自紧式K形金属密封组件密封特性研究.pdf

第3 9 卷第6 期 2 0 1 3 年1 2 月 火箭推进 J O U R N A LO FR O C K E TP R O P U K S I O N V 0 1 3 9 N o 6 D e c 2 0 1 3 自紧式K 形金属密封组件密封特性研究 赵剑1 ，谭永华2 ，陈建华1 ，雷征1 ( 1 西安航天动力研究所，陕西西安7 1 0 1 0 0 ；2 航天推进技术研究院，陕西西安7 1 0 1 0 0 ) 摘要：K 形金属密封是液氧煤油发动机液氧管路系统中经常使用的金属密封结构，其 密封性能关系着发动机能否可靠工作。针对自紧式K 形金属密封组件，采用非线性有限元方 法，基于局部理想粗糙度等效简化，研究了密封机理。仿真结果再现了密封接触面的形成模 式，论证了“压力自紧式”密封特征和可重复使用特性，并以密封接触面积和平均接触应力 为指标，获得了密封性能与拧紧力矩的敏感性关系。 关键词：K 形金属密封；非线性有限元；密封机理；重复使用 中图分类号：V 4 3 2 3 4文献标识码：A文章编号：1 6 7 2 9 3 7 4 ( 2 0 1 3 ) 0 6 0 0 3 5 0 7 R e s e a r c ho ns e a l i n g p r e s s u r e - - a c t u a t e dK - - s h a p e d c h a r a c t e r i s t i c so f m e t a ls e a l i n gc o m p o n e n t Z H A OJ i a n l ，T A NY o n g - h u a 2 ，C H E NJ i a n h u a l ，L E IZ h e n 9 1 ( 1 X i a nA e r o s p a c eP r o p u l s i o nI n s t i t u t e ，X i a n7 1 0 1 0 0 ，C h i n a ； 2 A c a d e m yo f A e r o s p a c eP r o p u l s i o nT e c h n o l o g y ，X i a n7 1 0 1 0 0 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：T h eK s h a p e dm e t a ls e a l i n gc o m p o n e n ti su s e df r e q u e n t l yi nt h el i q u i do x y g e n p i p e l i n es y s t e mo fL O X k e r o s e n er o c k e te n g i n e I t ss e a l i n gp e r f o r m a n c es t r a i g h t l yr e l a t e sw i t ht h e r e l i a b i l i t yo ft h ee n g i n e B a s e do nt h en o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( F E M ) a n dt h ee q u i v a l e n t s i m p l i f i c a t i o no fl o c a lr o u g h n e s s ，t h es e a l i n gm e c h a n i s mo fs e l f - t i g h t e n e dK s h a p e ds e a lc o m p o n e n ti s a c q u i r e d N u m e r i c a ls i m u l a t i o n sh a v er e p r o d u c e dt h es e a l i n gf o r m a t i o nm o d eo fc o n t a c ts u r f a c e s ，a n d d e m o n s t r a t e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f ”p r e s s u r e a c t u a t e d ”a n dr e u s a b l ep e r f o r m a n c e A c c o r d i n gt ot h e t o t a lc o n t a c ta r e aa n d a v e r a g ec o n t a c ts t r e s s ，t h es e n s i t i v i t yb e t w e e ns e a l i n gp e r f o r m a n c ea n d a s s e m b l ym o m e n ti so b t a i n e d K e y w o r d s ：K - s h a p e dm e t a ls e a l ；n o n l i n e a rF E M ；s e a l i n gm e c h a n i s m ；r e u s e 收稿日期：2 0 1 3 1 1 - 0 5 ；修回日期：2 0 1 3 1 1 - 2 0 基金项目：国家8 6 3 项目( 2 0 1 3 A A 7 0 2 3 0 2 ) 作者简介：赵剑( 1 9 8 6 一) ，男，博士研究生，研究领域为高压补燃液氧煤油发动机总装结构 万方数据 火箭推进2 0 1 3 年1 2 月 O 引言 高压补燃液氧：噪油发动机工作压力高，介质 温度差别大，传统形式的静密封结构已经不能适 用。为此，研制了多种新型密封结构，其中K 形 环金属密封组件( 简称K 形环) 成功应用于液氧 管路系统【l 】。 