王志猛，葉鶯櫻，王五四，趙宗煥，霍福帥

（1.北京航天動力研究所，北京 100076；2.首都航天機械有限公司，北京 100076）

0 引言

泵前閥和搖擺軟管是低溫發(fā)動機的重要組成部分[1]，其中泵前閥位于火箭貯箱與發(fā)動機搖擺軟管入口之間，其主要功用是接通或切斷貯箱對發(fā)動機推進劑的供應(yīng)，搖擺軟管用來補償發(fā)動機搖擺時泵前管路系統(tǒng)產(chǎn)生的變形，且本身具有真空絕熱能力[2]。發(fā)動機泵前閥和搖擺軟管連接密封結(jié)構(gòu)（下文統(tǒng)稱為連接密封結(jié)構(gòu)）采用臺階式密封結(jié)構(gòu)，密封圈為復合石墨密封圈，如圖1所示。

圖1 泵前閥和搖擺軟管連接密封結(jié)構(gòu)示意

連接密封結(jié)構(gòu)的氦質(zhì)譜檢漏要求為：在0.5 MPa（表壓）純氦氣下的漏率應(yīng)不大于5×10-6Pa·m3/s，對多臺次發(fā)動機的檢漏數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)此處的一次檢漏合格率僅為60%。在高密度發(fā)射的形勢下，連接密封結(jié)構(gòu)一次檢漏合格率低已經(jīng)成為制約產(chǎn)品可靠性、影響發(fā)動機交付進度的重要影響因素，且在發(fā)動機工作時，此處還存在推進劑泄漏的風險。因此對連接密封結(jié)構(gòu)泄漏的原因進行了分析，針對泄漏原因采取了優(yōu)化改進措施，提高了連接密封結(jié)構(gòu)的可靠性。

1 連接密封結(jié)構(gòu)泄漏原因分析

連接密封結(jié)構(gòu)多次檢漏漏率超標，說明連接密封結(jié)構(gòu)存在薄弱環(huán)節(jié)，漏率超標的可能原因是泵前閥出口法蘭和搖擺軟管入口法蘭強度和剛度不足，連接密封結(jié)構(gòu)裝配后在螺栓預(yù)緊力的作用下，法蘭密封面發(fā)生塑性變形，塑性變形量超出保證密封允許的翹曲變形量，導致泄漏[3]。為驗證強度剛度不足理論，對現(xiàn)結(jié)構(gòu)泵前閥出口法蘭和搖擺軟管入口法蘭進行分析。

連接密封結(jié)構(gòu)通過長螺柱與螺母進行固緊連接，螺栓數(shù)量10個，螺紋規(guī)格為M8，擰緊力矩為11 N·m，通過計算[4]，得到單個螺栓預(yù)緊力F=5880 N。

1.1 搖擺軟管入口法蘭仿真分析

搖擺軟管入口法蘭的材料為1Cr18Ni9Ti，抗拉強度σb為540 MPa，屈服強度σs為196 MPa。

對搖擺軟管入口法蘭使用Workbench進行仿真分析，仿真分析時施加的載荷及邊界條件為：

（1）在搖擺軟管入口法蘭背面螺栓孔處施加螺栓預(yù)緊力，共10處，每處5880 N；

（2）在搖擺軟管入口法蘭密封面施加壓力載荷P1；

（3）在搖擺軟管入口法蘭與波紋管連接處及法蘭3個支耳螺栓孔施加固支邊界條件。

載荷及邊界條件如圖2所示。

圖2 搖擺軟管入口法蘭仿真分析載荷及邊界條件

對法蘭進行仿真分析，其等效應(yīng)力分布如圖3所示。

圖3 搖擺軟管入口法蘭的等效應(yīng)力分布圖

從圖3可知，法蘭的最大應(yīng)力為610.14 MPa，出現(xiàn)在法蘭根部圓角處，應(yīng)力值已遠遠超出法蘭材料的屈服強度，即搖擺軟管入口法蘭在螺栓預(yù)緊力的作用下已產(chǎn)生了塑性變形。

對搖擺軟管入口法蘭密封面進行仿真分析，其等效應(yīng)力及位移變形分布如圖4所示。

從圖4可知，搖擺軟管入口法蘭密封面的最大應(yīng)力為510.72 MPa，應(yīng)力值已遠遠超出法蘭材料的屈服強度，即法蘭密封面已產(chǎn)生塑性變形。法蘭密封面的最大變形量達到了0.024 mm（密封面變形量差值），超出了膨脹石墨密封圈能保證密封的0.02 mm（石墨密封圈對密封面的不平度要求為0.02 mm，若不平度超過0.02 mm，則會發(fā)生泄漏）。

