陳偉張敬兵陳瑤楊曉彬趙威王程

(1.中國人民解放軍73841部隊,江蘇 南京210003；2.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南京210094；3.南京軍區(qū)聯(lián)勤部信息中心,江蘇南京210016；4.中國人民解放軍75250部隊,廣東 廣州510800；5.中國人民解放軍94860部隊,江蘇 南京210049)

0 引言

某試驗裝置為了獲得試驗載體的高過載加速度，采用與火炮發(fā)射過程相同的工作原理，因而在工作時膛內(nèi)火藥氣體壓力高達(dá)500 MPa，溫度達(dá)到3000℃。同時試驗裝置要求密封結(jié)構(gòu)能夠多次重復(fù)使用，因此傳統(tǒng)火炮上采用藥筒來密封火藥氣體的密封方式不能適用于該試驗裝置，必須為其設(shè)計一個專門的密封結(jié)構(gòu)來密封高溫高壓火藥氣體。

試驗裝置工作時炮身與炮閂之間需要頻繁開啟和關(guān)閉，這就要求設(shè)計的密封結(jié)構(gòu)力求簡單，同時膛內(nèi)火藥燃?xì)庾饔脮?dǎo)致密封結(jié)構(gòu)承受瞬態(tài)高壓高溫氣體的沖擊，因此設(shè)計的密封結(jié)構(gòu)必須安全可靠。

普通密封技術(shù)一般采用橡膠密封圈進(jìn)行密封，只能承受幾十兆帕的壓力和在低溫下工作，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足。常見的高壓密封包括多級組合密封和可控機(jī)械密封，一般不能承載沖擊型壓力，多用于軸向液體密封，不適用于試驗裝置這樣需頻繁操作的場合，而普通高膛壓火炮采用的密封環(huán)加楔式炮閂式閉氣方式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且對試驗裝置擊發(fā)系統(tǒng)的改變較大。

本文針對試驗裝置工件的特殊性，設(shè)計了一種組合增壓式密封結(jié)構(gòu)，并對其結(jié)構(gòu)的可靠性進(jìn)行了仿真，找出了結(jié)構(gòu)的不足，然后進(jìn)行了改進(jìn)，并對改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元計算。

1 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計

在設(shè)計研究過載試驗裝置密封結(jié)構(gòu)時除了需要滿足密封基本要求外，如下幾個因素還需給予充分考慮:

1)試驗裝置后膛需頻繁開啟和關(guān)閉，密封結(jié)構(gòu)應(yīng)力求簡單可靠，方便開關(guān)閂和裝填操作。

2)密封結(jié)構(gòu)承受高溫高壓火藥氣體作用，不應(yīng)產(chǎn)生塑性變形，應(yīng)該具有良好的抽筒性能。

3)承壓能力強(qiáng)。密封結(jié)構(gòu)工作過程承受的壓力很高，且壓力是瞬態(tài)沖擊型的，要求在幾毫秒內(nèi)能經(jīng)受數(shù)百兆帕的壓力，并要有足夠的可靠性。

4)被密封的是高溫燃?xì)猓绕涫嵌虝r間內(nèi)達(dá)到幾千攝氏度左右的高溫，且熱量不易迅速擴(kuò)散，密封結(jié)構(gòu)的耐高溫性能必須很好。

5)火藥燃燒開始和結(jié)束階段，少量低壓火藥氣體的泄露是允許的。

6)防蠕變、抗老化、易加工性、易裝配性和經(jīng)濟(jì)性。

綜合考慮火炮炮膛密封方式的利弊，結(jié)合試驗裝置的布局特點，決定借鑒火炮利用藥筒變形實現(xiàn)內(nèi)膛密封的方案，對傳統(tǒng)形式的藥筒進(jìn)行改進(jìn)加工，設(shè)計出適用于試驗裝置的藥筒和增壓密封結(jié)構(gòu)。該方案主要優(yōu)點是密封機(jī)理清晰，結(jié)構(gòu)安全可靠，操作簡單方便，可減少內(nèi)膛燒蝕，同時不用進(jìn)行擊發(fā)裝置和炮尾炮閂部分的改進(jìn)和重新設(shè)計。

