密封爆破膜片的設(shè)計(jì)、仿真與試驗(yàn)

□ 閆田田 □ 李振將 □ 張 恬 □ 唐慧慧 □ 郝小龍

北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所航天伺服驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室 北京 100076

1 研究背景

燃?xì)庖簤核欧茉聪到y(tǒng)主要由燃?xì)獍l(fā)生器、渦輪泵、液壓能源及燃?xì)鈱?dǎo)管等組成。在燃?xì)庖簤核欧茉囱b配調(diào)試完成后的長(zhǎng)期靜置過(guò)程中,為保證燃?xì)獍l(fā)生器能夠正常點(diǎn)火啟動(dòng),通常在燃?xì)獍l(fā)生器出口前安裝一密封爆破膜片。膜片主要起到如下作用:保證渦輪泵與燃?xì)獍l(fā)生器之間的密封性,防止渦輪泵發(fā)生的漏油流入燃?xì)獍l(fā)生器燃燒室內(nèi),影響其點(diǎn)火可靠性。同時(shí)要求膜片兩側(cè)爆破壓力不一致,從渦輪側(cè)向燃?xì)獍l(fā)生器側(cè)爆破壓力高于反向,由此保證燃?xì)獍l(fā)生器點(diǎn)火后膜片可瞬間破裂。

在目前燃?xì)庖簤核欧茉词褂弥?密封爆破膜片主要采用有機(jī)玻璃黏接式結(jié)構(gòu),其主要問(wèn)題是可靠性差,經(jīng)常發(fā)生膜片脫落現(xiàn)象,進(jìn)而影響液壓能源正常工作。為提高膜片使用可靠性,筆者探索了新的膜片方案設(shè)計(jì),并開(kāi)展了仿真分析與試驗(yàn)研究。

關(guān)于密封爆破膜片,許多專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行了相關(guān)研究。劉國(guó)斌等[1]根據(jù)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)尾噴管的工作情況,分析了長(zhǎng)尾噴管堵蓋的仿真計(jì)算及試驗(yàn)過(guò)程,確定了2A12 鋁堵蓋受內(nèi)壓沖擊的打開(kāi)方案,并且通過(guò)SolidWorks有限元軟件靜力分析、VPG/LS-DYNA 顯式動(dòng)力分析仿真對(duì)設(shè)計(jì)方案的分析及與試驗(yàn)方案進(jìn)行對(duì)比,表明靜力分析對(duì)于堵蓋破裂的裂紋分析不好預(yù)估,而顯式動(dòng)力分析可較準(zhǔn)確地反應(yīng)堵蓋打開(kāi)過(guò)程,為試驗(yàn)前的驗(yàn)證手段提供了重要理論依據(jù)。陳昌將等[2]研究了某固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)新型噴管堵蓋結(jié)構(gòu),進(jìn)行堵蓋的承壓和打開(kāi)試驗(yàn),并基于顯式動(dòng)力分析方法,分別建立三維分析模型,對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行仿真計(jì)算。陳守芳[3]提出了液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)喉部堵蓋設(shè)計(jì)的一種新思路,并將它與現(xiàn)有火箭發(fā)動(dòng)機(jī)喉部堵蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比,從結(jié)構(gòu)和理論上論證了該喉部堵蓋結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性和重復(fù)使用性。屠小昌等[4]介紹了固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管硬質(zhì)泡沫塑料堵蓋的設(shè)計(jì)方法與試驗(yàn)過(guò)程,某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)硬質(zhì)泡沫噴管堵蓋打開(kāi)壓強(qiáng)模擬點(diǎn)火試驗(yàn)結(jié)果表明,這種硬質(zhì)泡沫噴管堵蓋設(shè)計(jì)方案可行,并已在實(shí)際中得到應(yīng)用。閆照鋒[5]對(duì)正拱形十字槽爆破膜片建立了有限元模型,分別分析了預(yù)置凹槽形狀、長(zhǎng)度對(duì)爆破壓力的影響,同時(shí)對(duì)平板環(huán)槽型爆破膜片進(jìn)行有限元數(shù)值仿真,討論了膜片有效厚度、凹槽數(shù)量等對(duì)爆破壓力的影響。周春華[6]基于大變形理論和疲勞壽命理論,采用ANSYS有限元軟件,通過(guò)對(duì)比分析建立合理的膜片數(shù)值模擬模型,分析了膜片式安全閥的核心元件膜片的力學(xué)性能,獲得鋁膜片和橡膠膜片的壓力中心點(diǎn)位移曲線(xiàn)和疲勞壽命理論數(shù)據(jù),得出了橡膠膜片較鋁膜片具有受壓變形量大、耐疲勞性好的結(jié)論。沈吟青[7]建立了膜片破裂過(guò)程純結(jié)構(gòu)域有限元模型,對(duì)膜片破裂過(guò)程的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行仿真研究,針對(duì)不同的臨界破膜壓力,采用數(shù)值仿真分析膜片尺寸和選用材料對(duì)膜片破裂過(guò)程的影響。

