雷 征，劉志讓，陳建華，付 平

（1.西安航天動(dòng)力研究所，陜西西安710100；2.航天推進(jìn)技術(shù)研究院，陜西西安710100）

0 引言

液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上的密封結(jié)構(gòu)必須滿足在工作條件下密封無泄漏、結(jié)構(gòu)可靠、質(zhì)量小、裝卸方便、制造成本低、互換性好和能夠多次使用等要求[1]。同時(shí)，在整個(gè)任務(wù)周期內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)上的密封結(jié)構(gòu)還應(yīng)始終保持高可靠、零泄漏、不失效的良好工作狀態(tài)。一旦發(fā)生密封失效，就會(huì)因泄漏造成比沖損失，引起發(fā)動(dòng)機(jī)性能降低，同時(shí)還伴隨著火和爆炸的危險(xiǎn)[2-3]。因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)總裝設(shè)計(jì)中必須重視管路密封技術(shù)的研究。

1 200 kN高壓補(bǔ)燃液氧/煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是為我國(guó)新一代運(yùn)載火箭研制的高性能發(fā)動(dòng)機(jī)，采用了先進(jìn)的補(bǔ)燃循環(huán)技術(shù)。發(fā)動(dòng)機(jī)以液氧/煤油為工質(zhì)，工作環(huán)境覆蓋了高壓、低溫和富氧燃?xì)?。工作狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室室壓高達(dá)18 MPa，管路系統(tǒng)最高壓力60 MPa，溫度-180～400℃，工作條件惡劣，密封條件苛刻。通過在靜密封中引入Э形密封、K形密封、碟形密封及軟金屬密封結(jié)構(gòu)，成功解決了低溫液氧管路和富氧燃?xì)夤苈返拿芊怆y題。

高壓補(bǔ)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中的彈性金屬密封結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)、加工、裝配過程中涉及多項(xiàng)技術(shù)要點(diǎn)。為保障密封效果和提高密封可靠性，需要從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、預(yù)緊載荷及加工工藝等方面進(jìn)行嚴(yán)格控制。

1 彈性金屬密封的彈塑性密封機(jī)理

機(jī)加工得到的密封面是粗糙表面，有一定程度的微觀凸峰和凹谷[4]，如圖1所示。

圖1 密封面微觀形貌Fig.1 Microstructure of sealing surface

從微觀角度出發(fā)，考慮材料的彈塑性變形過程，闡述了彈性金屬密封的微觀密封機(jī)理。

1.1 裝配狀態(tài)

圖2所示為密封接觸面彈塑性密封過程[5-6]。

開始預(yù)緊時(shí)，密封環(huán)與緊固件的密封面實(shí)現(xiàn)初始接觸，并產(chǎn)生一定的壓緊應(yīng)力。從表觀上看，密封環(huán)與緊固件的表面已經(jīng)緊密貼合，具備了一定的密封能力，但由于密封面存在一定的表面粗糙度，實(shí)際上接觸只發(fā)生在一些凸峰處，接觸面大部分仍處于分離狀態(tài)，如圖2(a)所示。

隨著預(yù)緊載荷的增大，密封上已經(jīng)接觸的凸峰處應(yīng)力迅速增加，局部發(fā)生屈服，材料產(chǎn)生塑性流動(dòng)，開始填補(bǔ)密封表面的凹凸不平。需要注意的是，此時(shí)密封面大部分仍然沒有發(fā)生接觸，間隙較大，只是在局部形成了初始密封，如圖2(b)所示。

當(dāng)預(yù)緊載荷繼續(xù)增加時(shí)，密封面上發(fā)生塑性變形的材料開始硬化，應(yīng)力增加甚微。同時(shí)，接觸面積迅速增大，密封面間的凸峰和凹谷相互穿插、嵌合，微觀間隙逐漸減小直至密封面吻合，進(jìn)入正常密封階段，如圖2(c)所示。

形成正常密封后，預(yù)緊過程仍未結(jié)束。在預(yù)緊載荷作用下，密封面上塑性變形區(qū)域擴(kuò)展，結(jié)構(gòu)整體彈性變形增大，具備了一定的回彈能力。

