超高速渦輪泵排氣連接裝置扭矩系數(shù)試驗(yàn)研究*

張明根，張明星，郝小龍， 張 恬， 閆田田

(1.北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，北京 100076; 2.航天伺服驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，北京 100076; 3.江西應(yīng)用科技學(xué)院，江西 南昌 330100)

0 引 言

超高速渦輪泵工作過程中，不斷有高溫氣體由入口端進(jìn)入渦輪腔對渦輪進(jìn)行做功，并從排氣管排出渦輪腔，排出的氣體經(jīng)過連接裝置到達(dá)排焰管，沿著排焰管進(jìn)入大氣。連接裝置主要用于將渦輪泵排氣管與排焰管連接，其結(jié)構(gòu)必須同時(shí)保證連接強(qiáng)度、高溫密封的特點(diǎn)，如果結(jié)構(gòu)出現(xiàn)失效，則高溫氣體無法按預(yù)期從通道排出，將會(huì)對飛行器其他結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重影響，進(jìn)而造成飛行失利。

排氣連接裝置的螺紋連接可靠性主要取決于軸向預(yù)緊力在各工況下是否存在松動(dòng)問題。一方面，緊固件在振動(dòng)載荷作用下容易出現(xiàn)松動(dòng)[1-4]，這可以通過螺紋牙微粒子噴丸處理技術(shù)改善其抗磨損性能[5]，進(jìn)而提高振動(dòng)工況下的可靠性；另一方面，較大的軸向預(yù)緊力有利于防松及可靠連接，但是預(yù)緊力過大將會(huì)造成螺紋受損[6-7]。在實(shí)際操作中，通過施加擰緊力矩來間接控制預(yù)緊力，為此需要對扭矩系數(shù)進(jìn)行研究，文獻(xiàn)[8]、[9]研究了螺紋潤滑及螺紋旋緊速度對扭矩系數(shù)的影響，并對各個(gè)因素之間的相互作用進(jìn)行研究，文獻(xiàn)[10]則通過高精度仿真的方法研究扭矩系數(shù)。以上研究主要通過理論、仿真進(jìn)行，實(shí)際運(yùn)用尚需進(jìn)行后續(xù)研究。針對實(shí)際生產(chǎn)需要，筆者通過試驗(yàn)的方式研究預(yù)擰緊次數(shù)、力矩大小及保載時(shí)間對扭矩系數(shù)影響，為提高裝配后螺紋可靠性提供技術(shù)參考，具有重要的工程意義。

1 基本原理

螺紋連接通過擰緊力矩對連接件施加預(yù)緊力，根據(jù)需要的預(yù)緊力F0，計(jì)算擰緊力矩T。實(shí)際操作過程中，通過施加擰緊力矩T來實(shí)現(xiàn)預(yù)緊力作用。

擰緊力矩T由兩部分組成，分別為螺旋副間的摩擦力矩T1、螺母與支承面間的摩擦力矩T2，公式如下：

(1)

(2)

T=T1+T2

(3)

式中：φ為螺紋升角；F0為預(yù)緊力；d2為螺紋中徑；φv為螺旋副當(dāng)量摩擦角；fc為螺母與支承面間的摩擦系數(shù)；D0為螺母支承面最大外徑；d0為螺栓孔直徑。

通過式(3)進(jìn)行預(yù)緊力及擰緊力矩?fù)Q算時(shí)，計(jì)算較為復(fù)雜，因此一般場合通常采用簡化計(jì)算：

T=KF0d

(4)

式中：d為螺紋的最大直徑；K為扭矩系數(shù)，一般取0.2[11]。

2 試驗(yàn)設(shè)備及方案

通過進(jìn)行多組擰緊力矩試驗(yàn)，得到不同擰緊力矩作用下的扭矩系數(shù)，并研究各試驗(yàn)工況對扭矩系數(shù)的影響。

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

為了等效渦輪泵排氣連接裝置受力特點(diǎn)，并便于預(yù)緊力測試，在破裂膜片左側(cè)安裝承力轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)，外套螺母與渦輪泵排氣管通過螺紋配合，將排焰管平管嘴通過承力轉(zhuǎn)接與渦輪泵排氣管連接，測力傳感器位于平管嘴與承力轉(zhuǎn)接之間，測量線從排焰管內(nèi)孔引出。試驗(yàn)過程中首先固定排氣管，并限制排焰管平管嘴轉(zhuǎn)動(dòng)，通過旋擰外套螺母施加力矩，測量旋擰過程產(chǎn)生的軸向預(yù)緊力，如圖1所示。

圖1 排氣連接裝置擰緊力矩試驗(yàn)安裝示意圖

2.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

渦輪泵排氣管、外套螺母材料分別為1Cr18Ni9Ti不銹鋼、GH1131高溫合金。共進(jìn)行四組試驗(yàn)，其中前三組試驗(yàn)均為 160 N·m，第四組為 240 N·m。試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示，詳細(xì)試驗(yàn)方案見表1所列。

