航空高壓氮?dú)馄坑帽破?密封結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)研究
0引言
隨著我國(guó)航空領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展，對(duì)配套用的氮?dú)馄刻岢隽烁邏?、高低溫、振?dòng)及沖擊等要求，與此同時(shí)對(duì)氮?dú)馄坑帽破囊笙鄳?yīng)越來(lái)越嚴(yán)酷，特別是密封性能，對(duì)于航空氮?dú)馄康陌踩陵P(guān)重要，一旦發(fā)生泄露嚴(yán)重時(shí)將會(huì)導(dǎo)致機(jī)毀人亡的事故。
航空高壓氮?dú)馄坑帽破纳a(chǎn)制造沒(méi)有可以執(zhí)行的國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)及航空標(biāo)準(zhǔn)，目前只能參考工業(yè)用的GB567-2012《爆破片安全裝置》、GB/T16918-2017《氣瓶用爆破片安全裝置》等標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)GB/T16918-2017《氣瓶 用爆破片安全裝置》可知：氣瓶用爆破片安全裝置的結(jié)構(gòu)根據(jù)是否重復(fù)充裝可分為兩種形式，一種由爆破片、壓環(huán)(或夾持器)、螺塞和螺蓋(或壓蓋)組成，一種是爆破片直接焊接在瓶體上，但兩種結(jié)構(gòu)適用的最高壓力在標(biāo)準(zhǔn)中未明確，基于此，文中以某航空高壓氮?dú)馄坑帽破瑸檠芯繉?duì)象，分別按照上述兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行試制樣件，試驗(yàn)研究其在高壓、高低溫、振動(dòng)及沖擊等環(huán)境工況下的密封性能、爆破壓力及壽命情況，為航空高壓氮?dú)馄坑帽破拿芊饨Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。
1爆破片性能指標(biāo)及試驗(yàn)裝置
1.1 爆破片性能指標(biāo)
某航空高壓氮?dú)馄坑帽破闹饕阅苤笜?biāo)見(jiàn)表1。1.2 試驗(yàn)裝置
密封性試驗(yàn)裝置采用氣密性檢測(cè)裝置，將爆破片裝置連接充氣接口，通過(guò)水密法進(jìn)行加壓檢測(cè)是否有氣泡產(chǎn)生。高低溫試驗(yàn)裝置采用HL6025T高低溫試驗(yàn)箱，溫度范圍為(-60~150)℃。振動(dòng)試驗(yàn)裝置采用ACT2000-S0200L電磁振動(dòng)臺(tái)，可模擬仿真多種振動(dòng)譜。沖擊試驗(yàn)裝置采用ZFS008落塔式?jīng)_擊試驗(yàn)臺(tái)。爆破壓力試驗(yàn)裝置采用爆破壓力顯示儀試驗(yàn)器及充氣裝置，充氣裝置給爆破片加壓，當(dāng)爆破瞬間時(shí)顯示儀自動(dòng)采集壓力并顯示。壽命試驗(yàn)裝置采用JBJ-2交變壓力試驗(yàn)機(jī)，利用高比值的氣液增壓泵(1：100)將液體增壓到所要求的壓力，用另一只高比值氣液增壓泵(1：130)作交變運(yùn)行，前泵首先用于排除管道中的空氣，后增壓到上限值，在交變過(guò)程中如有微滲而達(dá)不到上限壓力值時(shí)，經(jīng)程序判斷，該泵自動(dòng)實(shí)行補(bǔ)壓到上限值，完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。
表1 爆破片性能指標(biāo)
2 樣件試驗(yàn)情況及結(jié)果分析
2.1 樣件制造及試驗(yàn)項(xiàng)目
按照國(guó)標(biāo)GB/T16918-2017中的結(jié)構(gòu)分別試制兩種樣 件，由于航空設(shè)備的互換性要求，爆破片在同一個(gè)氣瓶中應(yīng)能互換，故樣件采用整體結(jié)構(gòu)，通過(guò)螺紋與氣瓶連接。爆破片材料采用不銹鋼，厚度0.08mm，泄放口徑5mm，圓角半徑1mm，設(shè)計(jì)溫度22℃,采用41MPa壓力預(yù)拱成形。
圖1 樣件1、2 結(jié)構(gòu)及實(shí)物圖
圖2 樣件2C、2A 缺陷圖
表2 樣件1、2 試驗(yàn)情況
樣件1按照GB/T16918-2017中的第一種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行設(shè)計(jì)制造，包括底座、爆破片、上下壓環(huán)、夾持螺柱及鎖緊螺母，爆破片通過(guò)上下壓環(huán)壓接密封。
