此外還具有耐油、耐磨性、耐老化性能[11]；氟橡膠的高溫性能優(yōu)于丁腈橡膠，溫度環(huán)境范圍為-20～250 ℃，此外還具有耐氧化、耐油、耐酸堿性能[12]；硅橡膠的高、低溫性能優(yōu)于丁腈橡膠和氟橡膠，溫度環(huán)境范圍為-80～250 ℃，此外還具有耐氧化、耐老化性能[13]。綜上所述，丁腈橡膠、氟橡膠、硅橡膠雖然具有良好的高、低溫性能，但是依然不能滿足運(yùn)載器返回時(shí)惡劣的環(huán)境要求。

近年來(lái)，出現(xiàn)了一種新型的密封材料金屬橡膠，金屬橡膠實(shí)質(zhì)上是一種彈性多孔材料，不僅具有橡膠材料良好的彈性和密封性，還具有金屬材料良好的環(huán)境適應(yīng)性。金屬橡膠是將螺旋狀態(tài)的不銹鋼絲放在沖壓模具中用冷沖壓的方法加工而成，不含任何橡膠成分，內(nèi)部結(jié)構(gòu)是不銹鋼絲相互交錯(cuò)勾聯(lián)形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。該材料能在高真空、超高溫、超低溫、強(qiáng)輻射及各種腐蝕環(huán)境下使用，能適應(yīng)的溫度范圍約為-150～800 ℃，此外還具有一定的承壓作用，即金屬橡膠具有承壓和密封的雙重作用[14]。金屬橡膠良好的密封性能和環(huán)境適應(yīng)性能可以滿足運(yùn)載器返回時(shí)苛刻的環(huán)境條件，因此運(yùn)載器作動(dòng)器的密封件采用O形金屬橡膠密封圈。此外考慮到普通潤(rùn)滑脂在高溫條件下易變性易分解的缺陷，金屬橡膠密封圈表面的包覆層采用填充石墨的聚四氟乙烯材料，該材料不僅具有良好的潤(rùn)滑性能，而且還具有良好的環(huán)境適應(yīng)性。

3.2 密封圈初始?jí)嚎s率的確定及計(jì)算

O形橡膠密封圈實(shí)現(xiàn)密封的必要條件是密封面上的最大接觸壓力大于所密封介質(zhì)的工作壓力[15]，因此，為了提高密封結(jié)構(gòu)的密封能力，應(yīng)使密封面上的最大接觸壓力盡可能大。張婧以丁腈橡膠密封圈為研究對(duì)象，分析了密封面上的最大接觸壓力與密封圈的截面直徑、內(nèi)徑、壓縮率及硬度之間的關(guān)系，得到了在空氣介質(zhì)中密封面上的最大接觸壓力F的計(jì)算公式，見式(2)[16]：

(2)

式中，F(xiàn)—— 在空氣介質(zhì)中密封面上的最大接觸壓力，N

E% —— 密封圈初始?jí)嚎s率

d1—— 密封圈內(nèi)徑，mm

d2—— 密封圈截面直徑，mm

H—— 密封圈硬度，(°)

由式(2)可知密封圈的初始?jí)嚎s率越大，密封面上的最大接觸壓力就越大，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使密封圈的初始?jí)嚎s率盡可能大[17]，盡量偏向標(biāo)準(zhǔn)允許的初始?jí)嚎s率范圍的上限值。

密封圈初始?jí)嚎s率主要與密封槽的徑向空間、密封圈的截面直徑尺寸有關(guān)，由于密封槽徑向空間和密封圈截面直徑尺寸均有一定的公差，因此密封圈初始?jí)嚎s率分為最大壓縮率和最小壓縮率。當(dāng)密封圈截面直徑尺寸取最大值，密封槽徑向空間取最小值時(shí)，密封圈的初始?jí)嚎s率最大；當(dāng)密封圈截面直徑尺寸取最小值，密封槽徑向空間取最大值時(shí)，密封圈的初始?jí)嚎s率最小。作動(dòng)器活塞桿的活塞端與筒體之間的密封圈初始?jí)嚎s率計(jì)算見式(3)、式(4)，活塞桿的活塞桿端與筒體之間的密封圈初始?jí)嚎s率計(jì)算方法相同，密封圈初始?jí)嚎s率的許用范圍見GB/T 3452.3-2005《液壓氣動(dòng)用O形橡膠密封圈 溝槽尺寸》。

(3)

式中，Emax% —— 密封圈最大初始?jí)嚎s率

d2max—— 密封圈截面直徑的最大極限尺寸，mm

d3max—— 密封槽槽底直徑的最大極限尺寸，mm

d4min—— 筒體內(nèi)徑的最小極限尺寸，mm

(4)

