超高速渦輪泵排氣連接裝置扭矩系數(shù)試驗研究*

張明根，張明星，郝小龍， 張 恬， 閆田田

(1.北京精密機電控制設備研究所，北京 100076; 2.航天伺服驅動與傳動技術實驗室，北京 100076; 3.江西應用科技學院，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入渦輪腔對渦輪進行做功，并從排氣管排出渦輪腔，排出的氣體經(jīng)過連接裝置到達排焰管，沿著排焰管進入大氣。連接裝置主要用于將渦輪泵排氣管與排焰管連接，其結構必須同時保證連接強度、高溫密封的特點，如果結構出現(xiàn)失效，則高溫氣體無法按預期從通道排出，將會對飛行器其他結構造成嚴重影響，進而造成飛行失利。

排氣連接裝置的螺紋連接可靠性主要取決于軸向預緊力在各工況下是否存在松動問題。一方面，緊固件在振動載荷作用下容易出現(xiàn)松動[1-4]，這可以通過螺紋牙微粒子噴丸處理技術改善其抗磨損性能[5]，進而提高振動工況下的可靠性；另一方面，較大的軸向預緊力有利于防松及可靠連接，但是預緊力過大將會造成螺紋受損[6-7]。在實際操作中，通過施加擰緊力矩來間接控制預緊力，為此需要對扭矩系數(shù)進行研究，文獻[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，并對各個因素之間的相互作用進行研究，文獻[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、仿真進行，實際運用尚需進行后續(xù)研究。針對實際生產(chǎn)需要，筆者通過試驗的方式研究預擰緊次數(shù)、力矩大小及保載時間對扭矩系數(shù)影響，為提高裝配后螺紋可靠性提供技術參考，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緊力，根據(jù)需要的預緊力F0，計算擰緊力矩T。實際操作過程中，通過施加擰緊力矩T來實現(xiàn)預緊力作用。

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為預緊力；d2為螺紋中徑；φv為螺旋副當量摩擦角；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)進行預緊力及擰緊力矩換算時，計算較為復雜，因此一般場合通常采用簡化計算：

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 試驗設備及方案

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

2.1 試驗設備

為了等效渦輪泵排氣連接裝置受力特點，并便于預緊力測試，在破裂膜片左側安裝承力轉接結構，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接與渦輪泵排氣管連接，測力傳感器位于平管嘴與承力轉接之間，測量線從排焰管內(nèi)孔引出。試驗過程中首先固定排氣管，并限制排焰管平管嘴轉動，通過旋擰外套螺母施加力矩，測量旋擰過程產(chǎn)生的軸向預緊力，如圖1所示。

圖1 排氣連接裝置擰緊力矩試驗安裝示意圖

2.2 試驗方案設計

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

圖2 力矩試驗系統(tǒng)圖

表1 試驗方案

3 試驗結果與分析

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

圖3 扭矩系數(shù)隨試驗次數(shù)變化曲線

圖4 首次與第五次試驗扭矩系數(shù)圖

由于螺紋副在機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)試驗結果，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，各組試驗首次試驗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際裝配過程中，為了達到預設軸向擰緊力，應當根據(jù)螺紋擰緊次數(shù)對擰緊力矩進行相應的調(diào)整，否則將會使得軸系預緊力遠大于預期值，進而影響螺紋的強度。

由前三組試驗曲線可以看出，第四次到第五次試驗時，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，可以預測試驗繼續(xù)進行時，將會達到相對穩(wěn)定，如第四組數(shù)據(jù)，在第二次試驗后，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)進行軸向預緊力計算時，螺紋副在進行2～3次預裝配后，能夠降低取值K=0.2時引起的計算誤差，但是為了得到相對穩(wěn)定的軸向預緊力，需要進行更多次數(shù)的預裝配。

4 結 語

文中對某飛行器高溫排氣連接裝置的螺紋擰緊力矩進行試驗研究，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行預裝配，可以大大提高扭矩系數(shù)K的穩(wěn)定性；隨著預裝配次數(shù)的增加，扭矩系數(shù)將逐漸降低，并趨于相對穩(wěn)定；保載時間的延長對于提高扭矩系數(shù)穩(wěn)定貢獻較小，可以通過增大預裝配力矩來加快扭矩系數(shù)的穩(wěn)定；在進行2～3次預裝配后，扭矩系數(shù)可以穩(wěn)定在0.2左右；由于加工誤差，實際螺紋配合時，首次裝配扭矩系數(shù)會產(chǎn)生較大誤差。得出了可以通過對渦輪預裝配的方式，控制螺紋扭矩系數(shù)保持相對穩(wěn)定。此次研究結果對于螺紋類結構的連接安裝設計具有實際工程意義。