圖2 密封接觸面彈塑性密封過程Fig.2 Elastic-plastic sealing process on contact surface

1.2 工作狀態(tài)

在工作狀態(tài)下，介質(zhì)的壓力作用使密封接觸面出現(xiàn)分離趨勢(shì)，密封接觸面上的壓緊應(yīng)力開始減小。在這種趨勢(shì)下，密封結(jié)構(gòu)中的回彈力逐漸減小，用以補(bǔ)償介質(zhì)壓力引起的密封接觸面之間的軸向位移。

由于密封表面應(yīng)力分布的不均勻性，裝配狀態(tài)下密封面上受力較小的凸峰和凹谷處仍處于彈性狀態(tài)。進(jìn)入工作狀態(tài)后，這部分彈性變形將會(huì)隨著密封面上壓緊應(yīng)力的減小而恢復(fù)，一部分微觀間隙會(huì)重新出現(xiàn)，有可能產(chǎn)生泄漏。

2 低溫液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)彈性金屬密封發(fā)展歷程

彈性金屬密封的應(yīng)用歷史可追溯到第二次世界大戰(zhàn)之前，當(dāng)時(shí)金屬平墊密封已經(jīng)在可拆卸密封裝置中被廣泛使用，但是由于金屬平墊密封等強(qiáng)制型密封結(jié)構(gòu)的回彈能力有限，不適用于深冷、高溫、高壓、振動(dòng)等特殊密封環(huán)境，后來出現(xiàn)了自緊式彈性金屬密封，并迅速在航空航天領(lǐng)域獲得了成功應(yīng)用。

20世紀(jì)60年代，美國(guó)在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上研發(fā)了形式多樣的彈性金屬密封結(jié)構(gòu)，如表1所示。表中的幾種密封結(jié)構(gòu)均為自緊式密封，適用于-252～527℃的密封環(huán)境，與LOX及N2O4相容性好，密封結(jié)構(gòu)緊湊，配套螺栓法蘭結(jié)構(gòu)質(zhì)量小，并且具有一定的軸向位移補(bǔ)償作用。

表1 美國(guó)低溫液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中的彈性金屬密封Tab.1 EMSs in cryogenic rocket engines in America

由于這些彈性金屬密封可靠性高，安裝使用方便，在美國(guó)的低溫液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)靜密封中被廣泛使用。HASKEL，SKINNER，DELTAU E等彈性金屬密封已成功應(yīng)用于美國(guó)航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)（SSME） 管路密封[7]，NAFLEX彈性金屬密封則已成功應(yīng)用于土星5和戰(zhàn)神1運(yùn)載火箭的推進(jìn)劑貯箱密封及航天飛機(jī)的外掛貯箱密封[8-9]。

20世紀(jì)70年代前后，俄羅斯（前蘇聯(lián)）依托液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的研制，開發(fā)了大量彈性金屬密封結(jié)構(gòu)，并將其成功應(yīng)用于多個(gè)型號(hào)的液氧/煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)管路密封。動(dòng)力機(jī)械科研生產(chǎn)聯(lián)合體于1975年開始研制的RD-120液氧/煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在研制階段單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)最多連續(xù)進(jìn)行過11次試車，每次試車只需更換點(diǎn)火導(dǎo)管和進(jìn)行局部氣密性檢查，不需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行拆卸檢查，重要原因之一就是采用了密封可靠性非常高的彈性金屬密封結(jié)構(gòu)。在后續(xù)RD-170，RD-180和RD-191等液氧/煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研制過程中，繼續(xù)采用了大量彈性金屬密封結(jié)構(gòu)。在幾十年的研發(fā)歷程中，俄羅斯（前蘇聯(lián)）在彈性金屬密封技術(shù)方面申請(qǐng)了大量專利，圖3(a)～(c)所示為3種已申請(qǐng)專利的彈性金屬密封結(jié)構(gòu)[10-12]。

圖3 俄羅斯(前蘇聯(lián))液氧/煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中的彈性金屬密封Fig.3 EMSs in LOX/kerosene rocket engines in Russia