如圖1所示，組合式密封結(jié)構(gòu)主要由筒體、壓蓋、導(dǎo)向增壓桿和密封環(huán)組成。壓蓋前端抵緊試驗載體，尾端與筒體錐面配合形成主密封結(jié)構(gòu)。導(dǎo)向增壓桿安裝在壓蓋的階梯形孔內(nèi)，其尾端的特殊結(jié)構(gòu)與筒體上的孔配合形成輔助密封。增壓桿末端與大氣相通，工作時增壓桿兩端壓力極不平衡，利用壓差來實現(xiàn)增壓密封。

圖1 新型密封結(jié)構(gòu)示意圖

工作原理:工作時，高溫高壓火藥氣體迅速充滿整個藥室，在火藥氣體作用下增壓桿向低壓端移動，帶動與之配合的壓蓋一起向低壓端移動。于是壓蓋擠壓筒體錐面，使筒體產(chǎn)生徑向膨脹變形。隨著膛內(nèi)壓力不斷升高，擠壓越來越緊，筒體的徑向變形也越來越大，最終筒體開始與膛壁接觸并逐漸貼緊內(nèi)膛，實現(xiàn)火藥氣體的密封，如圖2所示?；鹚帤怏w壓力越大，筒體徑向變形越大，與炮身擠壓越緊，自緊效果越好。當(dāng)火藥氣體壓力下降時，筒體在回彈力的作用下，彈性變形逐漸消失直至完全分離，恢復(fù)至初始配合間隙。

圖2 關(guān)鍵密封構(gòu)件工作示意圖

2 新型密封結(jié)構(gòu)仿真分析

采用ABAQUS有限元軟件對設(shè)計的新型密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真研究，根據(jù)仿真結(jié)果來分析密封結(jié)構(gòu)的可靠性。

2.1 仿真模型的建立

密封結(jié)構(gòu)由于導(dǎo)向增壓桿的存在不再是簡單的旋轉(zhuǎn)體，不能使用軸對稱模型，但其幾何形狀、邊界條件和載荷都符合旋轉(zhuǎn)周期對稱結(jié)構(gòu)的要求，因此可以只截取其基本結(jié)構(gòu)來建立有限元模型。為了分析導(dǎo)向增壓桿數(shù)量對密封結(jié)構(gòu)密封性能的影響，先建立了不同數(shù)量導(dǎo)向增壓桿的密封結(jié)構(gòu)有限元模型，通過計算結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，密封結(jié)構(gòu)導(dǎo)向增壓桿的數(shù)量取n=8時，對密封結(jié)構(gòu)最為有利。因此在建立有限元模型時，只需要取1/8的密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，可以大大節(jié)省計算時間和資源。同時對模型作如下簡化和假設(shè):

1)密封構(gòu)件周向受力均勻，壓蓋、筒體與炮身軸線重合；

2)輔助密封結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)可靠密封，導(dǎo)向增壓桿與筒體的相互作用忽略不計；

3)密封元件在作用過程中均不產(chǎn)生塑性變形，所有元件材料均勻，體積不可壓縮。

本文直接利用ABAQUS軟件的建模功能建立密封結(jié)構(gòu)的有限元模型，避免了采用第三方軟件建模導(dǎo)入模型時因軟件接口不匹配造成的錯誤。在Sketch功能模塊中將整個模型的二維平面圖繪制在一起，可以保證各部件的相對位置正確。模型中火藥氣體通過導(dǎo)向增壓桿對壓蓋的作用簡化為集中力的作用形式，集中力的作用點與壓蓋上導(dǎo)向增壓桿裝配孔內(nèi)表面建立分布耦合。在炮身與筒體、筒體與壓蓋錐面、炮身端面與筒體突沿處均建立接觸對。在History output和Domain中選擇Interaction，選擇炮身與筒體接觸對，并選中輸出變量中的CFN和CAREA，用于輸出筒體與炮身的接觸力和接觸面積。定義端面約束，限制筒體的運(yùn)動。定義局部基準(zhǔn)柱坐標(biāo)系，在基本結(jié)構(gòu)兩側(cè)的截面上定義關(guān)于T軸的對稱邊界條件。在參考點上施加集中力載荷，其大小為膛壓與增壓桿截面積的乘積，隨著膛內(nèi)火藥氣體壓力的變化而改變。提交ABAQUS軟件進(jìn)行分析計算后，結(jié)果如圖3所示。