圖2 力矩試驗(yàn)系統(tǒng)圖

表1 試驗(yàn)方案

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)過程中，由于采用的力矩扳手精度較高，因此實(shí)際施加力矩與設(shè)定值存在較小偏差，試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過式(4)進(jìn)行換算，得到扭矩系數(shù)K。其中軸系預(yù)緊力的取值為保持載荷時(shí)最后10 s內(nèi)平均值。各組試驗(yàn)測得扭矩系數(shù)隨試驗(yàn)次數(shù)變化關(guān)系如圖3所示，各組首次及第五次試驗(yàn)測得扭矩系數(shù)如圖4所示。

圖3 扭矩系數(shù)隨試驗(yàn)次數(shù)變化曲線

圖4 首次與第五次試驗(yàn)扭矩系數(shù)圖

由于螺紋副在機(jī)加過程中的表面粗糙度及螺紋牙公差存在微小差別，因此初始螺紋扭矩系數(shù)存在差異，但是差別并不大，最大偏差為0.033。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，渦輪泵排氣連接裝置的螺紋扭矩系數(shù)K位于0.163 7～0.244 8之間，各組試驗(yàn)首次試驗(yàn)K值位于0.211 9～0.244 8之間，其中第六組K值為0.223 0，處于試驗(yàn)K值范圍內(nèi)，即該數(shù)值不受擰緊力矩大小的影響；根據(jù)圖3的扭矩系數(shù)變化規(guī)律，可以看出扭矩系數(shù)K隨試驗(yàn)次數(shù)增加大致呈下降趨勢。最大下降比例分別為22.75%、24.51%、22.47%、19.69%。因此在渦輪泵排氣管實(shí)際裝配過程中，為了達(dá)到預(yù)設(shè)軸向擰緊力，應(yīng)當(dāng)根據(jù)螺紋擰緊次數(shù)對擰緊力矩進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，否則將會(huì)使得軸系預(yù)緊力遠(yuǎn)大于預(yù)期值，進(jìn)而影響螺紋的強(qiáng)度。

由前三組試驗(yàn)曲線可以看出，第四次到第五次試驗(yàn)時(shí)，K值的下降比例分別為5.59%、7.89%、7.89%，對比第三次到第四次的K值分別為4.03%、4.10%、1.13%，即扭矩系數(shù)K的下降速度在減慢，可以預(yù)測試驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行時(shí)，將會(huì)達(dá)到相對穩(wěn)定，如第四組數(shù)據(jù)，在第二次試驗(yàn)后，K值已經(jīng)逐漸穩(wěn)定于0.186 5。這說明為了降低扭矩系數(shù)對力矩施加次數(shù)的敏感性，可以通過預(yù)施加一次較大力矩的方式，將扭矩系數(shù)迅速穩(wěn)定。

分析保載時(shí)間對K值的影響，前三組由第一次到第二次測得的K值分別下降10.44%、10.92%、9.27%，即相同載荷條件下，保載時(shí)間的延長對扭矩系數(shù)K的下降無影響。第四組K值下降13.36%，即提高保載壓力具有顯著影響。

使用式(4)進(jìn)行軸向預(yù)緊力計(jì)算時(shí)，螺紋副在進(jìn)行2～3次預(yù)裝配后，能夠降低取值K=0.2時(shí)引起的計(jì)算誤差，但是為了得到相對穩(wěn)定的軸向預(yù)緊力，需要進(jìn)行更多次數(shù)的預(yù)裝配。

4 結(jié) 語

文中對某飛行器高溫排氣連接裝置的螺紋擰緊力矩進(jìn)行試驗(yàn)研究，得到螺紋扭矩系數(shù)不同狀態(tài)下的數(shù)值以及變化規(guī)律，即：使用較大的擰緊力矩進(jìn)行預(yù)裝配，可以大大提高扭矩系數(shù)K的穩(wěn)定性；隨著預(yù)裝配次數(shù)的增加，扭矩系數(shù)將逐漸降低，并趨于相對穩(wěn)定；保載時(shí)間的延長對于提高扭矩系數(shù)穩(wěn)定貢獻(xiàn)較小，可以通過增大預(yù)裝配力矩來加快扭矩系數(shù)的穩(wěn)定；在進(jìn)行2～3次預(yù)裝配后，扭矩系數(shù)可以穩(wěn)定在0.2左右；由于加工誤差，實(shí)際螺紋配合時(shí)，首次裝配扭矩系數(shù)會(huì)產(chǎn)生較大誤差。得出了可以通過對渦輪預(yù)裝配的方式，控制螺紋扭矩系數(shù)保持相對穩(wěn)定。此次研究結(jié)果對于螺紋類結(jié)構(gòu)的連接安裝設(shè)計(jì)具有實(shí)際工程意義。