我國(guó)低溫液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)彈性金屬密封技術(shù)的研究始于20世紀(jì)90年代，由西安航天動(dòng)力研究所在國(guó)內(nèi)率先開展。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前已開發(fā)出了多種設(shè)計(jì)獨(dú)特、形式新穎、特點(diǎn)突出、性能優(yōu)良的彈性金屬密封結(jié)構(gòu)，包括Э形彈性金屬密封、K形彈性金屬密封和碟形彈性金屬密封等，如表2所示[1]。這些彈性金屬密封結(jié)構(gòu)在高壓補(bǔ)燃液氧/煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)管路密封中發(fā)揮了重要作用。

表2 我國(guó)高壓補(bǔ)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中的特型金屬密封Tab.2 Unique elastic metal seals(UEMS)in staged combustion engines in China

3 高壓補(bǔ)燃發(fā)動(dòng)機(jī)管路密封中的彈性金屬密封

高壓補(bǔ)燃發(fā)動(dòng)機(jī)具有一次總裝，多次試車的能力。發(fā)動(dòng)機(jī)之所以能夠達(dá)到如此高的可靠性，主要原因是在發(fā)動(dòng)機(jī)液氧管路和燃?xì)夤苈访芊庵胁捎昧帅啃蚊芊?、K形密封、碟形密封和軟金屬密封等新型彈性金屬密封結(jié)構(gòu)。這些彈性金屬密封結(jié)構(gòu)經(jīng)過試驗(yàn)和發(fā)動(dòng)機(jī)試車考核，表現(xiàn)出良好的密封性能、抗振性能和較高的可靠性，有效解決了發(fā)動(dòng)機(jī)高壓及高、低溫帶來的管路密封難題。

3.1 Э形密封

Э形彈性金屬密封是一種雙自緊式密封結(jié)構(gòu)，因密封環(huán)截面形狀類似俄文字母Э而得名。Э形環(huán)表面鍍有軟金屬涂層，預(yù)緊時(shí)能夠填補(bǔ)密封面上的凹凸不平，提高密封效果。Э形密封緊固件包含凹球面法蘭、凸球面法蘭和緊固螺栓等，具有一定的裝配偏差補(bǔ)償作用。這種密封結(jié)構(gòu)通常用于高壓補(bǔ)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中的大通徑高壓液氧管路密封。

基于ABAQUS/Standard對(duì)Э形密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了非線性有限元仿真分析[13-14]，得到了預(yù)緊狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的Von-Mises應(yīng)力云圖和等效塑性應(yīng)變?cè)茍D，如圖4所示。

結(jié)合仿真云圖分析可知：

1）Э形密封采用了冗余設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)中共有4道密封面，內(nèi)、外各2道。其中，A處為強(qiáng)制密封面；B，C，D三處為自緊密封面；C處密封面同時(shí)具備密封功能和裝配定位功能。

2）Э形密封環(huán)分別與凸球面法蘭和凹球面法蘭形成線接觸，產(chǎn)生一定的壓緊應(yīng)力。C處壓緊應(yīng)力和塑性變形最大；A處壓緊應(yīng)力居中，僅有微量塑性變形；B處和D處壓緊應(yīng)力最小，未出現(xiàn)塑性變形。

3） 在工作狀態(tài)下，介質(zhì)首先填充B和C之間的V形凹腔，產(chǎn)生壓力自緊效應(yīng)。如果C處密封失效，則介質(zhì)進(jìn)入C和D之間的凹腔，依靠B和D形成二次自緊密封。

圖4 Э形密封Mises應(yīng)力及等效塑性應(yīng)變?cè)茍DFig.4 Mises stress and PEEQ distribution of Э-type seal

3.2 K形密封

K形彈性金屬密封又稱自緊式K形金屬密封[15]，是一種部分自緊式密封結(jié)構(gòu)，通常由凸球面接頭、凹球面接頭、外套螺母、球面墊圈、擋圈以及K形密封環(huán)組成，多用于高壓補(bǔ)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中的小直徑低壓液氧管路密封。