圖4 搖擺軟管入口法蘭密封面等效應(yīng)力及位移變形分布圖

經(jīng)分析，搖擺軟管入口法蘭和法蘭密封面在螺栓預(yù)緊力的作用下已產(chǎn)生塑性變形，且變形量超出了石墨密封圈保證密封的允許值，最終導致泄漏。

1.2 泵前閥出口法蘭仿真分析

對泵前閥出口法蘭使用Workbench進行仿真分析，選取十分之一軸對稱模型進行分析，分析時施加的載荷及邊界條件為：

（1）泵前閥出口法蘭密封面施加壓力載荷60 MPa（與搖擺軟管入口法蘭密封面壓力載荷一致）；

（2）在泵前閥出口法蘭自身密封面施加壓力載荷P2；

（3）在軸對稱模型兩端面施加無摩擦約束；

（4）在泵前閥出口法蘭與波紋管連接處施加固支邊界條件。載荷及邊界條件如圖5所示。

圖5 泵前閥出口法蘭仿真分析載荷及邊界條件

對泵前閥出口法蘭進行仿真分析，其等效應(yīng)力分布如圖6所示。

圖6 泵前閥出口法蘭等效應(yīng)力分布圖

從圖6中可以看出，泵前閥出口法蘭最大應(yīng)力為552.82 MPa（位置在法蘭根部），最大應(yīng)力值已遠遠超出法蘭材料的屈服強度。

對泵前閥出口法蘭密封面進行仿真分析，其等效應(yīng)力及位移變形分布如圖7所示。

從圖7中可以看出，泵前閥出口法蘭密封面（與搖擺軟管對接的密封面）的最大應(yīng)力為212.49 MPa，大于材料的屈服強度，即法蘭密封面已產(chǎn)生塑性變形。法蘭密封面的最大變形量為0.021 mm，超出了石墨密封圈能保證密封的允許值。

圖7 泵前閥出口法蘭密封面等效應(yīng)力及位移變形分布圖

經(jīng)分析，泵前閥出口法蘭和法蘭密封面在螺栓預(yù)緊力的作用下已產(chǎn)生塑性變形，且變形量超出了石墨密封圈保證密封的允許值，最終導致泄漏。

1.3 連接密封結(jié)構(gòu)泄漏分析結(jié)論

通過對泵前閥出口法蘭和搖擺軟管入口法蘭進行仿真分析，得到以下結(jié)論：

（1）搖擺軟管入口法蘭局部強度不足，導致法蘭密封面在螺栓預(yù)緊力的作用產(chǎn)生塑性變形，且變形量超出了石墨密封圈保證密封的允許值。

（2）泵前閥出口法蘭結(jié)構(gòu)強度不足，導致法蘭密封面在螺栓預(yù)緊力的作用下產(chǎn)生了塑性變形，且變形量超出了石墨密封圈保證密封的允許值。

（3）在裝配過程中，泵前閥出口法蘭和搖擺軟管入口法蘭均產(chǎn)生了不可恢復的塑性變形（包括密封面），導致密封面變形不均勻而發(fā)生翹曲，最終導致泄漏。

由于泵前閥出口法蘭和搖擺軟管入口法蘭在裝配后產(chǎn)生了不可恢復的塑性變形，在檢漏不合格后分解重裝，更加不易保證密封要求，這與實際情況相符。

2 連接密封結(jié)構(gòu)改進設(shè)計

根據(jù)仿真分析，連接密封結(jié)構(gòu)存在薄弱環(huán)節(jié)，即法蘭強度和剛度不足，裝配后發(fā)生了不可恢復的塑性變形，影響裝配密封可靠性。根據(jù)現(xiàn)有法蘭結(jié)構(gòu)，在不影響泵前閥和搖擺軟管的主體結(jié)構(gòu)、連接尺寸和發(fā)動機泵前閥入口位置的條件下，對連接密封結(jié)構(gòu)進行以下優(yōu)化改進：