2 密封爆破膜片設(shè)計(jì)

現(xiàn)有粘接式破裂膜片主要結(jié)構(gòu)形式為有機(jī)玻璃膜片通過(guò)SY-50s膠粘接在不銹鋼膜片座上,如圖1所示。此種結(jié)構(gòu)形式工藝復(fù)雜,對(duì)操作要求較高,且粘結(jié)性能的好壞對(duì)膜片密封性能與破裂壓力有較大影響,同時(shí)粘接膠在長(zhǎng)期貯存條件下粘接性能會(huì)下降,膜片的工作可靠性得不到保證。

▲圖1 粘接式破裂膜片結(jié)構(gòu)

新設(shè)計(jì)的密封爆破膜片采用裝配組件形式代替原膠粘工藝方法,結(jié)構(gòu)主要由膜片座、有機(jī)玻璃膜片與O形密封圈組成,如圖2所示。膜片通過(guò)裝配形式安裝到膜片座上,膜片與膜片座之間采用O形密封圈實(shí)現(xiàn)靜密封。膜片正反向爆破壓力通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及膜片厚度保證。

▲圖2 密封爆破膜片結(jié)構(gòu)

新設(shè)計(jì)的密封爆破膜片材料組成及密封性能要求見(jiàn)表1。

表1 膜片材料組成及密封性能要求

3 仿真分析

為設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足破裂壓力和密封性能需求的密封爆破膜片,利用ANSYS軟件對(duì)三種厚度膜片的破裂壓力進(jìn)行仿真分析。三種膜片厚度及膜片材料參數(shù)見(jiàn)表2、表3。

表2 不同厚度尺寸參數(shù)

表3 有機(jī)玻璃特性參數(shù)

采用CREO軟件建立不同厚度膜片的三維模型,并導(dǎo)入ANSYS軟件,分析膜片在膜片座中安裝情況,對(duì)膜片外圓柱面施加固定位移約束,正向P1方向和反向P2方向分別施加壓力,各種膜片厚度下的壓力條件見(jiàn)表4。膜片幾何結(jié)構(gòu)約束如圖3所示,劃分網(wǎng)格后的膜片有限元模型如圖4所示。

▲圖3 膜片幾何結(jié)構(gòu)約束

表4 壓力條件

▲圖4 膜片有限元模型

三種厚度膜片分別在不同壓力條件下的分析結(jié)果如圖5～圖10所示,對(duì)每種分析結(jié)果中最高等效應(yīng)力和最大剪切應(yīng)力進(jìn)行統(tǒng)計(jì),見(jiàn)表5。

表5 仿真結(jié)果對(duì)比

▲圖5 厚度0.7 mmP1方向膜片剪切應(yīng)力▲圖6 厚度0.7 mmP2方向膜片剪切應(yīng)力▲圖7 厚度0.8 mmP1方向膜片剪切應(yīng)力

▲圖8 厚度0.8 mmP2方向膜片剪切應(yīng)力▲圖9 厚度0.9 mmP1方向膜片剪切應(yīng)力▲圖10 厚度0.9 mmP2方向膜片剪切應(yīng)力