預(yù)緊狀態(tài)下K形密封的Von-Mises應(yīng)力云圖和等效塑性應(yīng)變?cè)茍D如圖5所示。

圖5 K形密封應(yīng)力及等效塑性應(yīng)變?cè)茍DFig.5 Stress and PEEQ distribution of K-type seal

結(jié)合仿真云圖分析可知：

1） K形密封結(jié)構(gòu)中有4道密封面，內(nèi)、外各兩道，提高了密封效果。其中，B和C處為自緊密封面，A和D處為強(qiáng)制密封面，D處密封面同時(shí)具有裝配定位功能。

2）預(yù)緊后K形密封環(huán)與凹接頭和凸接頭形成了4處接觸。A處、B處和C處為線接觸，D處為面接觸。B處的壓緊應(yīng)力最大，產(chǎn)生了最大的塑性變形；C處壓緊應(yīng)力次之，塑性變形較??；A處壓緊應(yīng)力較小，只有微量塑性變形；D處壓緊應(yīng)力最小，僅有彈性變形。

3） 在裝配狀態(tài)下，當(dāng)介質(zhì)填充B和C之間的V形凹腔后，凹腔內(nèi)壁面受到介質(zhì)壓力作用，產(chǎn)生一定的自緊密封效果。介質(zhì)壓力越大，自緊密封效果越明顯。

3.3 碟形密封

碟形彈性金屬密封是一種強(qiáng)制型密封，因其截面形狀酷似碟形彈簧而得名。這種密封結(jié)構(gòu)既能用于低溫管路密封，也能用于高溫管路密封，在高壓補(bǔ)燃發(fā)動(dòng)機(jī)液氧管路及燃?xì)夤苈访芊庵腥〉昧肆己玫氖褂眯Ч?。碟形金屬密封緊固形式的選擇一般遵循以下原則：管路直徑較大時(shí)多采用螺栓-法蘭連接，管徑較小時(shí)則采用接管嘴-管接頭-外套螺母連接。

預(yù)緊狀態(tài)下碟形密封的仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 碟形密封Mises應(yīng)力及等效塑性應(yīng)變?cè)茍DFig.6 Mises stress and PEEQ distribution of dish-type seal

結(jié)合仿真云圖分析可知：

1）碟形環(huán)內(nèi)外兩側(cè)各存在一個(gè)倒角，倒角兩側(cè)各產(chǎn)生一道密封，因而密封結(jié)構(gòu)中總共形成了4道強(qiáng)制密封面。

2）預(yù)緊力作用后，同時(shí)產(chǎn)生了軸向壓緊應(yīng)力和徑向壓緊應(yīng)力。碟形密封環(huán)的4道密封面均產(chǎn)生塑性變形。

3） 由PEEQ云圖可以發(fā)現(xiàn)，碟形環(huán)在預(yù)緊過程中發(fā)生了S形變形，整體塑性應(yīng)變較大，使得密封環(huán)回彈能力降低。

3.4 軟金屬密封

軟金屬密封是一種強(qiáng)制型密封結(jié)構(gòu)，通常由凹臺(tái)階接頭、凸臺(tái)階接頭和軟金屬墊片組成，通過外套螺母連接并壓緊。這種密封結(jié)構(gòu)溫度適用范圍較廣、抗振性能好，可以在-182℃的低溫和500℃的高溫條件下正常工作，已成功應(yīng)用于高壓補(bǔ)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓氣路和高壓液路密封[16]。

預(yù)緊狀態(tài)及工作狀態(tài)下軟金屬密封的仿真結(jié)果如圖7所示[17]。

圖7 軟金屬密封應(yīng)力云圖[17]Fig.7 Stress distribution of soft metal seal[17]

結(jié)合仿真云圖分析可知：

1）密封墊軸向壓緊應(yīng)力較大，在V槽附近區(qū)域也產(chǎn)生了接觸作用，有效增加了接觸面積。接觸面積增加后，可以增大流體泄漏的沿程阻力，提高密封效果。

2） 軟金屬密封墊局部已經(jīng)屈服，材料塑性流動(dòng)后填充凹凸接頭上的V形槽，在A、B處形成了兩道強(qiáng)制密封面。

3） 凹、凸接頭上配合面較長(zhǎng)，在預(yù)緊過程中具有裝配導(dǎo)向作用，可以防止由裝配偏差引起的密封墊受力不均，消除裝配因素對(duì)密封性能的影響。