圖3 膛壓最大時刻壓蓋應(yīng)力云圖

2.2 仿真結(jié)果分析

通過仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，膛壓最大時刻密封結(jié)構(gòu)中壓蓋與筒體接觸區(qū)域出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，最大值高達(dá)2 294MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了壓蓋材料的強(qiáng)度極限1 350 MPa，所以密封結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行改進(jìn)。

3 密封結(jié)構(gòu)的改進(jìn)及有限元分析

3.1 密封結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

仔細(xì)觀察壓蓋與筒體的作用過程發(fā)現(xiàn)，壓蓋尾端采用圓角結(jié)構(gòu)與筒體錐面進(jìn)行接觸，在火藥氣體作用下能夠產(chǎn)生足夠的擠壓力使筒體徑向膨脹，直至與炮身內(nèi)壁貼緊，從而實現(xiàn)可靠密封。但是由于圓角與錐面接觸屬于線接觸方式，會導(dǎo)致接觸過程產(chǎn)生過高的密封比壓，從而引起應(yīng)力高度集中，最終導(dǎo)致材料產(chǎn)生疲勞破壞。因此對密封結(jié)構(gòu)中壓蓋與筒體間的接觸方式進(jìn)行改進(jìn)，嘗試采用面接觸方式來減小應(yīng)力集中。因此將壓蓋尾端設(shè)計成錐面，通過錐面與錐面的面接觸方式來改變初始結(jié)構(gòu)的不足，同時將壓蓋厚度適當(dāng)加厚。改進(jìn)后的密封結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 改進(jìn)后密封結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 密封結(jié)構(gòu)有限元分析

在上述仿真計算模型的基礎(chǔ)上，不需要改變其約束條件，只要對其幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行更改，就能進(jìn)行有限元計算。提交ABAQUS分析運(yùn)算，其結(jié)果如下:

改進(jìn)后密封結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力仍然位于壓蓋上，從壓蓋的應(yīng)力云圖(圖5)可以看出，優(yōu)化后密封結(jié)構(gòu)在膛壓最大時刻的Mises應(yīng)力最大值為1 265 MPa，小于壓蓋的材料強(qiáng)度極限，表明優(yōu)化后密封結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度能夠滿足工作要求，消除了潛在的疲勞損傷。

圖5 改進(jìn)后膛壓最大時壓蓋應(yīng)力云圖

圖6 所示為改進(jìn)后膛內(nèi)壓力最高時刻炮身接觸應(yīng)力云圖。由圖6可知，膛壓最高時刻炮身與筒體在整個圓周方向均分布有較大的接觸應(yīng)力，表明此時筒體與炮身已經(jīng)形成緊密貼合，且接觸面積較大。

圖6 膛壓最大時刻炮身內(nèi)壁接觸應(yīng)力云圖

圖7 為炮身與筒體隨火藥氣體壓力增加和減小的接觸面積變化圖，當(dāng)火藥開始燃燒時，氣體壓力并不是很高，筒體的徑向變形還未消除筒體與炮身之間的初始間隙，筒體同炮身的接觸面積為0，當(dāng)火藥氣體壓力逐漸增大時，筒體在壓蓋的作用下徑向變形越來越大，開始與炮身內(nèi)壁接觸，同炮身的接觸面積逐漸增大，在0.4～0.8 ms的短暫0.4 ms內(nèi)，筒體與炮身的接觸面積達(dá)到最大值。當(dāng)火藥氣體壓力下降時，筒體在自身剛度作用下開始逐漸回復(fù)初始狀態(tài)，接觸面積減小，最終筒體與炮身分離。以上分析結(jié)果表明:密封結(jié)構(gòu)各構(gòu)件剛強(qiáng)度均滿足要求，而且密封性能安全可靠，該組合式密封結(jié)構(gòu)設(shè)計機(jī)理正確可行。

圖7 炮身與筒體接觸面積變化圖

4 結(jié)語

通過分析試驗裝置的工作特點，設(shè)計了新型組合增壓式密封結(jié)構(gòu)，并將計算機(jī)仿真技術(shù)和有限元分析等現(xiàn)代設(shè)計方法運(yùn)用于密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計中。通過有限元分析發(fā)現(xiàn)了原有結(jié)構(gòu)的不足，對組合式密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，并通過有限元計算得到了主要密封面的接觸應(yīng)力，結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)滿足試驗裝置的密封要求。該結(jié)構(gòu)的成功設(shè)計對火炮等高壓設(shè)備的密封問題的解決提供了參考。

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