一種液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)螺紋擰緊力矩量化控制方法

馬軍強(qiáng) 李志剛 宋振龍 蔣 宇

(北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京100074)

1 引言

在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)安裝工藝中，球頭-錐面螺紋連接形式的裝配數(shù)量最多，如圖1所示。球頭-錐面螺紋連接件的密封性對(duì)整個(gè)試驗(yàn)的成功與否起著至關(guān)重要的作用。

圖1 球頭-錐面螺紋連接件剖面圖Fig.1 Cross-sectional view of ball-cone threaded

在安裝工藝中，操作員施加的擰緊力矩轉(zhuǎn)化為夾緊球面和錐面的貼合力，該貼合力促使球頭面和錐面相互壓緊，形成密封面[1]。傳統(tǒng)的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)螺紋安裝工藝對(duì)擰緊程度沒有量化控制要求[2]，擰緊度的保證靠經(jīng)驗(yàn)擰緊和氣密檢查，具體流程為：

(1)操作員憑經(jīng)驗(yàn)擰緊所有的螺紋連接件；

(2)對(duì)可密封管路靜態(tài)增壓0.5MPa的氦氣，借助氦質(zhì)譜檢漏儀或肥皂泡對(duì)連接部位進(jìn)行氣密檢查。

上述擰緊度保證方式存在“未擰緊”或“過擰緊”的可能。如果螺紋連接處“未擰緊”，在發(fā)動(dòng)機(jī)惡劣的試驗(yàn)工況下可能會(huì)導(dǎo)致個(gè)別部位連接失效，如螺紋松弛或者密封腔泄漏。如果螺紋連接處“過擰緊”，可能會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)或者試驗(yàn)臺(tái)螺紋對(duì)接口造成壓痕[3]，影響發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量或者螺紋連接件壽命。

鑒于上述裝配可靠性提升的需求，本文通過統(tǒng)計(jì)學(xué)理論和試驗(yàn)驗(yàn)證方法探索了試驗(yàn)臺(tái)上裝配數(shù)量最多的三種規(guī)格的球頭錐面螺紋連接件(M12×1.25、M14×1.5和 M16×1.5，材質(zhì) 1Cr18Ni9Ti)力矩量化控制的數(shù)值范圍和方法，確定了適用于液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的螺紋擰緊力矩量化控制工藝方法，該方法對(duì)提高液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的可靠性具有重要作用，也可推廣應(yīng)用于其他工程領(lǐng)域螺紋擰緊力矩量化控制中。

2 力矩量化范圍的確定與分析

2.1 力矩值統(tǒng)計(jì)

2.1.1 在非發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)環(huán)境下，對(duì)同一規(guī)格，同一材質(zhì)的球頭-錐面螺紋連接件進(jìn)行多人次、重復(fù)性的力矩測(cè)量，記錄力矩值。采用這種方法的原因一是克服不同人員操作帶來的力矩測(cè)量值統(tǒng)計(jì)偏差；二是在非發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)環(huán)境下，可克服試驗(yàn)工藝裝配時(shí)的空間局限，保證力矩測(cè)量值的客觀準(zhǔn)確性。

2.1.2 在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)環(huán)境下，對(duì)同一規(guī)格、同一材質(zhì)的球頭-錐面螺紋連接件進(jìn)行單人、多次、非重復(fù)性的力矩測(cè)量。采用這種方法，一是因?yàn)閷?shí)際的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)具有一定風(fēng)險(xiǎn)性，工藝規(guī)程要求定編定崗，在試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行的力矩量化操作不具有多人次、重復(fù)性測(cè)量的條件；二是在試驗(yàn)系統(tǒng)上施加的力矩值經(jīng)過了試驗(yàn)的考核，力矩值的準(zhǔn)確性會(huì)更客觀。

2.2 基于1σ準(zhǔn)則的力矩值分析

無論是在哪種統(tǒng)計(jì)環(huán)境下，操作者所獲得的力矩樣本都會(huì)受到各種物理因素的影響，致使樣本數(shù)據(jù)中混有離群值。如果離群值參與統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算，會(huì)影響施加的力矩值的客觀可靠度。因此，采取某種方法剔除離群值會(huì)大大減小人為測(cè)量誤差，使統(tǒng)計(jì)結(jié)果更符合客觀事實(shí)。1σ準(zhǔn)則是進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的有效方法。