仿真結(jié)果表明,三種規(guī)格的密封爆破膜片P1、P2方向最大剪切應(yīng)力均大于有機(jī)玻璃的剪切強(qiáng)度,密封爆破膜片的破環(huán)形式為剪切破環(huán)。

4 試驗(yàn)

4.1 密封爆破膜片爆破壓力試驗(yàn)

為通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試出密封爆破膜片在正反向爆破壓力,設(shè)計(jì)專(zhuān)用工裝,將膜片裝配其中,通過(guò)管路接到高壓氮?dú)馄?管路中間設(shè)置壓力表和手動(dòng)調(diào)壓閥,試驗(yàn)過(guò)程中不斷調(diào)節(jié)氮?dú)馄砍隹趬毫?直至膜片爆破時(shí),記錄壓力表讀數(shù),統(tǒng)計(jì)出膜片爆破壓力,試驗(yàn)裝置如圖11所示。

▲圖11 爆破壓力試驗(yàn)裝置

對(duì)三種厚度膜片各12件樣品進(jìn)行靜密封試驗(yàn),從P1和P2兩個(gè)方向分別充入0.45～0.50 MPa氣壓,各保持5 min,密封爆破膜片不得出現(xiàn)裂紋、脫開(kāi)、不規(guī)則變形、漏氣和破裂等現(xiàn)象。密封檢測(cè)合格后,對(duì)每組中6件進(jìn)行正向壓力試驗(yàn),對(duì)另6件進(jìn)行反向壓力試驗(yàn)。從P1和P2方向向密封裝置充氣,直至膜片破裂或漏氣,記錄破裂或漏氣時(shí)的壓力值,三種厚度膜片各12件樣品的試驗(yàn)均合格。各組膜片試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6,爆破壓力試驗(yàn)后的密封爆破膜片如圖12所示。從表6可以得出,爆破壓力試驗(yàn)時(shí)密封爆破膜片爆破壓力和仿真時(shí)爆破壓力相近,分析得出,仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果相吻合。

表6 爆破壓力試驗(yàn)結(jié)果

▲圖12 爆破壓力試驗(yàn)后密封爆破膜片

4.2 密封爆破膜片浸水浸油試驗(yàn)

對(duì)三種厚度膜片各6件樣品進(jìn)行耐水耐油測(cè)試,首先將膜片浸入不小于100 mm深的普通水中,保持48 h,從P1和P2兩個(gè)方向分別充入0.45～0.50 MPa氣壓,各保持5 min,三種厚度膜片各6件樣品浸水試驗(yàn)后,氣密試驗(yàn)均合格,然后將浸水試驗(yàn)后的三種厚度膜片各6件樣品浸入不小于100 mm深度的YH-15航空液壓油中,保持48 h,從P1和P2兩個(gè)方向分別充入0.45～0.50 MPa氣壓,各保持5 min,三種厚度膜片各6件樣品浸油試驗(yàn)后,氣密試驗(yàn)均合格。將經(jīng)過(guò)浸水和浸油試驗(yàn)的樣品進(jìn)行爆破壓力試驗(yàn),爆破壓力見(jiàn)表7。從表7可以看出,浸水浸油對(duì)設(shè)計(jì)方案的爆破壓力無(wú)影響,此方案設(shè)計(jì)可以適用油環(huán)境的密封。

表7 浸水浸油后爆破壓力試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)研究[8-11],提供了一種可靠性更高的密封爆破膜片設(shè)計(jì)分析與試驗(yàn)研究方法,為后續(xù)密封爆破膜片設(shè)計(jì)提供了一種思路。

通過(guò)仿真及試驗(yàn)研究,得出密封爆破膜片的爆破形式主要為剪切破環(huán),因此后續(xù)膜片設(shè)計(jì)主要從剪切破壞考慮。

改進(jìn)后的密封爆破膜片經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證,工藝簡(jiǎn)單,可操作性高,可靠性高,并大大提高了合格率。密封爆破膜片已經(jīng)在燃?xì)馑欧簤耗茉粗腥〈嗽心てY(jié)構(gòu),取得了重要應(yīng)用。