工程上对球面密封陟习和金属垫片1 3 , 7 删等强制 型金属密封结构研究较多，研究者多基于非线性 有限元方法和试验来研究密封机理、密封性能和 影响因素。研究结果表明，密封接触材料的相容 性对密封性能有着较大的影响，对于密封介质温 度变化较大的环境，密封件的热膨胀效应将影响 密封面的接触作用【3 】。密封面材料的线膨胀系数 与预紧压力有很大关系，对于两种热膨胀系数相 差较大的材料，当温度变化时，需要更多的压紧 力作用1 5 。 金属垫片装配时，连接件弹塑性变形对密封 效果影响很大同。表面形貌、压紧应力以及介质 压力是金属垫片界面泄漏的主要因素，密封表面 形貌对密封效果的影响比压紧应力和介质压力显 著得多【7 】。设计时应尽量增大连接件的强度和尺 寸f 8 l ，改善受力状态，减小密封面偏离和分离。 相对于球面密封和金属垫片密封，K 形环密 封具有自紧式密封特性，装配补偿性能好，可用 于有温度和压力波动的场合，在液氧管路系统中 比较常见。管路密封失效是液体火箭发动机所有 失效环节中比较多见的一种失效模式 3 4 , 9 】，然而 工程上关于K 形环密封的研究内容相对较少。本 文以液氧煤油发动机用K 形环密封组件为研究 对象，对装配过程中密封接触面的形成机理进行 了研究，论证密封组件的可重复使用特性，并基 于局部粗糙度等效处理，分析软金属镀层塑性变 形填充密封面“粗糙度凹坑”的作用模式。 1K 形环密封结构及特点 密封组件主要由球面接头和K 形环组成( 见 图1 ) 。K 形环外表面镀铜和银。 图lK 形金属密封组件示意图 F i g 1 S c h e m a t i cd i a g r a mo fK - s h a p e dm e t a l s e a l i n gc o m p o n e n t K 形环依靠外套螺母提供轴向预紧位移约 束，使密封组件产生弹塑性变形，接触面镀层金 属发生塑性流动，填充球面接头表面粗糙度间 隙，使密封面的阻力大于介质压力，实现密封。 与常规结构相比，K 形环金属密封有如下特点： 1 ) 结构独特，在装配状态下，每个接触面 可以形成2 道密封接触，提高密封可靠性； 2 ) 密封面为悬臂结构，在介质内压作用下， 密封面将产生附加密封压紧力，提高密封比压， 具有压力自紧式密封特性。 2 仿真模型与方法 2 1 密封组件非线性特点 密封性能取决于密封面接触应力和密封面间 隙嗍。在装配预紧状态下，K 形环将产生弹塑性 大变形，各密封接触面之间存在摩擦、滑移以及 变形等接触，表现出材料、几何和边界条件非线 性特性。 密封组件材料力学性能参数如表1 所示，其 中球面接头、K 形环和外套螺母为高强不锈钢。 K 形环外表面镀铜和银。由于铜镀层与基体结构 相容性较好，用作底镀层，银用做功能性镀层。 表1 中材料的力学性能参数为名义值( 相对 于变形前的值) ，在仿真计算时需要转换为真实 的应力应变参数( 相对于变形后的尺寸) ，具体 转换关系为 f s = l n ( 8o 。+ 1 ) l 盯= 盯。( 1 + 6 。) 万方数据 第3 9 卷第6 期赵剑，等：自紧式K 形金属密封组件密封特性研究 3 7 式中：o r 。为名义应力；o r 为真实应力；占为 名义应变；占为真实应变。 表I 密封组件材料力学性能 T a b 1M e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs e a l i n gm a t e r i a l s 采用M i s e s 流动理论描述材料进入塑性阶段 的本构关系，其内容包括塑性流动因子和屈服条 件。在D r u c k e r 公设和I l y u s h i n 假设前提下，塑 性变形满足正交法则：塑性变形率沿着屈服面的 外法线方向，通过引入率形式的本构方程，可以 得到塑性流动因子的表达式。应用M i s e s 屈服条 件和各向同性硬化理论，并引入M i s e s 等效应力 作为硬化参数，即 吒= ( 3 1 5 ( 盯) ) ( 2 ) 式中J 2 ( o r ) 为应力偏量的第二不变量，因此M i s e s 流动理论也称为 流动理论。 根据高强度钢的特点，选用幂指数硬化模型 来描述材料的弹塑性本构关系，即 E e 矿 o r = 。 ( 3 ) 【k ( ) 4O r O 。 式中k ，n 为硬化参数。根据上述关系，可以计 算得到高强度钢幂指数硬化曲线( 见图2 ) 。 图2 高强度钢幂指数强化曲线 F i g 2 P o w e re x p o n e n th a r d e n i n gc u r v ef o rs t e e l 2 2 模型与网格 K 形环密封组件为回转体结构，在工作状 态，密封面承受轴向位移和均布内压载荷，具有 几何、载荷和变形的轴对称分布特点，因此可以 将其简化为二维轴对称结构( 见图3 ) 。 图3 模型网格划分示意图 F i g 3 S c h e m a t i cd i a g r a mo fm o d e la n dm e s h K 形环及球面接头采用轴对称非协调单元， 外套螺母简化为离散刚体。在接触局部网格细化， 网格收敛性检验表明：1 71 3 7 个节点满足网格无 关性要求。根据装配关系，分别定义K 形环与球 面接头l 、球面接头2 及外套螺母之间的接触关 系。采用罚函数来表征接触面摩擦准则，摩擦系 数为0 2 ，应用A B A Q U S 软件进行非线性有限元 分析。 2 3 等效预紧力计算 K 形环密封组件采用外套螺母的装配形式， 发动机装配技术要求中明确了外套螺母装配件拧 紧力矩要求。为了便于仿真分析，将拧紧力矩等 效转换为轴向预紧力，经过螺纹连接换算关系【0 l 可以得到等效轴向预紧力F f = 4 37 5 0 5 00 0 0N 。 3 仿真结果与分析 3 1 密封接触建立过程 球面接头1 端部固定，按照“初始位置一预 紧位置一初始位置”的步骤在球面接头2 端部施 加轴向位移载荷，模拟密封组件装配一拆卸过程。 图