設(shè)對(duì)被測(cè)量X作n次獨(dú)立測(cè)量，得到的測(cè)量樣本為x1，x2，……，xn，則其平均值為

測(cè)量樣本的殘差vk和實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差s(xk)則可表示為

在正態(tài)分布下，隨機(jī)誤差的絕對(duì)值超過1倍實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差的概率很小，可以認(rèn)為是極小概率事件，故當(dāng)時(shí)可認(rèn)為該測(cè)量子樣屬于離群值應(yīng)予剔除。按1σ準(zhǔn)則對(duì)某型液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)裝配中M12×1.25、M14×1.5和 M16×1.5，材質(zhì)為 1Cr18Ni9Ti的球頭-錐面螺紋連接件進(jìn)行力矩值統(tǒng)計(jì)與分析，得出兩種環(huán)境下的力矩值變化如圖2所示。

由圖2可知，按1σ準(zhǔn)則剔除力矩測(cè)量子樣中的離群值后，在非試驗(yàn)和試驗(yàn)環(huán)境下，操作者施加的力矩值分布比較均勻，分析結(jié)果如表1所示。

2.3 擰緊力矩強(qiáng)度理論計(jì)算

為驗(yàn)證統(tǒng)計(jì)力矩區(qū)間的準(zhǔn)確性，對(duì)球頭-錐面螺紋連接件進(jìn)行擰緊力矩理論計(jì)算，確定造成連接件不可逆損傷的擰緊力矩上限值[4，5]。以 M12 ×1.25，材質(zhì)為1Cr18Ni9Ti的螺紋連接件為例，計(jì)算過程如下：

表1 力矩樣本分析Tab.1 Analysis of torque samples (N·m)

圖2 試驗(yàn)/非試驗(yàn)環(huán)境力矩值變化曲線ig.2 Torque value curve of test and non-test environment

2.3.1 最大軸向載荷力求解

式中：——螺紋切向力；Fw——最大軸向載荷力；kz——載荷不均勻系數(shù)；d1——外螺紋小徑；b——螺紋牙根部寬度，普通螺紋的螺紋牙根部寬度為0.87P(螺距)；z——螺紋牙的個(gè)數(shù) (取z=8)；[ ]——螺紋許用切向力。

式中：σw——材料的屈服強(qiáng)度；h——螺牙高度，h=0.5413P；[σ]w——材料的屈服極限。當(dāng)d/P＜9時(shí)，kz=5P/d，當(dāng)d/P＞9時(shí)，kz=0.56。

針對(duì)M12×1.25的細(xì)牙螺紋d1=10.647mm，P=1.25mm；則h=0.5413P=0.677；

d/P=12/1.25=9.6＞9，故取kz=0.56。

b=0.87P=1.0875mm

取σs=340MPa(σs為最大屈服極限，屈服點(diǎn)按4.8 級(jí)計(jì)算)，nτ=1.25，則

取n=1.5，則

將上述計(jì)算結(jié)果代入式(5)可得Fw滿足

將上述計(jì)算結(jié)果代入式(6)可得Fw滿足

聯(lián)立式(11)、(12)得，對(duì)于規(guī)格為M12×1.25、材質(zhì)為1Cr18Ni9Ti，強(qiáng)度為4.8級(jí)的球頭-錐面型螺紋連接件，最大軸向載荷力為19771N。

2.3.2 極限擰緊力矩求解

式中：T——擰緊力矩，N·m；K——擰緊力矩系數(shù)(一般加工表面K=0.2)；Fo——螺紋受到的軸向力；d——螺紋公稱直徑(d=12mm)。取Fo=Fw，則極限擰緊力矩為

