范曉雷， 劉兆賓， 賈靜雅， 霍亮， 關(guān)正坤（首都航天機(jī)械公司，北京100076）

0 引言

法蘭密封性對(duì)航天發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能有著重要的影響，螺栓連接是閥門(mén)環(huán)形法蘭結(jié)構(gòu)的最主要連接方式，螺栓法蘭連接的螺栓預(yù)緊力一致性直接影響著墊片及法蘭面的變形，從而影響法蘭的密封性。為了有效控制閥門(mén)環(huán)形螺栓組裝配過(guò)程中產(chǎn)生的預(yù)緊力，分析閥門(mén)螺栓組裝配預(yù)緊力的影響因素，本文設(shè)計(jì)此驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。為閥門(mén)螺栓組裝配工藝優(yōu)化提供有效理論參考和工藝指導(dǎo)，解決目前工程應(yīng)用的相關(guān)問(wèn)題。

1 閥門(mén)環(huán)形螺栓組實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

閥門(mén)環(huán)形螺栓組裝配工藝實(shí)驗(yàn)主要由三個(gè)平臺(tái)組成即：實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、檢測(cè)平臺(tái)和分析平臺(tái)（如圖1所示）。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括工作臺(tái)、實(shí)驗(yàn)工件、法蘭系統(tǒng)等；檢測(cè)平臺(tái)主要是依賴(lài)于預(yù)先設(shè)計(jì)好的閥門(mén)預(yù)緊力多路信號(hào)測(cè)試儀將獲取的預(yù)緊力信號(hào)進(jìn)行分析、處理，以便于實(shí)時(shí)觀測(cè)螺栓預(yù)緊力的變化；分析平臺(tái)即利用MATLAB和EXCEL等軟件分析獲得的閥門(mén)環(huán)形螺栓組預(yù)緊力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?yōu)化閥門(mén)環(huán)形螺栓組裝配工藝。的剛度不受外界剛度的影響，本文采用了法蘭兩側(cè)壓緊的夾緊方案。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，采用力傳感器測(cè)試環(huán)形法蘭螺栓組的預(yù)緊力。力傳感器均布在環(huán)形法蘭的螺栓組分布圓上。為了有效保護(hù)傳感器的磨損和使用精度，在螺栓與力傳感器接觸部分以及上法蘭與力傳感器接觸部分安有環(huán)形墊片。所有力傳感器可以同時(shí)采集環(huán)形法蘭螺栓組的預(yù)緊力信號(hào)，將信號(hào)同步輸送到螺栓預(yù)緊力多路信號(hào)測(cè)試儀當(dāng)中，同步分析、處理和顯示。

圖1 實(shí)驗(yàn)方案框圖

圖2 閥門(mén)環(huán)形螺栓組裝配預(yù)緊力測(cè)試實(shí)驗(yàn)圖

實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖如圖2所示，由支撐平臺(tái)、法蘭卡具、試驗(yàn)工件、墊圈傳感器和螺栓預(yù)緊力測(cè)試儀組成。為了保證法蘭裝配體

2 閥門(mén)環(huán)形螺栓組裝配工藝實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 墊片影響因素的實(shí)驗(yàn)研究

墊片是影響閥門(mén)法蘭裝配工藝螺栓預(yù)緊力控制的重要因素。由于不同墊片的表面粗糙度、強(qiáng)度和剛度不同，導(dǎo)致在承載螺栓預(yù)緊力時(shí)法蘭的變形和應(yīng)力也不盡相同。加之墊片本身固有的壓縮回彈特性，從而導(dǎo)致法蘭表面與螺栓接觸的墊片各點(diǎn)的應(yīng)力不同，壓緊變形也分布不均勻［1］。

圖3 不同墊片螺栓預(yù)緊力趨勢(shì)圖

為了研究不同墊片對(duì)閥門(mén)螺栓組裝配工藝的影響，本文在 20～30 N·m的力矩范圍內(nèi)，對(duì)非金屬墊片、合金鋼墊片和銅合金墊片進(jìn)行了螺栓預(yù)緊力測(cè)量實(shí)驗(yàn)。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)繪制了不同墊片的螺栓預(yù)緊力變化趨勢(shì)圖，如圖3所示。