式中，Emin% —— 密封圈最小初始?jí)嚎s率

d2min—— 密封圈截面直徑的最小極限尺寸，mm

d3min—— 密封槽槽底直徑的最小極限尺寸，mm

d4max—— 筒體內(nèi)徑的最大極限尺寸，mm

密封圈規(guī)格的選取是一項(xiàng)非常繁瑣的工作，現(xiàn)實(shí)中往往計(jì)算到最后才發(fā)現(xiàn)所選取的密封圈規(guī)格初始?jí)嚎s率不滿足標(biāo)準(zhǔn)許用值要求需要重新選取，不僅浪費(fèi)了大量計(jì)算時(shí)間，而且還可能因?yàn)檎`算使不合格的密封圈用于作動(dòng)器的密封中。根據(jù)多年的密封設(shè)計(jì)實(shí)踐驗(yàn)證可采取一種經(jīng)驗(yàn)方法快速選定密封圈的規(guī)格，用該經(jīng)驗(yàn)方法選取的密封圈規(guī)格經(jīng)過計(jì)算，初始?jí)嚎s率一般都是滿足標(biāo)準(zhǔn)許用值要求的，該經(jīng)驗(yàn)方法可用式(5)表示。若依據(jù)該方法無(wú)法選擇到合適規(guī)格的密封圈時(shí)，可將密封槽槽底直徑d3進(jìn)行微調(diào)，使密封圈的規(guī)格滿足式(5)要求。

(5)

式中，d1—— 密封圈內(nèi)徑，mm

d2—— 密封圈截面直徑，mm

d3—— 密封槽槽底直徑，mm

t—— 密封槽槽深，mm

3.3 密封圈截面直徑的選取

密封圈截面直徑依據(jù)密封槽的槽底直徑選取，密封槽的槽底直徑越大，密封圈截面直徑就應(yīng)越大，當(dāng)密封槽的槽底直徑確定時(shí)，密封圈的截面直徑越大，作動(dòng)器的密封性能就越好。在某些特殊情況下，由于受尺寸空間的限制，當(dāng)密封槽的槽底直徑確定時(shí)，大截面直徑的密封圈無(wú)法使用，此時(shí)也允許使用截面直徑小的密封圈，但是應(yīng)盡量使密封圈的初始?jí)嚎s率大一些。

3.4 密封槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其表面粗糙度的選取

作動(dòng)器由于外形尺寸小，工作推力大，其內(nèi)部高壓燃?xì)獾墓ぷ鲏毫s為98 MPa。依據(jù)GB/T 3452.3-2005《液壓氣動(dòng)用O形橡膠密封圈 溝槽尺寸》要求，當(dāng)工作介質(zhì)壓力大于10 MPa 時(shí)，在密封槽結(jié)構(gòu)中應(yīng)該增加擋圈。作動(dòng)器內(nèi)部有多個(gè)密封槽，若每個(gè)密封槽中增加2個(gè)擋圈，則作動(dòng)器的組成零件數(shù)量將急劇增加，零件數(shù)量的增加必然導(dǎo)致作動(dòng)器可靠度的降低。作動(dòng)器的組成零件之間是串聯(lián)關(guān)系，而且其壽命服從指數(shù)分布，因此作動(dòng)器可靠度可按式(6)計(jì)算。

(6)

式中，n—— 作動(dòng)器的組成零件編號(hào)

Ri—— 各組成零件的可靠度

由式(6)可知，作動(dòng)器的可靠度等于各組成零件的可靠度的乘積，運(yùn)載器作動(dòng)器屬于成敗型產(chǎn)品，其可靠度指標(biāo)要求非常高，因此作動(dòng)器組成零件的數(shù)量不應(yīng)過多。針對(duì)該問題，設(shè)計(jì)了一種非標(biāo)的梯形密封槽，密封槽及密封圈截面形狀如圖2所示，該密封槽密封時(shí)不需要增加擋圈，而且密封槽槽口小底部大，減小了密封圈從密封槽口滑脫的風(fēng)險(xiǎn)。該密封槽的槽深t可按式(7)計(jì)算，槽寬b可按式(8)計(jì)算。

(7)

式中，t—— 密封槽槽深，mm

d2—— 密封圈截面直徑，mm

d4—— 筒體內(nèi)徑，mm

d5—— 活塞桿的活塞端直徑，mm

E% —— 密封圈初始?jí)嚎s率

(8)

式中，b—— 密封槽槽寬，mm

d2—— 密封圈截面直徑，mm

t—— 密封槽槽深，mm

α—— 密封槽槽底角度，為60 °

η% —— 面積占有率，即密封圈截面面積與密封槽截面面積的比值，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般取0.67～0.90

