降低過濾器報(bào)廢率工藝研究

趙爾華，邢柏強(qiáng)，張連冬，路來平，劉永珍，王 彬，張 桐，吳 盟

（首都航天機(jī)械有限公司，北京 100076）

0 引言

過濾器是航天產(chǎn)品用試驗(yàn)系統(tǒng)和試驗(yàn)臺中控制多余物的主要元件，在使用過程中，空氣過濾器要求每半年鑒定一次，在鑒定過程中，分解過濾器時(shí)，常常發(fā)生一部分過濾器因殼體、接頭螺紋咬死而不能取出濾芯的問題，導(dǎo)致過濾器徹底報(bào)廢，另外一部分過濾器雖然能分解開，但需對螺紋進(jìn)行修復(fù)后方能使用，如圖1 所示。隨著過濾器鑒定次數(shù)的增加（反復(fù)分解、組裝），過濾器接頭和殼體螺紋咬死、咬傷數(shù)量明顯增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)我廠過濾器報(bào)廢率高達(dá)36%，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品生產(chǎn)進(jìn)度。相關(guān)文獻(xiàn)表明潤滑脂潤滑不夠會(huì)增大螺紋摩擦導(dǎo)致螺紋要咬死，擰緊力矩過大可能導(dǎo)致螺紋接觸面壓潰，使螺紋斷裂、變形脫扣導(dǎo)致咬死[1]。為改善過濾器接頭和殼體螺紋咬死、咬傷現(xiàn)象，以1TY26 系列過濾器為研究對象，對降低過濾器報(bào)廢率的方法進(jìn)行改進(jìn)。

圖1 殼體、接頭螺紋損傷情況

1 1TY26 過濾器

1.1 1TY26 過濾器結(jié)構(gòu)及密封原理

1TY26 過濾器主要由殼體、接頭、濾芯和密封墊四部分組成，濾芯是過濾器的核心元素，能夠過濾氣源中的多余物，使受到污染的氣體被凈化。1TY26 系列過濾器結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 1TY26 系列過濾器結(jié)構(gòu)示意圖

1TY26 系列過濾器主要是通過螺紋備緊，壓迫鋁制密封件變形，實(shí)現(xiàn)過濾器的密封性能，在過濾器的鑒定中使用的潤滑脂為特221 潤滑脂，使用的密封墊材料為鋁制（L4-M）墊圈，由于在操作過程中擰緊接頭與殼體連接處的螺紋沒有力矩要求，在裝配過程中，為了保證過濾器不漏氣，操作者用力擰緊螺紋時(shí)，螺紋承受的力矩值可能已經(jīng)超過材料允許的極限值。根據(jù)相關(guān)文件規(guī)定，航天專用氣密試驗(yàn)系統(tǒng)或試驗(yàn)臺內(nèi)用所有過濾器的定期校驗(yàn)標(biāo)定工作每半年進(jìn)行一次，隨著過濾器鑒定次數(shù)的增加，過濾器接頭、殼體咬死、咬傷現(xiàn)象明顯增加，嚴(yán)重影響了主產(chǎn)品車間的正常使用要求，同時(shí)增加生產(chǎn)成本。

1.2 1TY26 過濾器定期校驗(yàn)流程

在過濾器定期校驗(yàn)工作中，需將過濾器分解，取出濾芯進(jìn)行清洗，去除多余物，然后進(jìn)行組裝，過濾器的定期校驗(yàn)流程如圖3 所示。過濾器的定期校驗(yàn)過程中，分解殼體與接頭時(shí)易發(fā)生螺紋咬死、咬傷現(xiàn)象而導(dǎo)致過濾器報(bào)廢。

圖3 過濾器定期校驗(yàn)流程圖

2 過濾器螺紋咬死原因分析

過濾器的密封主要是通過對接頭施加預(yù)緊力，將鋁制密封件壓緊，使得鋁制密封件產(chǎn)生壓縮變形，當(dāng)預(yù)緊力達(dá)到一定數(shù)值后，密封件變形并填滿殼體與接頭之間的縫隙，從而實(shí)現(xiàn)密封要求。在實(shí)際生產(chǎn)過程中螺紋及密封墊涂抹特221 潤滑脂，擰緊力矩?zé)o具體數(shù)值要求，為保證產(chǎn)品的密封性能，操作者利用加長扳手，最大力氣擰緊螺紋（用等長的力矩扳手，相近的施力條件，模擬得出此力矩值最小500 N·m），最終導(dǎo)致連接螺紋損壞。