（1）將連接密封結(jié)構(gòu)的密封面尺寸外移，通過密封面外移來降低螺栓預(yù)緊力作用在法蘭上的彎矩。

（2）優(yōu)化搖擺軟管入口法蘭的內(nèi)腔挖空形狀，提高法蘭剛性，降低法蘭在螺栓預(yù)緊力作用下的變形。

（3）在泵前閥出口法蘭“環(huán)”上增加1 mm凸臺，增加凸臺后可提高泵前閥法蘭的剛性。

（4）將連接密封結(jié)構(gòu)密封圈由復合石墨密封圈更改為密封性能更優(yōu)的膨脹石墨密封圈。

2.1 搖擺軟管入口法蘭優(yōu)化改進

對搖擺軟管入口法蘭進行優(yōu)化改進，主要內(nèi)容為：

（1）密封尺寸由內(nèi)徑mm、外徑mm改為內(nèi)徑mm、外徑mm；

（2）優(yōu)化法蘭挖空形狀；

法蘭改進前后的對比情況如圖8所示（只標記了改動部位的尺寸）。

圖8 搖擺軟管入口法蘭的改進情況

2.2 泵前閥出口法蘭優(yōu)化改進

對泵前閥出口法蘭進行優(yōu)化改進，主要內(nèi)容為：

（1）密封尺寸由內(nèi)徑mm、外徑mm改為內(nèi)徑mm、外徑mm。

（2）在“環(huán)”上增加1 mm凸臺。

法蘭改進前后的對比情況如圖9所示（只標記了改動部位的尺寸）。

圖9 泵前閥出口法蘭的改進情況

2.3 密封圈更改

將原連接密封結(jié)構(gòu)使用的復合石墨密封圈改為密封性更好的膨脹石墨密封圈[5]，主要內(nèi)容為：

更改前：復合石墨密封圈?74 mm×?82 mm×1.6 mm

更改后：膨脹石墨密封圈?82 mm×?90 mm×2 mm

3 連接密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進后仿真分析

對優(yōu)化改進后的泵前閥和搖擺軟管法蘭進行仿真分析，以驗證改進效果。

3.1 搖擺軟管入口法蘭仿真分析

搖擺軟管入口法蘭結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，對法蘭施加的螺栓預(yù)緊力未發(fā)生變化，仍為5880 N，但由于密封面尺寸發(fā)生了變化，所以施加在法蘭密封面上的壓力載荷發(fā)生了變化，壓力載荷P3為：

其余邊界條件與搖擺軟管入口法蘭更改前仿真分析時的邊界條件一致。

對結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進后的搖擺軟管入口法蘭進行仿真分析，其等效應(yīng)力分布如圖10所示。

圖10 結(jié)構(gòu)改進后的搖擺軟管入口法蘭等效應(yīng)力分布圖

從圖10可知，搖擺軟管入口法蘭的最大應(yīng)力為357.62 MPa，出現(xiàn)在法蘭螺栓孔附近位置，屬于應(yīng)力集中點。法蘭根部圓角處最大應(yīng)力約為307 MPa，雖然超出了材料屈服強度，但已遠小于改進前的最大應(yīng)力。

對搖擺軟管入口法蘭密封面進行仿真分析，其等效應(yīng)力及位移變形分布如圖11所示。

從圖11可知，結(jié)構(gòu)改進后的搖擺軟管入口法蘭密封面的最大應(yīng)力為186.7 MPa，應(yīng)力值小于材料的屈服強度，且遠小于改進前的密封面最大應(yīng)力值。結(jié)構(gòu)改進后法蘭密封面的變形量為0.0157 mm，小于石墨密封圈保證密封的允許值，滿足密封要求。

圖11 結(jié)構(gòu)改進后的搖擺軟管入口法蘭密封面等效應(yīng)力及位移變形分布圖

結(jié)構(gòu)改進后的搖擺軟管入口法蘭最大應(yīng)力雖然超出了法蘭材料的屈服強度，但因最大應(yīng)力只集中在法蘭挖空部分靠外側(cè)的圓角處產(chǎn)生應(yīng)力集中的微小區(qū)域，其周圍是較厚的法蘭金屬實體，所以該處局部塑性變形對法蘭整體影響很小，另外考慮到不銹鋼材料的加工硬化[6]效應(yīng)，實際法蘭的屈服強度有所提高，所以即使法蘭局部應(yīng)力超過材料的屈服強度，但對法蘭整體結(jié)構(gòu)無影響。

3.2 泵前閥出口法蘭仿真分析

泵前閥出口法蘭結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，對法蘭施加的螺栓預(yù)緊力未發(fā)生變化，仍為5880 N，但由于密封面尺寸發(fā)生了變化，所以施加在法蘭密封面上的壓力載荷發(fā)生了變化，壓力載荷P4為：

其余邊界條件與泵前閥出口法蘭更改前仿真分析時的邊界條件一致。

對結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進后的泵前閥出口法蘭進行仿真分析，其等效應(yīng)力分布如圖12所示。