此外密封槽的表面粗糙度對(duì)密封性能也有重要影響，表面粗糙度要求過高，必然導(dǎo)致加工成本的大幅增加，表面粗糙度要求過低，不但會(huì)使密封圈接觸面摩擦力增大，增加了密封圈磨損風(fēng)險(xiǎn)[18]，而且還增大了高壓燃?xì)鈴拿芊馊εc金屬表面之間凸凹不平處流出的泄漏量[19]。總之，密封槽表面粗糙度的選取既要滿足功能要求又要滿足經(jīng)濟(jì)性要求，根據(jù)多年的密封設(shè)計(jì)實(shí)踐，在動(dòng)密封或靜密封條件下，作動(dòng)器密封槽的表面粗糙度一般取0.8～1.6。

3.5 配合間隙的選取

筒體和活塞桿之間的配合間隙的大小對(duì)密封性能也有影響。配合間隙太大將不利于作動(dòng)器的密封[20]，這是因?yàn)榕浜祥g隙越大密封圈在高壓燃?xì)庾饔孟卤粩D入間隙的風(fēng)險(xiǎn)就越大，最終導(dǎo)致密封圈被擠破，密封失效，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減小配合間隙，但是配合間隙的大小與密封圈的初始?jí)嚎s率有關(guān)，絕不能僅僅為了減小配合間隙而使密封圈的初始?jí)嚎s率超出許用范圍，此外，配合間隙過小還會(huì)對(duì)零件之間的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響。作動(dòng)器筒體與活塞桿之間的配合一般選用非標(biāo)配合H8/d7。

4 地面實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

該實(shí)驗(yàn)的主要目的是測(cè)試作動(dòng)器的密封性能，實(shí)驗(yàn)的受試產(chǎn)品為某運(yùn)載器作動(dòng)器。作動(dòng)器的相關(guān)參數(shù)為：

(1) 經(jīng)隔熱層隔熱后作動(dòng)器的環(huán)境溫度為600 ℃，作動(dòng)器的密封件采用填充石墨的聚四氟乙烯材料包覆的O形金屬橡膠密封圈；

(2) 作動(dòng)器內(nèi)部高壓燃?xì)獾墓ぷ鲏毫?8 MPa；

(3) 作動(dòng)器的密封圈規(guī)格為Φ25.8×1.8 mm和Φ20×1.8 mm，Φ25.8×1.8 mm密封圈的最大初始?jí)嚎s率為Emax%=25.5%，最小初始?jí)嚎s率為Emin%=16.1%，Φ20×1.8 mm密封圈的最大初始?jí)嚎s率為Emax%=23.8%，最小初始?jí)嚎s率為Emin%=14.6%；

(4) 作動(dòng)器密封槽槽深t為1.4 mm，槽寬b為1.8 mm；

(5) 密封槽表面粗糙度為0.8；

(6) 筒體與活塞桿之間的配合為H8/d7。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖3所示，實(shí)物圖如圖4所示，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，作動(dòng)器安裝于底座中，底座和阻尼氣缸均安裝于實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，作動(dòng)器與阻尼氣缸之間通過連接件連接。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中安裝了位移傳感器和壓力傳感器，分別用于測(cè)量作動(dòng)器的工作行程和阻尼氣缸內(nèi)腔的動(dòng)態(tài)壓力，傳感器測(cè)量結(jié)果經(jīng)系統(tǒng)處理?yè)Q算后最終得到作動(dòng)器的行程-時(shí)間曲線和阻尼氣缸內(nèi)腔壓力-時(shí)間曲線，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中所有的傳感器都經(jīng)過了標(biāo)定，且都在標(biāo)檢期內(nèi)。

圖3 密封性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

圖4 密封性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)原理為：先用空氣壓縮機(jī)在阻尼氣缸內(nèi)腔充入指定壓力的壓縮空氣，然后通電使作動(dòng)器電點(diǎn)火具點(diǎn)火，這時(shí)作動(dòng)器內(nèi)部主燃藥迅速燃燒，產(chǎn)生的高壓燃?xì)馔苿?dòng)作動(dòng)器活塞桿向前伸出運(yùn)動(dòng)，由于作動(dòng)器活塞桿與阻尼氣缸活塞桿之間通過連接件連接，因此阻尼氣缸活塞桿在作動(dòng)器活塞桿的推動(dòng)下產(chǎn)生內(nèi)縮運(yùn)動(dòng)，對(duì)阻尼氣缸內(nèi)腔的壓縮空氣進(jìn)行壓縮。當(dāng)作動(dòng)器的活塞桿達(dá)到最大行程后，作動(dòng)器與阻尼氣缸之間的連接件處于受力平衡狀態(tài)，此時(shí)作動(dòng)器的最大推力等于阻尼氣缸的最大阻力。阻尼氣缸內(nèi)腔上安裝了壓力傳感器，對(duì)阻尼氣缸內(nèi)腔的壓力變化進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，作動(dòng)器的活塞桿上安裝了位移傳感器，對(duì)作動(dòng)器活塞桿的行程進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。實(shí)驗(yàn)后通過對(duì)作動(dòng)器行程-時(shí)間曲線和阻尼氣缸內(nèi)腔壓力-時(shí)間曲線的分析，判斷作動(dòng)器的密封性能。