4）預(yù)緊后軟金屬密封墊的塑性變形較大，回彈能力有限，不適用于高壓、大直徑管路密封。

4 高壓補(bǔ)燃發(fā)動(dòng)機(jī)彈性金屬密封技術(shù)要點(diǎn)

高壓補(bǔ)燃發(fā)動(dòng)機(jī)彈性金屬密封的設(shè)計(jì)、選材、加工制造和裝配等涉及許多技術(shù)要點(diǎn)，這里主要從密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、密封材料選擇、加工工藝和預(yù)緊力控制等方面進(jìn)行探討。

4.1 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一般要求高壓補(bǔ)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中的彈性金屬密封在整個(gè)任務(wù)周期內(nèi)密封可靠，并且能夠克服振動(dòng)、熱載荷、內(nèi)壓載荷等的影響。因此，在進(jìn)行密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮緊固形式的選取、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)剛度、密封性能和介質(zhì)壓力的影響等方面的問題[3]。

4.1.1 緊固形式選擇

螺栓-法蘭連接和外套螺母-凹凸接頭連接是高壓補(bǔ)燃發(fā)動(dòng)機(jī)彈性金屬密封結(jié)構(gòu)采用的兩種典型緊固形式。一般地，管徑和預(yù)緊力較大時(shí)多采用螺栓-法蘭連接，管徑和預(yù)緊力較小時(shí)多采用外套螺母-凹凸接頭連接。

4.1.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題

首先應(yīng)根據(jù)密封要求確定預(yù)緊載荷的大小，然后校核分析螺栓和法蘭強(qiáng)度，并對(duì)密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)，使其滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的熱環(huán)境容易使螺栓屈服，因此螺栓安全系數(shù)要相對(duì)較高，一般取螺栓安全系數(shù)ns≥4。另外，緊固件應(yīng)盡量選用球面支承面螺栓、球面支承面螺母和球面墊圈，以減小裝配偏斜后螺栓所受的彎曲應(yīng)力。

4.1.3 結(jié)構(gòu)剛度問題

發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，彈性金屬密封結(jié)構(gòu)要能承受熱載荷和外力載荷等附加載荷的作用，避免法蘭發(fā)生變形和撓曲。解決彎曲變形的方法是通過合理的設(shè)計(jì)計(jì)算與分析確定合適的法蘭厚度及螺栓數(shù)量。解決撓曲問題的思路有兩種：一是提高法蘭剛度；二是采用高彈性密封元件。當(dāng)采用高彈性密封元件時(shí)，允許法蘭出現(xiàn)一定程度的撓曲。

4.1.4 密封性能問題

在裝配狀態(tài)和工作狀態(tài)下，應(yīng)當(dāng)保證密封接觸面具有足夠的密封比壓和密封接觸面積，確保在整個(gè)任務(wù)周期內(nèi)密封無泄漏或泄漏量在允許的范圍內(nèi)。

4.1.5 介質(zhì)壓力的影響

介質(zhì)壓力是一種分離載荷，會(huì)明顯削弱密封效果。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要充分利用介質(zhì)的壓力作用，將密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成壓力自緊式，使其能夠在一定范圍內(nèi)根據(jù)密封環(huán)境的變化進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，保證密封面上始終具有足夠的密封比壓和密封接觸面積。

4.2 結(jié)構(gòu)材料選擇

高壓補(bǔ)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中的彈性金屬密封結(jié)構(gòu)工作在高壓、高溫或深冷的氧化性密封環(huán)境，在選擇結(jié)構(gòu)材料時(shí)要進(jìn)行特殊考慮[3]。

1） 要考慮密封環(huán)境的溫度、壓力和密封介質(zhì)的物化特性，所選材料必須與密封介質(zhì)具有良好的相容性。比如用于高溫富氧燃?xì)饴返牟牧?，必須具有良好的耐高溫、抗氧化及抗腐蝕性能。