樣件2按照GB/T16918-2017中第二種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行設(shè)計(jì)制造，包括爆破片及底座，爆破片與底座之間通過(guò)真空電子束焊接密封。樣件1、2結(jié)構(gòu)如圖1所示。
試驗(yàn)項(xiàng)目：密封性、高低溫、振動(dòng)、沖擊、壽命、爆破壓力。
按照?qǐng)D1結(jié)構(gòu)進(jìn)行樣件制造，樣件1、2分別制造6件進(jìn)行試驗(yàn)。樣件1分別編號(hào)為1A、1B、1C、1D、1E、1F。樣件2分別編號(hào)為2A、2B、2C、2D、2E、2F。
試驗(yàn)順序：先進(jìn)行密封性試驗(yàn)，合格后抽2件產(chǎn)品1E、1F進(jìn)行爆破壓力試驗(yàn),全部都合格后，余下4件產(chǎn)品1A、1B、1C、1D分成兩組，1A和1B為一組，1C和1D為一組，1A和1B只進(jìn)行壽命試驗(yàn)，1C和1D進(jìn)行余下的試驗(yàn)。樣件2試驗(yàn)同樣件1。樣件1、2試驗(yàn)情況及結(jié)果見(jiàn)表2所示。
2.2 樣件1、2試驗(yàn)情況
1A、1C、1E、1F分別在22.1MPa、20.2MPa、21MPa、21.5MPa時(shí)泄漏，檢查發(fā)現(xiàn)爆破片與上下壓環(huán)接觸處邊緣出現(xiàn)脫落。1B在進(jìn)行交變532次時(shí)發(fā)生泄漏，檢查發(fā)現(xiàn)爆破片與上下壓環(huán)接觸處脫落。1D在進(jìn)行振動(dòng)后發(fā)生泄漏，檢查發(fā)現(xiàn)鎖緊螺母松脫。
2C在不到2MPa時(shí)泄漏，檢查發(fā)現(xiàn)爆破片與閥體邊緣出現(xiàn)焊接缺陷。2A在交變3998次后發(fā)生泄漏，檢查發(fā)現(xiàn)爆破片破裂處有劃痕(圖2)。
試驗(yàn)結(jié)果表明：樣件1的密封結(jié)構(gòu)不適合高壓工況，同時(shí)抗振動(dòng)性能較差;樣件2的密封結(jié)構(gòu)可以滿足高壓工況，且通過(guò)高低溫、振動(dòng)、沖擊等試驗(yàn)，但是在試制過(guò)程中發(fā)現(xiàn)存在如下幾個(gè)問(wèn)題：
(1)閥體與爆破片焊接工藝?yán)щy，需借助焊接夾具完成，且裝夾不方便，同時(shí)由于爆破片較薄，焊接處易出現(xiàn)缺陷，2C密封泄漏原因就在于焊接缺陷。
(2)閥體與爆破片焊接后爆破片直接暴露在外，轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中容易劃傷，2A在交變3998次后發(fā)生泄漏的原因在于轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中發(fā)生劃傷，劃傷使爆破片厚度變薄，交變過(guò)程中劃傷處提前疲勞破裂。
為了提高焊接性及保護(hù)爆破片，在爆破片處增加一個(gè)零件——壓環(huán)，其作用在于提高焊接工藝性能，同時(shí)保護(hù)爆破片不受劃傷。為了驗(yàn)證此結(jié)構(gòu)，該項(xiàng)目試制6只樣件3進(jìn)行試驗(yàn)，其結(jié)構(gòu)及實(shí)物如圖3。
2.3 樣件3試驗(yàn)情況
按照?qǐng)D3結(jié)構(gòu)進(jìn)行樣件制造，樣件3制造6件進(jìn)行試驗(yàn)。樣件3分別編號(hào)為3A、3B、3C、3D、3E、3F。試驗(yàn)順序同樣件1。
圖3 樣件3 結(jié)構(gòu)及實(shí)物圖
表3 樣件3 試驗(yàn)情況
3A、3B均通過(guò)5000次交變壓力的壽命試驗(yàn)，3C、3D均通過(guò)高低溫、振動(dòng)及沖擊，3E、3F爆破壓力分別為46.75MPa及46.28MPa，符合(45.5±2.5)MPa。
3 結(jié)語(yǔ)
以某航空高壓氮?dú)馄坑帽破瑸檠芯繉?duì)象，分別按照上述兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行試制3種樣件，試驗(yàn)研究其在高壓、高低 溫、振動(dòng)及沖擊等環(huán)境工況下的密封性能、爆破壓力及壽命情況。結(jié)果表明，相同試驗(yàn)條件下，上下壓環(huán)壓接密封及直接焊接底座密封方式都存在缺陷，壓環(huán)焊接式爆破片可以耐受高壓、高低溫、振動(dòng)及沖擊等環(huán)境工況，性能指標(biāo)都符合要求，關(guān)于此方式密封結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)爆破片產(chǎn)生何種影響，有必要進(jìn)一步展開(kāi)研究。