實(shí)驗(yàn)步驟為：

(1) 先根據(jù)式(9)計(jì)算出阻尼氣缸內(nèi)腔的初始充氣壓力，經(jīng)計(jì)算，阻尼氣缸內(nèi)腔的初始充氣壓力為p2=5 MPa，然后用空氣壓縮機(jī)在阻尼氣缸內(nèi)腔中充入5 MPa 的壓縮空氣；

(2) 將作動(dòng)器放入610 ℃的溫度箱中保溫3 h，作動(dòng)器的環(huán)境溫度由600 ℃加嚴(yán)至610 ℃的原因?yàn)樽鲃?dòng)器出箱后在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上安裝需要時(shí)間，從安裝到實(shí)驗(yàn)完成大約需要15 min，在整個(gè)過程中作動(dòng)器的表面溫度會(huì)出現(xiàn)下降，為了彌補(bǔ)作動(dòng)器溫度的降低，將作動(dòng)器在溫度箱中的保溫溫度增加10 ℃；

(3) 完成實(shí)驗(yàn)裝置的安裝并調(diào)試點(diǎn)火線路、位移傳感器測(cè)試線路、壓力傳感器測(cè)試線路，確保線路可靠接通；

(4) 開始實(shí)驗(yàn)；

(5) 對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

(9)

式中，p2—— 阻尼氣缸內(nèi)腔的初始充氣壓力，MPa

p1—— 作動(dòng)器內(nèi)部氣體介質(zhì)的工作壓力，MPa

S—— 作動(dòng)器動(dòng)力面積，mm2

S1—— 阻尼氣缸阻力面積，mm2

l—— 阻尼氣缸行程，mm

l1—— 作動(dòng)器行程，mm

V′ —— 阻尼氣缸額外體積，mm3

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5、圖6所示。由圖5可知，作動(dòng)器的行程由0 增大至139 mm后變?yōu)樗?，工作過程時(shí)間為0.2 s，曲線達(dá)到最大值139 mm后曲線保持水平，未出現(xiàn)下降，因此可以判定作動(dòng)器的活塞桿伸出至最大位移后，活塞桿未再發(fā)生回縮，故作動(dòng)器未發(fā)生漏氣，作動(dòng)器密封性能良好；由圖6可知，在作動(dòng)器的工作過程中，阻尼氣缸內(nèi)腔的壓力由5 MPa增大至6.5 MPa 后變?yōu)樗?，該過程所用時(shí)間為0.2 s，壓力曲線達(dá)到最大值6.5 MPa后曲線保持水平，未出現(xiàn)下降，因此可以判定阻尼氣缸的活塞桿內(nèi)縮至最大位移后，活塞桿未再發(fā)生移動(dòng)，由此可知作動(dòng)器未發(fā)生漏氣，作動(dòng)器密封性能良好。

圖5 作動(dòng)器行程-時(shí)間曲線

圖6 阻尼氣缸內(nèi)腔壓力-時(shí)間曲線

5 結(jié)論

(1) 密封圈材料、密封圈初始?jí)嚎s率、密封圈截面直徑、密封槽結(jié)構(gòu)及表面粗糙度、配合間隙是影響作動(dòng)器密封性能的主要參數(shù)；

(2) O形金屬橡膠密封圈可以滿足作動(dòng)器苛刻的環(huán)境條件要求，密封圈表面的填充石墨的聚四氟乙烯材料包覆層在600 ℃高溫條件下具有良好的潤(rùn)滑性，解決了普通潤(rùn)滑脂在高溫環(huán)境下易變性易分解的問題；

(3) 密封圈最大壓縮率和最小壓縮率的計(jì)算方法及密封圈規(guī)格選取的經(jīng)驗(yàn)方法合理、可行，由此確定的密封圈規(guī)格滿足密封性能要求；

(4) 采用的非標(biāo)梯形密封槽結(jié)構(gòu)合理，具有良好的密封性，由于避免了擋圈的使用，因此保證了作動(dòng)器的可靠度；

(5) 作動(dòng)器的密封槽表面粗糙度和配合間隙合適，既降低了加工成本又保證了作動(dòng)器的密封性；

(6) 地面實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明作動(dòng)器能滿足高溫600 ℃、工作介質(zhì)壓力98 MPa條件下的密封要求，該實(shí)驗(yàn)的成功表明該作動(dòng)器可以滿足某運(yùn)載器的使用要求。