2） 要考慮材料的硬度、強(qiáng)度、彈塑性和沖擊韌性等。例如密封結(jié)構(gòu)中的緊固件要選用高屈強(qiáng)比材料，并且要求螺栓硬度通常要比螺母高30 HB。

3） 密封結(jié)構(gòu)材料盡量選用低線膨脹系數(shù)的高強(qiáng)不銹鋼或高溫合金，例如燃?xì)夤苈纺程幨褂玫腉H3044高溫合金，在20～400℃的平均熱膨脹系數(shù)為1.31×10-6/℃。同時(shí)，要求緊固件和密封環(huán)的線膨脹系數(shù)不能相差太大[18]。

4） 對(duì)于有軟金屬鍍層的彈性金屬密封環(huán)，需要在基體材料和鍍層材料的選擇上進(jìn)行綜合考慮?；w材料一般要求具有較低的熱膨脹系數(shù)、良好的抗蠕變及抗應(yīng)力松弛性能，常選用普通不銹鋼、高強(qiáng)不銹鋼和高溫合金。例如，在高溫燃?xì)夤苈?，使用了GH3044等高溫合金材料；在低溫液氧管路，使用了多種高強(qiáng)不銹鋼材料。鍍層材料通常要有較高的線膨脹系數(shù)以及良好的延展性、抗腐蝕性、耐溫性能，同時(shí)要與密封介質(zhì)相容，多選用金、銀、銅、鎳、銦、鉛、錫等材料[19]。需要注意的是，銅鍍層的穩(wěn)定性較差，一般用作底鍍層；銀鍍層的穩(wěn)定性好，多用作功能性鍍層?？傚儗雍穸纫话憧刂圃?0～80 mm。

4.3 預(yù)緊載荷控制

在高壓補(bǔ)燃發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過程中，曾經(jīng)出現(xiàn)過螺栓彎曲和法蘭壓潰等問題，螺栓屈服現(xiàn)象也時(shí)有發(fā)生。分析發(fā)現(xiàn)，這些問題主要是由于預(yù)緊載荷誤差過大以及載荷施加方式不當(dāng)所致。因此，需要對(duì)載荷的大小和載荷施加的均勻度進(jìn)行控制。

4.3.1 載荷大小控制

正確測(cè)定結(jié)構(gòu)中摩擦系數(shù)的大小是控制預(yù)緊載荷大小的關(guān)鍵。一般地，預(yù)緊過程中所施加的擰緊力矩有約90%被摩擦力所消耗（螺栓頭下的摩擦力占50%，螺紋副的摩擦力占40%），只有10%左右被轉(zhuǎn)換為軸向夾緊力[19]，摩擦系數(shù)的大小直接決定擰緊力矩轉(zhuǎn)換為軸向力的百分比。在實(shí)際應(yīng)用中，要避免螺紋副中含有雜質(zhì)或出現(xiàn)磕碰，同時(shí)采取潤(rùn)滑措施，減小結(jié)構(gòu)中的消極摩擦。

合理的預(yù)緊方法是控制載荷預(yù)緊載荷大小的重要環(huán)節(jié)。當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)裝配中采用的扭矩控制法偏差較大，高達(dá)±50%左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了±10%的預(yù)緊力偏差控制要求。建議采用扭矩-轉(zhuǎn)角控制法或屈服點(diǎn)控制法，可分別將預(yù)緊力偏差控制在±15%及±8%以內(nèi)。

另外，應(yīng)當(dāng)定期校核擰緊工具的精度，在裝配過程中避免緊固件的重復(fù)使用，等等，都有益于預(yù)緊載荷大小的控制。

4.3.2 載荷均勻度控制

采用小直徑的高強(qiáng)度螺栓，可減小螺栓間距，使預(yù)緊力分布更加均勻。預(yù)緊時(shí)采取固定螺母、旋動(dòng)螺栓頭的方法可避免螺栓彎曲引起的載荷分布不均，使預(yù)緊效果更好。預(yù)緊過程中采用“三角擰緊法”比“對(duì)角擰緊法”效果更好，可以使作用在密封環(huán)上的壓緊應(yīng)力更均勻。