通過(guò)圖3所示的螺栓預(yù)緊力變化趨勢(shì)可以看出，施加相同的力矩，銅合金墊片、合金鋼墊片和非金屬墊片的螺栓預(yù)緊力逐步降低。由于這三種情況在螺紋副間摩擦基本一致，產(chǎn)生變化的原因是螺栓與墊片接觸表面的摩擦因數(shù)。銅合金墊片、合金鋼墊片和非金屬墊片的表面摩擦因數(shù)依次變大，所以在與螺栓接觸表面的摩擦力與摩擦消耗較大，因此由力矩轉(zhuǎn)化的預(yù)緊力逐步減小。而且非金屬墊片的強(qiáng)度和剛度相對(duì)較弱，當(dāng)超出允許載荷引起墊片的壓潰變形，導(dǎo)致了預(yù)緊力急速下降。由于三組墊片中，銅合金墊片的強(qiáng)度和剛度較高，表面粗糙度較小，而且經(jīng)過(guò)測(cè)試螺栓預(yù)緊力加載曲線線性度相對(duì)較好，因此采用銅墊片作為螺栓預(yù)緊力裝配工藝研究的接觸墊片來(lái)研究。經(jīng)螺栓預(yù)緊后，各墊片的變形如圖4所示。

圖4 經(jīng)螺栓預(yù)緊后墊片變形圖

2.2 潤(rùn)滑條件影響因素的實(shí)驗(yàn)研究

螺栓和法蘭接觸表面的潤(rùn)滑狀態(tài)對(duì)于扭矩控制法的擰緊系數(shù)具有重要影響，因此必須對(duì)閥門(mén)螺栓組裝配的潤(rùn)滑狀態(tài)進(jìn)行控制。通過(guò)公式法測(cè)試獲得有效、可靠的擰緊系數(shù)［2］：

式中：T為擰緊力矩；d為螺紋直徑；F′為預(yù)緊力。

圖5 不同潤(rùn)滑條件扭矩系數(shù)變化趨勢(shì)

本文的潤(rùn)滑條件分為有、無(wú)潤(rùn)滑兩種。有潤(rùn)滑的工況采用高級(jí)性能鋰基脂分別對(duì)螺紋副、墊片接觸區(qū)域等進(jìn)行充分潤(rùn)滑。根據(jù)式（1）得到擰緊系數(shù)繪制擰緊趨勢(shì)圖（圖5）。有潤(rùn)滑條件的擰緊系數(shù)變化趨勢(shì)平穩(wěn)，穩(wěn)定性明顯好于無(wú)潤(rùn)滑的條件。

2.3 擰緊工藝影響因素試驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證裝配順序?qū)﹂y門(mén)螺栓組裝配工藝的影響，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)法對(duì)閥門(mén)環(huán)形螺栓組裝配順序進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)前對(duì)閥門(mén)螺栓組進(jìn)行編號(hào)，間隔安置墊圈力傳感器測(cè)試螺栓預(yù)緊力。多次加載時(shí)，第一遍加載，采用10 N·m的擰緊力矩，根據(jù)螺栓編號(hào)按順序裝配閥門(mén)螺栓；第二遍加載，采用20 N·m的加載力矩。

為了研究螺栓預(yù)緊力的相對(duì)變化量，根據(jù)式（2）采用相對(duì)系數(shù)ξ作為觀察量，繪制不同螺栓預(yù)緊力相對(duì)系數(shù)變化曲線如圖6所示。

式中：xi為組內(nèi)螺栓預(yù)緊力測(cè)試值；x0為組內(nèi)螺栓預(yù)緊力中位數(shù)。

從圖6中可以看出不同加載順序時(shí)，不同螺栓的預(yù)緊力大小變化出現(xiàn)了波動(dòng)。隨著加載次數(shù)的不同，各個(gè)螺栓預(yù)緊力的相對(duì)系數(shù)也隨之變化。對(duì)角加載時(shí)螺栓預(yù)緊力相對(duì)變化量和順序加載的工況下相比，相對(duì)系數(shù)變化范圍較小，同時(shí)加載時(shí)螺栓預(yù)緊力相對(duì)系數(shù)變化的范圍較小。而且第二遍加載對(duì)第一遍加載的預(yù)緊力產(chǎn)生了影響。相對(duì)系數(shù)以“波浪”的形式往返變化，具有隨機(jī)性。對(duì)比分析相對(duì)系數(shù)變化趨勢(shì)與范圍，可以看出順序加載、對(duì)角加載、同時(shí)加載的相對(duì)系數(shù)變化范圍依次減小。

