□ 閆田田 □ 李振將 □ 張 恬 □ 唐慧慧 □ 郝小龍

北京精密機電控制設(shè)備研究所航天伺服驅(qū)動與傳動技術(shù)實驗室 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)試完成后的長期靜置過程中,為保證燃?xì)獍l(fā)生器能夠正常點火啟動,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),影響其點火可靠性。同時要求膜片兩側(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玻璃黏接式結(jié)構(gòu),其主要問題是可靠性差,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,并開展了仿真分析與試驗研究。

關(guān)于密封爆破膜片,許多專業(yè)人員進(jìn)行了相關(guān)研究。劉國斌等[1]根據(jù)固體火箭發(fā)動機長尾噴管的工作情況,分析了長尾噴管堵蓋的仿真計算及試驗過程,確定了2A12 鋁堵蓋受內(nèi)壓沖擊的打開方案,并且通過SolidWorks有限元軟件靜力分析、VPG/LS-DYNA 顯式動力分析仿真對設(shè)計方案的分析及與試驗方案進(jìn)行對比,表明靜力分析對于堵蓋破裂的裂紋分析不好預(yù)估,而顯式動力分析可較準(zhǔn)確地反應(yīng)堵蓋打開過程,為試驗前的驗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)動機新型噴管堵蓋結(jié)構(gòu),進(jìn)行堵蓋的承壓和打開試驗,并基于顯式動力分析方法,分別建立三維分析模型,對試驗過程進(jìn)行仿真計算。陳守芳[3]提出了液體火箭發(fā)動機喉部堵蓋設(shè)計的一種新思路,并將它與現(xiàn)有火箭發(fā)動機喉部堵蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對比,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)動機噴管硬質(zhì)泡沫塑料堵蓋的設(shè)計方法與試驗過程,某型號發(fā)動機硬質(zhì)泡沫噴管堵蓋打開壓強模擬點火試驗結(jié)果表明,這種硬質(zhì)泡沫噴管堵蓋設(shè)計方案可行,并已在實際中得到應(yīng)用。閆照鋒[5]對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、長度對爆破壓力的影響,同時對平板環(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,通過對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位移曲線和疲勞壽命理論數(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]建立了膜片破裂過程純結(jié)構(gòu)域有限元模型,對膜片破裂過程的動力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行仿真研究,針對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膜片破裂過程的影響。

2 密封爆破膜片設(shè)計

現(xiàn)有粘接式破裂膜片主要結(jié)構(gòu)形式為有機玻璃膜片通過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,對操作要求較高,且粘結(jié)性能的好壞對膜片密封性能與破裂壓力有較大影響,同時粘接膠在長期貯存條件下粘接性能會下降,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、有機玻璃膜片與O形密封圈組成,如圖2所示。膜片通過裝配形式安裝到膜片座上,膜片與膜片座之間采用O形密封圈實現(xiàn)靜密封。膜片正反向爆破壓力通過結(jié)構(gòu)設(shè)計及膜片厚度保證。

▲圖2 密封爆破膜片結(jié)構(gòu)

新設(shè)計的密封爆破膜片材料組成及密封性能要求見表1。

表1 膜片材料組成及密封性能要求

3 仿真分析

為設(shè)計出滿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)見表2、表3。

表2 不同厚度尺寸參數(shù)

表3 有機玻璃特性參數(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,見表5。

表5 仿真結(jié)果對比

▲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)力均大于有機玻璃的剪切強度,密封爆破膜片的破環(huán)形式為剪切破環(huán)。

4 試驗

4.1 密封爆破膜片爆破壓力試驗

為通過試驗測試出密封爆破膜片在正反向爆破壓力,設(shè)計專用工裝,將膜片裝配其中,通過管路接到高壓氮氣瓶,管路中間設(shè)置壓力表和手動調(diào)壓閥,試驗過程中不斷調(diào)節(jié)氮氣瓶出口壓力,直至膜片爆破時,記錄壓力表讀數(shù),統(tǒng)計出膜片爆破壓力,試驗裝置如圖11所示。

▲圖11 爆破壓力試驗裝置

對三種厚度膜片各12件樣品進(jìn)行靜密封試驗,從P1和P2兩個方向分別充入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、不規(guī)則變形、漏氣和破裂等現(xiàn)象。密封檢測合格后,對每組中6件進(jìn)行正向壓力試驗,對另6件進(jìn)行反向壓力試驗。從P1和P2方向向密封裝置充氣,直至膜片破裂或漏氣,記錄破裂或漏氣時的壓力值,三種厚度膜片各12件樣品的試驗均合格。各組膜片試驗結(jié)果見表6,爆破壓力試驗后的密封爆破膜片如圖12所示。從表6可以得出,爆破壓力試驗時密封爆破膜片爆破壓力和仿真時爆破壓力相近,分析得出,仿真結(jié)果和試驗結(jié)果相吻合。

表6 爆破壓力試驗結(jié)果

▲圖12 爆破壓力試驗后密封爆破膜片

4.2 密封爆破膜片浸水浸油試驗

對三種厚度膜片各6件樣品進(jìn)行耐水耐油測試,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件樣品浸水試驗后,氣密試驗均合格,然后將浸水試驗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件樣品浸油試驗后,氣密試驗均合格。將經(jīng)過浸水和浸油試驗的樣品進(jìn)行爆破壓力試驗,爆破壓力見表7。從表7可以看出,浸水浸油對設(shè)計方案的爆破壓力無影響,此方案設(shè)計可以適用油環(huán)境的密封。

表7 浸水浸油后爆破壓力試驗結(jié)果

5 結(jié)束語

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

通過仿真及試驗研究,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)計主要從剪切破壞考慮。

改進(jìn)后的密封爆破膜片經(jīng)過試驗驗證,工藝簡單,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。