同理，M14×1.5，4.8級(jí)的球頭-錐面螺紋連接件的極限擰緊力矩為77.3N·m；M16×1.5，4.8級(jí)的螺紋連接件的極限擰緊力矩為102.3N·m。結(jié)合表1可知，實(shí)際統(tǒng)計(jì)分析的力矩值均未超過對(duì)應(yīng)規(guī)格的極限力矩，故操作者通常施加的擰緊力矩不會(huì)對(duì)連接件造成不可逆損傷，表1中所分析的力矩值可作為工藝裝配的參考實(shí)施力矩。

3 力矩量化控制方法和流程

根據(jù)某型液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)情況，某些裝配點(diǎn)的空間位置適合力矩扳手直接量化，而某些裝配點(diǎn)的安裝空間非常狹小，為直接實(shí)施力矩量化帶來了困難[6]，如圖3所示。根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)裝配點(diǎn)的空間位置屬性確定了三種力矩量化的方法，如表2所示。

圖3 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)空間特點(diǎn)Fig.3 Test-site space

表2 裝配點(diǎn)屬性Tab.2 Attributes of assembly points

3.1 直接法

(1)將裝配點(diǎn)球頭垂直對(duì)正錐面接管嘴；

(2)使用數(shù)顯力矩扳手施加預(yù)緊力矩，預(yù)緊力矩值5N·m；

(3)參照表1區(qū)間中值設(shè)置數(shù)顯力矩扳手力矩報(bào)警值；

(4)使用力矩扳手直接施加力矩，直至出現(xiàn)報(bào)警，停止操作。

3.2 間接法

(1)結(jié)合裝配點(diǎn)空間位置，設(shè)計(jì)、制作和選用特定異型力矩扳手轉(zhuǎn)接件。

(2)轉(zhuǎn)換擰緊力矩值

根據(jù)施加的力矩值和轉(zhuǎn)接件的有效長(zhǎng)度，換算數(shù)顯力矩扳手表牌顯示值，換算方式為

式中：T'——數(shù)顯力矩扳手顯示值，N·m；μ——換算系數(shù)，無量綱；l——轉(zhuǎn)接件有效長(zhǎng)度，mm；L——數(shù)顯力矩扳手有效長(zhǎng)度，mm。

(3)將裝配點(diǎn)球頭垂直對(duì)正錐面接管嘴；

(4)根據(jù)裝配點(diǎn)的螺紋規(guī)格、預(yù)緊力矩值(5 N·m)和轉(zhuǎn)接系數(shù)，設(shè)置數(shù)顯力矩扳手預(yù)緊力矩報(bào)警值，并施加預(yù)緊力矩；

(5)設(shè)置力矩扳手的力矩報(bào)警值；

(6)使用力矩扳手+轉(zhuǎn)接件施加力矩，直至出現(xiàn)報(bào)警，停止操作。

3.3 轉(zhuǎn)角法

3.3.1 擰緊力矩與螺母轉(zhuǎn)角關(guān)系的理論分析

在螺母最佳裝配狀態(tài)下，對(duì)螺母施加擰緊力矩，軸向載荷力與螺母的轉(zhuǎn)角關(guān)系[7]為

式中：θ——螺母轉(zhuǎn)動(dòng)角度，(°)；F——軸向載荷力，(N)；P——螺距，(mm)；CL——螺紋的剛度，(N/mm)。

實(shí)際擰緊一個(gè)螺母時(shí)，對(duì)同一個(gè)球頭-錐面螺紋螺母連接件來講，螺距和螺母剛度都為常量。當(dāng)螺母與被連接件緊貼時(shí)，軸向載荷力與轉(zhuǎn)角約呈線性關(guān)系[5]，如圖4中BC段所示。由式(13)可知，螺紋連接件擰緊力矩與軸向載荷力呈線性關(guān)系，因此擰緊力矩與螺母轉(zhuǎn)角也應(yīng)呈線性關(guān)系。

圖4 軸向載荷力與螺母轉(zhuǎn)角的關(guān)系Fig.4 Relationship of axial-force and corner

3.3.2 擰緊力矩與螺母轉(zhuǎn)角關(guān)系試驗(yàn)