對過濾器復(fù)驗(yàn)的整個(gè)工藝流程進(jìn)行試驗(yàn)分析，最終得出：在工作過程中為保證產(chǎn)品的密封性能，施加了過大的擰緊力矩，即：擰緊力矩超出材料能夠承受的極限值，導(dǎo)致在分解過程中發(fā)生螺紋咬傷、咬死現(xiàn)象。

要解決這一問題，就必須要減小力矩值，同時(shí)既要保證過濾器的密封性，又要保證過濾器分解后螺紋的完好性。因此從提高密封性能和降低擰緊力矩兩個(gè)方面分析降低過濾器報(bào)廢的問題。

2.1 潤滑脂選擇不合理

1TY26 系列過濾器殼體與接頭的材料均為2Cr13不銹鋼，相關(guān)研究表明，不銹鋼螺紋聯(lián)結(jié)之所以經(jīng)常發(fā)生咬死，主要是由于不銹鋼金屬合金本身會(huì)在表面受到破壞時(shí)，在金屬表面產(chǎn)生一層薄薄的氧化層來防止進(jìn)一步的更深入的損傷，正是由于不銹鋼及其合金的這種防銹蝕性，使得不銹鋼螺紋聯(lián)結(jié)咬死的情況極易發(fā)生[2]。缺少潤滑作用的螺紋在相互作用時(shí)易發(fā)生粘著磨損，螺紋副之間相互作用產(chǎn)生的摩擦和熱量加劇了這種聯(lián)結(jié)損傷，導(dǎo)致螺紋發(fā)生塑性變形，相互之間的配合關(guān)系被破壞，螺紋最終咬死而無法分解。因此選擇合適的潤滑脂能夠減少粘著磨損的發(fā)生，從而能夠避免螺紋咬死、咬傷現(xiàn)象的發(fā)生。

2.2 擰緊力矩不合理

擰緊力矩大小直接影響過濾器的裝配質(zhì)量及密封性能，擰緊力矩過小，密封墊壓緊力不夠，導(dǎo)致過濾器發(fā)生漏氣現(xiàn)象；擰緊力矩過大，超出材料承受極限將導(dǎo)致螺紋發(fā)生破壞，甚至斷裂。因此在裝配過程中合理控制殼體與接頭間螺紋聯(lián)結(jié)的擰緊力矩，是保證過濾器質(zhì)量的有效措施之一。

已有文獻(xiàn)論證了潤滑狀態(tài)的改變對螺栓擰緊力矩有一定的影響，對需嚴(yán)格控制螺栓擰緊力矩的場合，尤其是高預(yù)緊力的運(yùn)用場合，在螺栓緊固時(shí)，需對螺紋進(jìn)行充分潤滑，可降低擰緊力矩值[3]。因此當(dāng)使用潤滑脂時(shí)能夠適當(dāng)減小擰緊力矩，從而可以有效減少螺紋的咬死、咬傷現(xiàn)象。從潤滑脂和控制擰緊力矩兩方面進(jìn)行試驗(yàn)，解決過濾器分解過程中殼體與接頭螺紋發(fā)生咬死、咬傷的問題，降低過濾器報(bào)廢率。

