張明根，張明星，呂 偉，郝小龍，張 恬，閆田田

(1.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； 2.江西應(yīng)用科技學院，江西 南昌 330100；3.火箭軍裝備部駐北京地區(qū)第三軍事代表室，北京 100076)

0 引 言

超高速渦輪泵作為某液壓系統(tǒng)核心元件，憑借其高能燃氣動力源優(yōu)勢，可實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速、大功率、小體積的運行目標。 工作原理為:通過燃氣發(fā)生器裝置產(chǎn)生高溫高壓燃氣驅(qū)動渦輪，使得軸系產(chǎn)生超高轉(zhuǎn)速，帶動離心泵將液壓油增壓用于液壓系統(tǒng)做功。 氣源初始溫度接近1 200 ℃，經(jīng)過拉法爾噴管等熵膨脹后，降至700 ℃，經(jīng)渦輪泵做功后的燃氣經(jīng)排氣管排出。排氣口與渦輪泵排氣管使用外套螺母連接，如果連接處出現(xiàn)結(jié)構(gòu)異常，燃氣將無法正常排出，將極大威脅飛行器飛行安全。

對于連接結(jié)構(gòu)的研究，主要針對無擴口連接結(jié)構(gòu)，作為民用飛機管路連接的主要形式[1]，張榮霞等[2]對導管的無擴口連接接頭，使用有限元仿真方法進行了研究，分析得到了該結(jié)構(gòu)的連接強度機理；李海峰等[3]通過試驗的方法對軸擴口鎖緊連接工藝進行了研究，得到整體式擴口工裝能夠保證與擴口軸孔接觸穩(wěn)定的結(jié)論。 其他相關(guān)研究集中于連接結(jié)構(gòu)中的螺紋強度[4]。 筆者研究的排氣連接結(jié)構(gòu)具有工作前密封、一次性工作的特點，屬于特種裝置，目前暫無相關(guān)類似研究。

筆者通過研究排氣連接結(jié)構(gòu)特點，針對不同的連接工況進行分析，對相關(guān)結(jié)構(gòu)進行簡化，以便提高計算的精確性，通過ABAQUS 進行有限元仿真計算，得到應(yīng)力云圖、位移云圖，分析出工況A 狀態(tài)下密封槽局部結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生較大變形，容易引起密封失效；使用普通不銹鋼時，將連接配合方式改為工況B、C，能夠有效避免結(jié)構(gòu)較大變形及密封失效問題；如果更換排氣接口材料即使用強度較大合金，則在三種工況下連接結(jié)構(gòu)可靠性均較好。以上研究結(jié)論對于產(chǎn)品的設(shè)計及改進具有實際工程意義。

1 模型分析

1.1 基本結(jié)構(gòu)

排氣接管的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 膜片組件安裝于渦輪泵排氣接管嘴，通過外套螺母使其與排氣結(jié)頭連接，如圖2 所示。

圖1 渦輪泵排氣管連接結(jié)構(gòu)

圖2 膜片組件及排氣嘴尺寸

圖2 中膜片尺寸L1與排氣接管嘴尺寸L2為配合尺寸，由于實際加工過程中兩尺寸均在公差范圍內(nèi)變化，造成兩者出現(xiàn)多種不同的接觸形式。

1.2 模型分析

為了研究L1、L2不同配合關(guān)系對結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布的影響，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，分析出幾種連接接觸形式，且不考慮O 型密封圈影響，如圖3 所示，尺寸的變化將引起圖中畫圈部分接觸、剛好接觸、不接觸三種形式。通過表1 中的工況研究連接形式對結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響。

圖3 模型示意圖

表1 分析工況 /mm

2 仿真計算及分析

2.1 模型優(yōu)化及邊界條件

排氣管連接結(jié)構(gòu)的材料性能詳見表2。

表2 材料常溫性能

使用ABAQUS 有限元軟件進行接觸應(yīng)力仿真分析。 由于膜片組件中的膜片較薄(小于0.05 mm)，建模過程中容易出現(xiàn)網(wǎng)格畸變并影響計算結(jié)果，且其本身介于壓環(huán)和膜片基座之間，不容易成為結(jié)構(gòu)薄弱點，因此采取壓環(huán)與基座焊接的形式進行簡化，如圖4 所示。