從圖12可知，泵前閥出口法蘭的最大應(yīng)力為314.38 MPa，出現(xiàn)在懸臂法蘭根部，雖然超出了材料的屈服強度，但已遠小于改進前的最大應(yīng)力。

圖12 結(jié)構(gòu)改進后的泵前閥出口法蘭等效應(yīng)力分布圖

對泵前閥出口法蘭密封面（與搖擺軟管連接處的密封面）進行仿真分析，其等效應(yīng)力及密封面位移變形分布如圖13所示。

從圖13可知，結(jié)構(gòu)改進后的泵前閥出口法蘭密封面（與搖擺軟管對接的密封面）最大應(yīng)力為73.86 MPa，小于材料的屈服強度，且更遠小于改進前的密封面最大應(yīng)力值。結(jié)構(gòu)改進后法蘭密封面的變形量為0.0089 mm，小于石墨密封圈保證密封的允許值，滿足密封要求。

圖13 結(jié)構(gòu)改進后的泵前閥出口法蘭密封面等效應(yīng)力及位移變形分布圖

3.3 優(yōu)化改進效果

對泵前閥出口法蘭和搖擺軟管入口法蘭優(yōu)化改進前后的受力及密封面變形情況進行了統(tǒng)計，見表1所示。

表1 連接密封結(jié)構(gòu)改進前后應(yīng)力及面封面變形情況

從表1可知，改進后的泵前閥出口法蘭和搖擺軟管入口法蘭最大應(yīng)力值較改進前均大幅下降，分別下降了43.1%和41.4%，雖然改進后的最大應(yīng)力仍然超出了材料的屈服強度，但因材料在切削加工狀態(tài)下，金屬材料表層會出現(xiàn)加工硬化效應(yīng)，材料的屈服強度會得到增強，且最大應(yīng)力集中點位于法蘭根部產(chǎn)生應(yīng)力集中的微小區(qū)域，其周圍是較厚的金屬實體，產(chǎn)生的局部塑性變形對法蘭整體影響很小，所以認為改進后的整體法蘭在螺栓預(yù)緊力的作用下未發(fā)生塑性變形。

改進后連接密封結(jié)構(gòu)法蘭密封面的最大應(yīng)力小于材料的屈服應(yīng)力，且密封面的變形量也小于石墨密封圈保證密封的允許值，所以密封面在螺栓預(yù)緊力的作用下未發(fā)生變形，可以可靠保證密封。

4 改進驗證試驗

4.1 氦質(zhì)譜檢漏試驗

連接密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進后，生產(chǎn)改進狀態(tài)的搖擺軟管法蘭試驗件、泵前閥法蘭試驗件各3件，分成3組進行交叉裝配，即共有9組連接密封結(jié)構(gòu)試驗件，如圖14所示。

圖14 改進狀態(tài)的法蘭試驗件

對9組改進后的連接密封結(jié)構(gòu)試驗件和1組改進前的連接密封結(jié)構(gòu)試驗件使用吸槍進行正壓氦質(zhì)譜檢漏[7]，結(jié)果為改進前的試驗件漏率值在10-5Pa·m3/s量級，改進后的試驗件漏率值均在10-8Pa·m3/s量級，改進后的試驗件漏率值遠小于改進前的試驗件漏率值，通過改進提高了連接密封結(jié)構(gòu)的可靠性。

4.2 試車驗證試驗

為驗證連接密封結(jié)構(gòu)的改進可靠性，生產(chǎn)改進狀態(tài)泵前閥和搖擺軟管參加發(fā)動機熱試車，發(fā)動機裝配時泵前閥和搖擺軟管連接密封結(jié)構(gòu)檢漏一次合格，漏率為10-8Pa·m3/s量級，發(fā)動機試車時泵前閥和搖擺軟管各項參數(shù)正常，發(fā)動機返廠后對連接密封結(jié)構(gòu)進行了檢漏，漏率為10-8Pa·m3/s，滿足設(shè)計文件要求。

連接密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計通過了檢漏試驗和發(fā)動機熱試車考核，證明了改進措施合理有效，也驗證了理論分析的正確性。

5 結(jié)語

通過對連接密封結(jié)構(gòu)泄漏的機理進行分析，確定了連接密封結(jié)構(gòu)的泄漏原因。通過對連接密封結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，解決了連接密封結(jié)構(gòu)檢漏合格率低的難題，并通過了檢漏試驗及發(fā)動機熱試車考核。