3 過濾器螺紋咬死問題解決方法

3.1 更改潤滑脂

潤滑脂具有潤滑和粘附性，覆蓋在摩擦副表面，起到一定的密封和防塵作用[4]，在以往過濾器組裝工作中，常使用的潤滑脂是特221 潤滑脂，經(jīng)過多年過濾器鑒定工作的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，此種潤滑脂對保護(hù)螺紋及過濾器的密封性能方面都不太理想?？够瘜W(xué)介質(zhì)潤滑脂7804 號（以下稱7804 潤滑脂）具有較寬的溫度范圍、優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和氧化穩(wěn)定性以及良好的潤滑性，能夠減少螺紋運(yùn)動(dòng)副之間摩擦，避免螺紋咬死、咬傷、以及增強(qiáng)潤滑等性能，廣泛應(yīng)用于加注和供氣系統(tǒng)中[5]。從表1 可以看出7804 潤滑脂的相似粘度高于特221 潤滑脂，相似粘度高的潤滑脂可以提高機(jī)械連接的密封性及連接件表面的潤滑性。因此螺紋及密封墊處涂抹7804 潤滑脂，其潤滑及密封效果均優(yōu)于特221 潤滑脂。在過濾器的校驗(yàn)工作中，通過在過濾器密封墊及殼體、接頭螺紋上涂7804 潤滑脂有效提高了過濾器的密封性能，降低了過濾器螺紋咬死、咬傷現(xiàn)象。7804 潤滑脂和特221 潤滑脂性能對照見表1。

表1 7804 潤滑脂和特221 潤滑脂性能

針對7804 潤滑脂和特221 潤滑脂分別選取100個(gè)過濾器進(jìn)行試驗(yàn)，在35 MPa 工作壓力下進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。從表2 可以看出7804 潤滑脂對螺紋的潤滑效果優(yōu)于特221 潤滑脂，過濾器報(bào)廢率由40%下降至15%。

3.2 量化擰緊力矩

3.2.1 最大極限擰緊力矩計(jì)算

1TY26 系列過濾器使用鋁制（L4-M）密封墊（平墊），依靠密封墊與接觸面的壓緊實(shí)現(xiàn)密封作用，這種密封結(jié)構(gòu)須通過螺紋緊固件在墊片上施加一定壓力，使墊片變形后充滿間隙，所需螺栓擰緊力矩大，容易損傷螺紋。

過濾器擰緊時(shí)，扳手力矩是克服螺紋副的螺紋阻力矩T1 及接頭與殼體支撐面間的端面摩擦力矩T2；1TY26 系列過濾器殼體與接頭材料均為2Cr13，螺紋為M33，最大工作壓力為35 MPa，材料的抗拉強(qiáng)度σb≥520 MPa，屈服極限σs≥440 MPa，采用工程中常用的擰緊力矩計(jì)算式：

式中：K為當(dāng)量擰緊力矩系數(shù)，按照有潤滑、一般加工表面取0.13～0.15，取值為0.13；d為螺栓的公稱直徑取33mm；F0 為預(yù)緊力，單位為千牛頓（kN），一般為螺栓、螺母、被連接件中最低屈服強(qiáng)度的35%，或按照設(shè)計(jì)要求確定[6]；As為螺栓危險(xiǎn)截面的面積；σs為螺栓材料的屈服極限σs=440 MPa；d2為外螺紋中經(jīng)mm，d2=30.727 mm；d3為螺紋的計(jì)算直徑d3=d3-H/6（其中H為螺紋原始三角形高度）。

經(jīng)計(jì)算，1TY26 系列過濾器的擰緊力矩不能超過458 N·m，而在實(shí)際操作中為確保過濾器密封性，擰緊實(shí)際力矩值超過500 N·m，超出材料能夠承受的極限值，致使過濾器殼體、接頭螺紋咬死或咬傷。

3.2.2 最小密封擰緊力矩計(jì)算

在過濾器接頭螺紋上施加預(yù)緊力后，密封墊片承受初始的壓縮力，使得密封墊片壓縮變形填滿接頭與殼體之間的密封間隙，形成初始密封效果。當(dāng)過濾器通道承受介質(zhì)壓力時(shí)，接頭螺紋受到拉伸應(yīng)力而出現(xiàn)伸長趨勢，接頭與殼體的密封面產(chǎn)生分離，密封面與墊片之間的壓緊力下降，當(dāng)壓緊力下降到小于有效緊固力時(shí)，密封處就會(huì)發(fā)生泄漏，因此，密封墊片承受的最小緊固力必須大于管道內(nèi)的介質(zhì)壓力，預(yù)緊力約為工作壓力產(chǎn)生軸向力的1.1～1.6 倍，過濾器工作介質(zhì)壓力為35 MPa，強(qiáng)度試驗(yàn)壓力為工作壓力的1.5 倍，因此過濾器介質(zhì)通道承受的最大壓力位P=52.5 MPa，接觸面積S=640 mm2。