圖4 壓環(huán)與膜片基座焊接簡化示意圖

外套螺母和排氣接頭接觸面使用Tie 連接以便施加螺栓預(yù)緊力，壓環(huán)與膜片基座接觸面外側(cè)有長度為0.1 的Tie 連接來模擬焊接(如圖4 所示)。 其他表面之間均為法向硬接觸(允許接觸后分離)，切向設(shè)置為無摩擦。

結(jié)構(gòu)的位移邊界條件為排氣接頭下方完全固支，其他自由無約束。 載荷條件設(shè)置中使用BoltLoad 模擬螺栓預(yù)緊力，預(yù)緊力施加內(nèi)部面如圖5 所示。

圖5 位移邊界條件與載荷條件示意圖

擰緊力矩T與軸向力F的完整表達式比較復(fù)雜[5]，根據(jù)文獻提供簡化公式:

式中:d為螺紋大徑。

已知外套螺母為M36，力矩為160 N·m，計算出軸向力F＝22 222 N。

為兼顧分析精度與分析效率，僅對重點關(guān)注部分進行了較為細致的網(wǎng)格劃分。 整體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分如圖6 所示。

圖6 網(wǎng)格劃分示意圖

2.2 結(jié)果與分析

通過對四種工況下的配合進行仿真分析，得到Mises 應(yīng)力分布云圖及位移云圖，見圖7～12。

圖7 不接觸工況A 應(yīng)力云圖

圖8 不接觸工況A 位 移云圖

工況A 為不接觸狀態(tài)，由圖9，其接觸最大應(yīng)力為300.4 MPa，位于O 型密封圈槽位置，由圖10，變形最大位置均為外套螺母位置，膜片座端部位移為0.026 33 mm，遠遠小于外套螺母力矩施加之前的0.3 mm，即在螺紋的軸向力作用下，膜片座與排氣結(jié)頭未出現(xiàn)接觸，因此應(yīng)力圖中膜片座端部受力遠小于其他位置。

圖9 接觸工況B 應(yīng)力云圖

圖10 接觸工況B 位 移云圖

工況B、C 均為接觸狀態(tài)，但是形式不同。 其中工況B 為膜片座端部和尾部均與排氣接口接觸；工況C 在膜片座端部接觸，但是膜片座尾部未接觸。兩種工況下的最大應(yīng)力位置均為外套螺母連接處，分別為278.9、337.3 MPa，密封槽位置的應(yīng)力較小，最大不超過100 MPa。 通過位移云圖，工況C 膜片座尾部變形為0.009 264 mm，遠小于原間隙0.3 mm，因此在軸向力作用下工況C 狀態(tài)未出現(xiàn)變化。

圖11 接觸工況C 應(yīng)力云圖

圖12 接觸工況C 位 移云圖

為了保證密封槽結(jié)構(gòu)，保證O 型密封圈密封效果，應(yīng)當采用B、C 裝配方式。 而實際上，工況B 實現(xiàn)難度是非常巨大的，從工藝性角度考慮，應(yīng)當在設(shè)計中優(yōu)先考慮C 狀態(tài)。

3 結(jié) 論

重點對渦輪泵排氣連接結(jié)構(gòu)強度進行研究，針對不同的工況分別采用有限元仿真方法分析了應(yīng)力、應(yīng)變的分布，得出了保證結(jié)構(gòu)強度可靠性的最佳工況。

(1) 排氣管安裝接口部位的應(yīng)力分布與膜片的配合尺寸有關(guān)，當出現(xiàn)工況A 狀態(tài)時，外套螺母施加的軸向力將會使得密封槽出現(xiàn)較大應(yīng)力，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)形變進而影響密封效果。

(2) 為提高排氣結(jié)構(gòu)連接處的可靠性，可以通過控制排氣接口與膜片座配合尺寸，使二者充分接觸，形成C 工況效果。

(3) 在最嚴酷的狀態(tài)下，排氣結(jié)口的局部最大應(yīng)力約為300 MPa，改變排氣接口材料(如使用GH4141合金)提高局部強度，即可以實現(xiàn)各種工況下的連接可靠。

(4) 文中研究成果對于排氣管連接結(jié)構(gòu)設(shè)計具有參考意義，另外給現(xiàn)有連接結(jié)構(gòu)的強度復(fù)核提供了借鑒方法。