4.4 加工制造工藝

彈性金屬密封結(jié)構(gòu)通常要經(jīng)過機(jī)加工、研磨、清洗、熱處理、電鍍和退火處理等工序。在選擇加工工藝時(shí)，必須保證加工出來的密封件幾何尺寸均勻一致，法蘭表面加工光潔，密封接觸面不能有加工臺(tái)階、刀具碰傷、劃痕、材料裂紋和凹坑等缺陷[2]。目前常用的機(jī)加工方法有機(jī)械旋壓法和機(jī)械切削法兩種。旋壓法加工出來的密封件具有最佳晶粒方向，承壓能力強(qiáng)，加工效率高、成本低，適合于批量生產(chǎn)。機(jī)械切削法在加工過程中的不連續(xù)性會(huì)導(dǎo)致材料橫向應(yīng)力增大，并且會(huì)帶來應(yīng)力集中問題，密封件在高壓下易發(fā)生應(yīng)力腐蝕[20]。

在密封結(jié)構(gòu)的加工及制造過程中，需要特別注意以下問題：

1） 緊固件表面粗糙度一般控制在1.6 μm左右，有時(shí)甚至要求不低于0.4～0.8 μm，需采用專門的成形刀具。

2） 在熱處理過程中，螺栓、螺母要采用不同的熱處理工藝，使其具有不同的硬度，防止裝配過程中出現(xiàn)咬死或膠合。

3） 軟金屬鍍層的粘附性要好，防止在裝配過程中出現(xiàn)掉渣或脫落。

4） 嚴(yán)格控制軟金屬鍍層厚度，尤其是密封面處的鍍層厚度。

5 結(jié)束語

彈性金屬密封技術(shù)是高壓補(bǔ)燃發(fā)動(dòng)機(jī)管路密封中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。在發(fā)動(dòng)機(jī)靜密封中應(yīng)用Э形密封、K形密封、碟形密封和軟金屬密封等設(shè)計(jì)獨(dú)特、形式新穎、特點(diǎn)突出、性能優(yōu)良的彈性金屬密封之后，成功解決了發(fā)動(dòng)機(jī)低溫液氧管路及高溫燃?xì)夤苈返拿芊怆y題，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性。

從當(dāng)前的理論研究及工程應(yīng)用現(xiàn)狀來看，高壓補(bǔ)燃發(fā)動(dòng)機(jī)彈性金屬密封技術(shù)研究中仍然存在許多迫切需要解決的問題。例如，對(duì)于預(yù)緊力的量化控制研究亟待開展，對(duì)于密封過程和密封機(jī)理的認(rèn)識(shí)需要繼續(xù)深入，等等。鑒于條件和資源的限制，建議首先開展下述研究工作：

1） 加強(qiáng)彈性金屬密封的基礎(chǔ)理論研究。彈塑性密封機(jī)理僅從材料彈塑性變形角度闡釋了密封機(jī)理，不能完整地描述密封作用過程，有待進(jìn)一步發(fā)展和完善。密封性能評(píng)價(jià)機(jī)制尚不成熟，沒有準(zhǔn)確、系統(tǒng)、可靠的密封判據(jù)，需要進(jìn)一步研究探索。

2）完善彈性金屬密封的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)性設(shè)計(jì)方法效率偏低，結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)周期長(zhǎng)，研發(fā)成本高，不利于新型彈性金屬密封結(jié)構(gòu)的開發(fā)。目前亟需發(fā)展“設(shè)計(jì)-分析-優(yōu)化”的一體化設(shè)計(jì)方案，以提高產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)效率，縮短研制周期，降低研發(fā)成本。

3） 開展彈性金屬密封的預(yù)緊力偏差設(shè)計(jì)研究。當(dāng)前工程中采用的預(yù)緊力計(jì)算方法過于簡(jiǎn)單，預(yù)緊力偏差設(shè)計(jì)所需要的密封比壓、摩擦系數(shù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)嚴(yán)重匱乏，需要開展專項(xiàng)試驗(yàn)研究工作，針對(duì)不同材料及密封結(jié)構(gòu)建立全面、準(zhǔn)確、可靠的預(yù)緊力偏差設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫。

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