液体火箭发动机球面型管路拧紧控制研究

王建武 刘军生 闫明辉

（西安航天发动机厂）

1 引言

在液体火箭发动机总装工艺中，球面型管路连接形式的装配占据相当重要的地位。发动机在工作过程中，其密封性对整个发射的成功与否起到至关重要的作用。因此，保证发动机各系统在工作过程中的密封性具有十分重要的意义，而发动机管路系统的密封性是保证发动机密封性能中最为重要的环节[1]。在管路装配过程中,操作者施加的拧紧力矩转化为夹紧球面和锥面的预紧力，在安装预紧力的作用下,球表面和锥表面相互贴合、相互压缩,逐渐形成接触面，最终达到密封状态。在以往火箭发动机装配中，导管连接处外套螺母的拧紧程度没有明确的量化控制要求，导管装配拧紧程度靠经验丰富的装配工人的经验和责任心来保证。

本文通过大量的试验和理论计算，得出了液体火箭发动机球面型管路连接件转角控制法和力矩控制法两种拧紧控制方法，通过转角控制方程和力矩控制方程实现了对球面型管路连接件的量化精确控制[2]。用有限元方法详细分析了各管路连接件在不同拧紧程度下的应力、应变和位移分布状况。拧紧控制法改进了目前导管拧紧程度靠操作者操作经验保证的现状，将抽象的导管拧紧密封过程具体化，数字定量化，排除了人为因素对产品质量的影响。

2 球面型管路接头密封性能有限元分析

由于球型接头和锥面接管嘴都是围绕管轴线的轴对称结构,故可根据其二维剖面进行建模,选取四节点四边形板单元PLANE182。根据接触分析的原则,以锥面接管嘴作为目标单元、以球型接头为接触单元，分别选取TARGE169单元和CONTA172单元建立一个接触对单元。再以球形接头作为目标单元、以外套螺母为接触单元，分别选取TARGE169单元和CONTA172单元建立另一个接触对单元[3]。

图1 管路连接件耦合体应力分布图

从图1应力分布图可以看出，耦合体应力分布不均匀，有五处应力分布比较大。比较大的应力造成实体较大的位移，而实体内部应力分布不均匀产生较大的应变，也就是实体发生了畸变。下面对耦合体各处应力较大的区域以及应力对实体产生的实际效果做简单的解释[4]。

第一处：配合螺纹前两扣，螺纹前两扣承担螺纹总载荷的95%以上。装配中，螺纹前两扣比其他螺纹磨损较严重。如果外套螺母螺纹表面有镀层，在前两扣螺纹表面镀层会出现比较严重的磨损，露出金属机体本色。在工程中，如果螺纹前两扣有毛刺或其他缺陷，在装配时则容易造成螺纹咬死或烂牙等。因此，发动机导管在装配前对螺纹的检查和清洗应重点放在配合部分前两扣，并做好充分的润滑（螺纹涂油膏）。

第二处：外套螺母退刀槽处应力分布较大，在合力的作用下，退刀槽处产生缩颈现象。

第三处：外套螺母端面内孔边缘受到比较大的压应力作用，来自球型接头的反作用力。在压应力作用下，外套螺母端面发生倾斜，外观上出现端面凸出变形。

第四处：球形接头球头部分受到比较大的压应力作用。外力通过外套螺母对球形接头所做的功有一部分就积聚在球头上，这些积聚在球头上的弹性势能也就是密封作用的源泉，积聚的势能越多，密封效果越好。球形接头位移包括水平位移和轴向位移。水平位移称为内颈收缩量，轴向位移就是拧紧过程中传递到球形接头上的进给量。在较大应力的作用下，球型接头球头部分也发生了比较大的畸变。由于材料弹性区的作用，畸变有回复到原位的趋势，这种复位趋势的强烈程度表示了密封性能的优劣程度。

第五处：在锥面接管嘴密封接触部位有较大压应力分布，在压应力作用下锥面出现下凹现象。实际生产中，装配后分解的导管锥面上都存在周向的均匀压痕，就是在压应力的作用下形成的。

3 转角控制法

根据有限元分析计算，在预紧力的作用下球型接头水平方向发生了位移，即球型接头内径收缩量。技术文件中规定内径收缩量应不大于0.6mm。可以用转角Ф和球型接头内径收缩量Δd建立转角控制方程，以内径收缩量0.6mm为边界条件进行求解，得到转角控制参数。

3.1 转角控制方程

为实现试验的精确测量，制作专用的球头内径收缩量测量量规，如图2所示。量规为有微小锥度的锥形结构，大端和小端直径相差1mm。这样把直径方向的1mm长度转换为轴向的100mm长，测量数值扩大了100倍。试验装置如图3所示，用普通游标卡尺测量球头内径收缩量精度可以达到0.2μm。

图2 球头内径收缩量测量量规

图3 球头内径收缩量测量量规使用原理

球头内径dL：

球头内径收缩量：

进行研究试验，以手动止动点（用手拧不动的位置）为起始点，每拧紧2度采集一组数据（Ф，Δd）。研究试验模拟发动机导管安装状态。对试验数据进行数值分析，用最小二乘法对试验数据进行拟合，得到转角控制方程。