取1.6 倍的軸向力系數(shù)，采用工程中常用的擰緊力矩計(jì)算公式計(jì)算對應(yīng)的最小需用擰緊力矩為：

經(jīng)計(jì)算，為保證過濾器在工作過程中不發(fā)生泄漏失效，1TY26 系列過濾器的擰緊力矩不小于231 N·m，當(dāng)擰緊力矩小于最小需用擰緊力矩時(shí)過濾器即會(huì)發(fā)生泄漏造成密封失效。

3.2.3 過濾器接頭有限元模型建立

按照《工業(yè)金屬管道安全技術(shù)規(guī)范》鋼材基本許用應(yīng)力的確定準(zhǔn)則，在常溫工況下，鋼材的許用應(yīng)力取1/3 抗拉強(qiáng)度與2/3 屈服強(qiáng)度的較低值。過濾器殼體與接頭材料的抗拉強(qiáng)度σb≥520 MPa，屈服極限σs≥440 MPa，經(jīng)計(jì)算：

通過過濾器結(jié)構(gòu)可以看出過濾器螺紋連接在裝配時(shí)擰緊力矩是克服螺紋副的螺紋阻力距及接頭與密封墊支撐面間的端面摩擦力矩，為簡化計(jì)算過程，對連接模型進(jìn)行簡化，殼體與接頭螺紋采用綁定約束，殼體與接頭端面支撐采用面與面接觸，分別施加螺紋458 N·m 擰緊力矩（對應(yīng)預(yù)緊力F=108055 N）和350 N·m 擰緊力矩（對應(yīng)預(yù)緊力F=81585 N），經(jīng)過ABAQUS 軟件仿真分析，得到接頭的應(yīng)力云圖如圖4和圖5 所示，施加458 N·m 擰緊力矩時(shí)最大應(yīng)力為212 MPa，超過了材料的許用應(yīng)力值；施加350 N·m擰緊力矩時(shí)最大應(yīng)力為162 MPa，低于材料的許用應(yīng)力值。

圖4 施加458N·m 力矩時(shí)應(yīng)力云圖

圖5 施加350N·m 力矩時(shí)應(yīng)力云圖

通過ABAQUS 有限元分析應(yīng)力云圖可以看出，當(dāng)施加458 N·m 擰緊力矩時(shí)最大應(yīng)力值已超出了材料的許用應(yīng)力，因此在保證過濾器密封不發(fā)生泄漏失效，同時(shí)保證在擰緊力矩作用下材料承受的應(yīng)力不超出許用應(yīng)力，最終將擰緊力矩確定為350±10 N·m。

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

針對上述計(jì)算結(jié)果，開展試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)過程中過濾器通道工作壓力為，在35 MPa 壓力，使用7804潤滑脂進(jìn)行潤滑，具體試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果見表3。

表3 過濾器力矩試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表

通過表3 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出擰緊力矩超過400 N·m 時(shí)密封情況良好，但螺紋有損傷；擰緊力矩為300 N·m 時(shí)，螺紋沒有損傷，但是發(fā)生漏氣現(xiàn)象；擰緊力矩為350 N·m 時(shí)，螺紋沒有損傷也沒有漏氣現(xiàn)象。故綜合理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果將擰緊力矩定為350±10 N·m。

4 結(jié)論

經(jīng)過大量的生產(chǎn)實(shí)踐證明，通過使用7804 潤滑脂和控制量化擰緊力矩350±10 N·m 的過濾器，在試驗(yàn)中，密封效果良好，分解后檢查，螺紋完好。

使用7804 潤滑脂和控制量化擰緊力矩350±10 N·m的過濾器，既保證了1TY26 過濾器的密封性能，同時(shí)也將因過濾器殼體與接頭螺紋咬、死咬傷現(xiàn)象導(dǎo)致的過濾器報(bào)廢率降至0，提高了過濾器的重復(fù)利用率，降低了過濾器的報(bào)廢率，提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。