圖6 預(yù)緊力相對(duì)系數(shù)變化曲線

2.4 差方分析法

與切比雪夫法評(píng)估預(yù)測(cè)通過(guò)前面對(duì)相對(duì)系數(shù)的討論與計(jì)算，可以看出螺栓預(yù)緊力相對(duì)系數(shù)對(duì)于衡量螺栓預(yù)緊力變化范圍與波動(dòng)相對(duì)值具有重要影響。因此，我們提取順序擰緊、對(duì)角擰緊、同時(shí)擰緊和一遍加載與兩遍加載的工況下，對(duì)比分析螺栓預(yù)緊力的平均數(shù)與方差值。

由于螺栓預(yù)緊力相對(duì)系數(shù)變化范圍較小，故將相對(duì)系數(shù)放大100倍，采用百倍相對(duì)系數(shù)來(lái)衡量計(jì)算得出的平均值與方差如表1所示。

表1 螺栓預(yù)緊力相對(duì)系數(shù)平均數(shù)和方差計(jì)算表N

通過(guò)表1我們可以看出，不同擰緊順序和擰緊次數(shù)時(shí)，螺栓預(yù)緊力的相對(duì)系數(shù)不一致。平均值相差不明顯。而百倍相對(duì)系數(shù)隨著擰緊順序和擰緊次數(shù)的不同，方差變化明顯。對(duì)角擰緊順序時(shí)的方差小于順序擰緊時(shí)的方差；同時(shí)擰緊時(shí)的方差小于對(duì)角擰緊時(shí)的方差。而隨著擰緊次數(shù)的增加，方差逐步減小，這與圖6中相對(duì)系數(shù)變化范圍趨勢(shì)相一致。在已有的擰緊方式當(dāng)中，同時(shí)兩遍的擰緊方式的相對(duì)系數(shù)方差最小，相對(duì)波動(dòng)范圍也最小。

由于閥門(mén)環(huán)形螺栓組預(yù)緊力控制分布數(shù)學(xué)模型未知，故本文針對(duì)同時(shí)兩遍擰緊的擰緊方式，采用切比雪夫不等式對(duì)螺栓預(yù)緊力控制準(zhǔn)確性進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)估分析［3］。

由切比雪夫不等式：

式中：E（X）為隨機(jī)變量的期望；Var（X）為隨機(jī)變量的方差；ε為任意正數(shù)。

當(dāng)任意正數(shù) ε=kσ（X）（σ（X）為隨機(jī)變量的標(biāo)準(zhǔn)差），則其變形公式為：

取同時(shí)擰緊兩次加載的測(cè)量結(jié)果作為一個(gè)隨機(jī)變量X，則通過(guò)計(jì)算獲得測(cè)量結(jié)果的期望E（X）為12 303 N，方差Var（X）為214 N。針對(duì)同時(shí)二遍加載預(yù)測(cè)預(yù)緊力誤差在5%的范圍內(nèi)即預(yù)緊力的誤差在12 303±615 N，采用切比雪夫不等式預(yù)測(cè)結(jié)果如下：

通過(guò)切比雪夫不等式預(yù)測(cè)，在同時(shí)擰緊、多次擰緊的加載方式下，螺栓預(yù)緊力控制精度在5%的范圍內(nèi)的概率為0.88，相對(duì)于傳統(tǒng)扭矩控制方法，產(chǎn)生了較好的效果。

3 結(jié)論

1）閥門(mén)墊片和潤(rùn)滑條件對(duì)閥門(mén)螺栓組預(yù)緊力的一致性具有重要影響；

2）閥門(mén)螺栓裝配順序是影響閥門(mén)環(huán)形螺栓組預(yù)緊力的控制波動(dòng)的重要因素，合理有效的裝配順序是保證閥門(mén)環(huán)形法蘭預(yù)緊力一致性較好的前提條件；

3）通過(guò)對(duì)順序加載、對(duì)角加載、同時(shí)加載裝配順序進(jìn)行的試驗(yàn)分析得出，對(duì)角加載優(yōu)于順序加載，同時(shí)加載優(yōu)于對(duì)角加載的優(yōu)化方案。

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