式中“DNX”为管路接头规格，即“通径”。从公式（3）得出：对某一特定导管其转角控制方程为线性关系，随管路接头通径的增加，直线斜率逐渐减小，并且所有直线都通过同一点（0，Ф0）。

以内径收缩量0.6mm为边界条件对转角控制方程进行求解，得到转角控制参数。按以往拧紧控制经验，拧紧转角为2.5个棱方，即150°。做150°控制线。如图4所示，控制线能很好的解释生产实际中的一种常见故障现象：当导管由于某种原因分解再装配时，通经14mm以下的导管内径收缩量基本不出现超差现象，而通经14mm以上的导管经常因为其内径收缩量超过设计文件要求的0.6mm而报废，通径越大越容易出现超差。

3.2 密封起始点位置（0，Ф0）求解

图4 Δd-Ф线性图

根据实验数据，Δd-Ф线性非常明显。从理论上分析，当Ф=0时，Δd=0，直线应该通过原点，在计算机上仿真模拟转角控制方程也是通过坐标原点。但实验数据和曲线显示直线并不会通过原点，在纵坐标上有一段截距（0，Ф0）。这可以解释为：在拧紧开始的一段微小阶段，即横坐标Δd≈0时，曲线纵坐标迅速爬升到了Ф0位置。如图5所示。

根据球形接头-锥面密封部位微观接触状态，手动止动点为图5中的原点，此时，密封面尚未完全压合接触，密封带还没有形成，只在线密封的局部点发生了接触。由于起始阶段预紧力很小，球形接头内径的收缩量很微小，但局部高点接触应力很大，高点不断被压平直至形成密封线。此位置也就是密封的起始点位置，为了与手动止动点区别，称之为机械止动点（0，Ф0）。机械止动点以后由于接触面完全压合，材料进入稳定的变形，Δd-Ф呈显著的线性关系，在手动止动点与机械止动点之间Δd-Ф曲线十分复杂，受影响的因素也很多，曲线爬升斜率很陡。对于这一段Δd-Ф变形关系曲线研究的难度很大，工程研究价值不高，不做研究。因此，拧紧模型简化为通过机械止动点（0，Ф0）的一组直线。

图5 Δd-Ф线性图

图6 微观不平度十点高度

在液体火箭发动机上导管接头上各连接件表面光洁度状态相同，因此密封起始点的位置也都相同。当表面状态发生变化时，转角控制方程曲线沿X轴平移，表面光洁度降低，曲线会逐渐上移。引用表面光洁度参数“RZ”，即微观不平度十点高度：在取样长度t内5个最大的轮廓峰高的平均值与5个最大的轮廓谷深的平均值之和。如图6所示：

式中：ypi——第i个最大的轮廓峰高；

yvi——第i个最大的轮廓谷深；

在管路连接件拧紧过程中，在螺纹（T1），球型接头凸肩（T2）和密封部位（T3）3个接触面，要将接触面T1、T2、T3贴合，则沿图2轴向的所有位移μ：

即外套螺母轴向拧进的位移量为44.619μm，由于外套螺母螺距为1.5mm，通过计算可以求出外套螺母机械止动点的角度Ф0：

3.3 转角控制参数求解

将公式（5）和边界条件代入转角控制方程，求解得到60°球面形管路连接件各种规格管路接头配合体的转角控制参数，见表1：

表1 转角控制参数

4 力矩控制法

4.1 力矩控制方程

从手动止动点开始，以外套螺母每转动2度为步长，采集一组试验数据（T，Ф）。根据采集数据绘制相应的T-Ф（拧紧力矩-转动角度）曲线，如图7所示。进行数值分析，用最小二乘法对试验数据进行拟合，得到力矩控制方程：

图7 T-Ф均值线图

4.2 力矩控制参数

以转角控制参数为边界条件代入相应规格管路力矩控制方程进行求解，得出力矩控制参数。

边界条件：

求解得到表2力矩控制参数：

表2 力矩控制参数

5 导管装配紧度对拧紧控制的影响

图8 导管的装配紧度

实际生产中的导管在安装时由于导管锉修误差、焊接变形、液气压试验以及应力释放等原因都存在一定的装配紧度。装配紧度包括水平紧度、偏斜紧度和垂直紧度，如图8所示。各种紧度都会增加装配的应力，因此对拧紧力矩的影响较大，而且情况复杂，对力矩控制法的修正难度很大。但对于转角控制法，可以通过装配紧度系数加以修正。

5.1 导管装配紧度修正系数

装配紧度修正系数：

其中，B：垂直紧度；P：外套螺母螺距（通径4为1.25mm，其余均 1.5mm）；C：偏写紧度C＝N-P。

5.2 含装配紧度修正系数的转角控制方程

导管在最初的拧紧中，外套螺母的进给主要用来修正导管安装紧度，使球头与接管嘴达到同轴后再逐步达到密封的状态。导管的装配可以认为是在无装配紧度状态下迭加了一个装配紧度修正过程。这两个过程相互影响，耦合在同一个拧紧过程中。

