阀门环形螺栓组装配工艺实验研究

2014-04-21范晓雷刘兆宾贾静雅霍亮关正坤首都航天机械公司北京100076

机械工程师 2014年2期

范晓雷，刘兆宾，贾静雅，霍亮，关正坤（首都航天机械公司，北京100076）

0 引言

法兰密封性对航天发动机整体性能有着重要的影响，螺栓连接是阀门环形法兰结构的最主要连接方式，螺栓法兰连接的螺栓预紧力一致性直接影响着垫片及法兰面的变形，从而影响法兰的密封性。为了有效控制阀门环形螺栓组装配过程中产生的预紧力，分析阀门螺栓组装配预紧力的影响因素，本文设计此验证实验。为阀门螺栓组装配工艺优化提供有效理论参考和工艺指导，解决目前工程应用的相关问题。

1 阀门环形螺栓组实验方案设计

阀门环形螺栓组装配工艺实验主要由三个平台组成即：实验平台、检测平台和分析平台（如图1所示）。实验平台包括工作台、实验工件、法兰系统等；检测平台主要是依赖于预先设计好的阀门预紧力多路信号测试仪将获取的预紧力信号进行分析、处理，以便于实时观测螺栓预紧力的变化；分析平台即利用MATLAB和EXCEL等软件分析获得的阀门环形螺栓组预紧力实验数据，建立实验模型，优化阀门环形螺栓组装配工艺。的刚度不受外界刚度的影响，本文采用了法兰两侧压紧的夹紧方案。实验过程中，采用力传感器测试环形法兰螺栓组的预紧力。力传感器均布在环形法兰的螺栓组分布圆上。为了有效保护传感器的磨损和使用精度，在螺栓与力传感器接触部分以及上法兰与力传感器接触部分安有环形垫片。所有力传感器可以同时采集环形法兰螺栓组的预紧力信号，将信号同步输送到螺栓预紧力多路信号测试仪当中，同步分析、处理和显示。

图1 实验方案框图

图2 阀门环形螺栓组装配预紧力测试实验图

实验装置实物图如图2所示，由支撑平台、法兰卡具、试验工件、垫圈传感器和螺栓预紧力测试仪组成。为了保证法兰装配体

2 阀门环形螺栓组装配工艺实验结果分析

2.1 垫片影响因素的实验研究

垫片是影响阀门法兰装配工艺螺栓预紧力控制的重要因素。由于不同垫片的表面粗糙度、强度和刚度不同，导致在承载螺栓预紧力时法兰的变形和应力也不尽相同。加之垫片本身固有的压缩回弹特性，从而导致法兰表面与螺栓接触的垫片各点的应力不同，压紧变形也分布不均匀［1］。

图3 不同垫片螺栓预紧力趋势图

为了研究不同垫片对阀门螺栓组装配工艺的影响，本文在 20～30 N·m的力矩范围内，对非金属垫片、合金钢垫片和铜合金垫片进行了螺栓预紧力测量实验。根据测试数据绘制了不同垫片的螺栓预紧力变化趋势图，如图3所示。

通过图3所示的螺栓预紧力变化趋势可以看出，施加相同的力矩，铜合金垫片、合金钢垫片和非金属垫片的螺栓预紧力逐步降低。由于这三种情况在螺纹副间摩擦基本一致，产生变化的原因是螺栓与垫片接触表面的摩擦因数。铜合金垫片、合金钢垫片和非金属垫片的表面摩擦因数依次变大，所以在与螺栓接触表面的摩擦力与摩擦消耗较大，因此由力矩转化的预紧力逐步减小。而且非金属垫片的强度和刚度相对较弱，当超出允许载荷引起垫片的压溃变形，导致了预紧力急速下降。由于三组垫片中，铜合金垫片的强度和刚度较高，表面粗糙度较小，而且经过测试螺栓预紧力加载曲线线性度相对较好，因此采用铜垫片作为螺栓预紧力装配工艺研究的接触垫片来研究。经螺栓预紧后，各垫片的变形如图4所示。

图4 经螺栓预紧后垫片变形图

2.2 润滑条件影响因素的实验研究

螺栓和法兰接触表面的润滑状态对于扭矩控制法的拧紧系数具有重要影响，因此必须对阀门螺栓组装配的润滑状态进行控制。通过公式法测试获得有效、可靠的拧紧系数［2］：

式中：T为拧紧力矩；d为螺纹直径；F′为预紧力。

图5 不同润滑条件扭矩系数变化趋势

本文的润滑条件分为有、无润滑两种。有润滑的工况采用高级性能锂基脂分别对螺纹副、垫片接触区域等进行充分润滑。根据式（1）得到拧紧系数绘制拧紧趋势图（图5）。有润滑条件的拧紧系数变化趋势平稳，稳定性明显好于无润滑的条件。

2.3 拧紧工艺影响因素试验研究

为了验证装配顺序对阀门螺栓组装配工艺的影响，运用实验法对阀门环形螺栓组装配顺序进行研究。实验前对阀门螺栓组进行编号，间隔安置垫圈力传感器测试螺栓预紧力。多次加载时，第一遍加载，采用10 N·m的拧紧力矩，根据螺栓编号按顺序装配阀门螺栓；第二遍加载，采用20 N·m的加载力矩。

为了研究螺栓预紧力的相对变化量，根据式（2）采用相对系数ξ作为观察量，绘制不同螺栓预紧力相对系数变化曲线如图6所示。

式中：xi为组内螺栓预紧力测试值；x0为组内螺栓预紧力中位数。

从图6中可以看出不同加载顺序时，不同螺栓的预紧力大小变化出现了波动。随着加载次数的不同，各个螺栓预紧力的相对系数也随之变化。对角加载时螺栓预紧力相对变化量和顺序加载的工况下相比，相对系数变化范围较小，同时加载时螺栓预紧力相对系数变化的范围较小。而且第二遍加载对第一遍加载的预紧力产生了影响。相对系数以“波浪”的形式往返变化，具有随机性。对比分析相对系数变化趋势与范围，可以看出顺序加载、对角加载、同时加载的相对系数变化范围依次减小。

图6 预紧力相对系数变化曲线

2.4 差方分析法

与切比雪夫法评估预测通过前面对相对系数的讨论与计算，可以看出螺栓预紧力相对系数对于衡量螺栓预紧力变化范围与波动相对值具有重要影响。因此，我们提取顺序拧紧、对角拧紧、同时拧紧和一遍加载与两遍加载的工况下，对比分析螺栓预紧力的平均数与方差值。

由于螺栓预紧力相对系数变化范围较小，故将相对系数放大100倍，采用百倍相对系数来衡量计算得出的平均值与方差如表1所示。

表1 螺栓预紧力相对系数平均数和方差计算表N

通过表1我们可以看出，不同拧紧顺序和拧紧次数时，螺栓预紧力的相对系数不一致。平均值相差不明显。而百倍相对系数随着拧紧顺序和拧紧次数的不同，方差变化明显。对角拧紧顺序时的方差小于顺序拧紧时的方差；同时拧紧时的方差小于对角拧紧时的方差。而随着拧紧次数的增加，方差逐步减小，这与图6中相对系数变化范围趋势相一致。在已有的拧紧方式当中，同时两遍的拧紧方式的相对系数方差最小，相对波动范围也最小。

由于阀门环形螺栓组预紧力控制分布数学模型未知，故本文针对同时两遍拧紧的拧紧方式，采用切比雪夫不等式对螺栓预紧力控制准确性进行预测评估分析［3］。

由切比雪夫不等式：