在非發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)環(huán)境下，對(duì)M12×1.25、M14×1.5和M16×1.5三種規(guī)格的球頭-錐面螺紋螺母連接件分別進(jìn)行擰緊力矩與螺母轉(zhuǎn)角關(guān)系的試驗(yàn)。每種規(guī)格選取4件進(jìn)行測(cè)試，共進(jìn)行4次試驗(yàn)，取統(tǒng)計(jì)平均值得到擰緊力矩與螺母轉(zhuǎn)角的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖5所示。

圖5 擰緊力矩與螺母轉(zhuǎn)角關(guān)系Fig.5 Relationship of torque and corner

由圖5可知，在考慮各種物理因素的影響下，擰緊力矩和螺母轉(zhuǎn)角近似呈線性關(guān)系。結(jié)合表1得M12×1.25的螺母在轉(zhuǎn)角24°時(shí)，擰緊力矩約為25.3N·m；M14 ×1.5的螺母在轉(zhuǎn)角22°時(shí)，擰緊力矩約為32.7N·m；M16 ×1.5的螺母在轉(zhuǎn)角21°時(shí)，擰緊力矩約為37.2N·m，均在各規(guī)格球頭-錐面螺紋連接件擰緊力矩區(qū)間交集之內(nèi)，并且靠近區(qū)間中值。由此可以認(rèn)為，對(duì)于三種規(guī)格的C類測(cè)點(diǎn)，采用對(duì)應(yīng)角度的轉(zhuǎn)角法可實(shí)現(xiàn)力矩量化的精確控制。

3.3.3 轉(zhuǎn)角法力矩量化控制操作方法

(1)將裝配點(diǎn)的球頭垂直對(duì)正發(fā)動(dòng)機(jī)錐面接管嘴；

(2)將螺帽手動(dòng)擰到止動(dòng)點(diǎn)，使用記號(hào)筆在螺帽上沿軸向作一記號(hào)，作為角度測(cè)量的起始點(diǎn)；

(3)對(duì)每種規(guī)格的球頭-錐面連接件使用角度儀測(cè)量出起始記號(hào)線沿順時(shí)針方向的相應(yīng)角度，并用記號(hào)筆在接管嘴和螺帽上標(biāo)注停止線。

(4)使用銅質(zhì)扳手固定發(fā)動(dòng)機(jī)接管嘴，使用另一銅質(zhì)扳手沿?cái)Q緊方向轉(zhuǎn)動(dòng)螺帽至接管嘴標(biāo)注停止線，停止擰緊，取下工具。

4 實(shí)施效果

將本文提出的力矩量化控制方法和各規(guī)格參考中值力矩在多次某型氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)裝配中進(jìn)行了應(yīng)用和試驗(yàn)考核。應(yīng)用結(jié)果表明：所有球頭-錐面螺紋連接處漏率均滿足試驗(yàn)要求。部分測(cè)點(diǎn)氣密性檢查數(shù)據(jù)及試驗(yàn)后狀態(tài)檢查情況如表3所示，驗(yàn)證了該方法的有效性。

表3 ××530D-1/××-2D次試車部分測(cè)點(diǎn)氣密性及狀態(tài)檢查結(jié)果Tab.3 Air-tightness and status results for partial points in ××530D-1/××-2D test

5 結(jié)束語

通過對(duì)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)球頭-錐面螺紋連接件的裝配過程進(jìn)行力矩量化控制研究，確定了液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)螺紋擰緊力矩值區(qū)間；通過擰緊力矩強(qiáng)度理論計(jì)算，驗(yàn)證了力矩值區(qū)間的合理性；結(jié)合試驗(yàn)臺(tái)螺紋空間位置的具體特點(diǎn)，總結(jié)出了試驗(yàn)系統(tǒng)不同部位裝配點(diǎn)的力矩量化控制方法和工藝流程。本文所述的力矩量化值和工藝方法在某型氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中的得到了實(shí)際應(yīng)用，改進(jìn)了以往螺紋裝配靠操作者經(jīng)驗(yàn)保證的不足，提高了工藝裝配的可靠性和有效性，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)系統(tǒng)上螺紋裝配的全面量化操作。