5 摩擦与润滑对导管装配拧紧的影响

摩擦对于管路的拧紧控制影响非常大，要在工程中应用就必须对摩擦的影响进行深入的研究。密封接触部位的摩擦对密封的接触状态，密封性能以及实体结构内部的应力、应变和位移分布状况有很大的影响。下面，本文以6YC、14YC、22YC、25YC的管接头为例，研究在ANSYA平台不同摩擦系数的接触状态比较。

5.1 摩擦对接触体位移的影响

图9 接触体水平位移（摩擦系数：MU=0.1）

图中水平位移包括正、负值，正值沿水平方向向右，红色区域为水平向右的最大位移区，表示接管嘴的轴向扩张量，与内径收缩量相反，本文称为内径扩张量。而颜色越向兰色区域靠近，表示水平位移向左的量越大，为负值，最大值即为球形接头内径收缩量。为研究方便，将最大负位移和最大正向位移分别称为球形接头内径收缩量和锥面接管嘴内径扩张量，简称为内径收缩量和内径扩张量。另外，图中左上角“DMX”表示在加载0.5mm位移条件下，整个实体单元的最大位移，发生在球形接头凸肩下表面外边沿位置，说明在加载后球形接头在垂直平面内发生了逆时针旋转，其大小反映了在垂直平面内的旋转量。将这几项重要的变形参数在不同摩擦系数条件下的变化进行比较。从表3可以看出有两个明显特征。首先：随着摩擦系数的增加，接触模型实体的位移量都在减小，包括内径收缩量、内径扩张量和最大位移DMX。可见，由于摩擦系数的增加，接触体（球形接头）的实际轴向进给量减小，相对拧紧程度不断降低，使密封性能减小。其次，在相同位移加载条件下，规格越大的管接头刚性越差，实体的内径收缩量、内径扩张量和最大位移DMX急剧增加，这也限制了外套螺母的拧紧限度。

5.2 摩擦对接触体摩擦应力的影响

起密封作用的应力是沿接触表面的法向压应力，压应力越大，密封性能越好。摩擦应力由于是沿接触面的切线方向，因此对密封性能没有贡献。相反，大的摩擦应力对密封危害也不可忽视，过大的摩擦应力会造成密封接触面在相对滑动中划伤密封面，造成泄露通道，导致泄露，使密封性能失效。因此，应充分润滑，减小摩擦应力。

表4为不同规格的管路接头在不同摩擦系数接触状态下的摩擦应力分布状况。可以看出，摩擦系数越大，摩擦应力也急剧的增加。当摩擦系数为零时，摩擦应力也为零，这是一种理想状态，不可能达到，但可以采取润滑的方法减小摩擦应力。根据资料钢与钢接触表面的摩擦系数在0.3左右，从表4可以看出此时的摩擦应力已经很大。但若在接触面上涂薄薄一层T221油膏，摩擦系数会降低到0.02～0.05，摩擦应力也降低到不涂油膏时的3%，这是非常可观的。所以导管在装配前应在球形接头上涂薄薄一层油膏，密封效果可以明显得到改善，而且，还避免了滑动接触区在相对滑动中划伤接触面。

表3 位移参数比较

表4 摩擦应力比较

图10 接触体摩擦应力（摩擦系数：MU=0.1）

表5 滑动距离比较

图11 接触体滑动距离（摩擦系数：MU=0.1）

5.3 摩擦对接触体接触滑动距离的影响

从表5可以看出，随着摩擦系数的增加，接触滑动距离明显减小，即滑动摩擦阻力阻碍了球形接头向前的运动。导管的可靠安装就是要将球形接头在外套螺母的拧紧力矩作用下向前运动到某一最佳位置，以起到可靠密封的作用。前文转角控制法根据边界条件确定了外套螺母的转动角度，即球形接头的位置也已间接得到了限定。因此，在拧紧进给量固定的情况下，影响球形接头位置的最重要因素就是摩擦系数。否则，如果没有润滑，摩擦系数会给导管的装配拧紧造成一种错误的假象，发动机装配可靠性降低。

6 结束语

本文通过工程实验，用有限元方法详细计算分析了不同规格管路连接件在不同拧紧程度下的应力、应变和位移分布状况。进行严密的理论计算，得出了液体火箭发动机球面型管路连接件力矩控制法和转角控制法两种拧紧控制方法，通过力矩控制方程和转角控制方程实现了对球面型管路连接件的量化精确控制，排除了人为因素对发动机导管装配质量的影响。为了达到在工程中应用，还量化分析了导管装配紧度以及摩擦与润滑对导管装配拧紧的影响。 ◇

［1］徐灏等.机械设计手册.机械工业出版社［M］.

［2］朱宁昌等.液体火箭发动机设计.宇航出版社，1987年8月.

［3］曾攀.有限元分析及应用［M］.清华大学出版社.

［4］王瑁成，邵敏.有限元法基本原理和数值方法.清华大学出版社，1997.