閥門環形螺栓組裝配工藝實驗研究

范曉雷， 劉兆賓， 賈靜雅， 霍亮， 關正坤（首都航天機械公司，北京100076）

0 引言

法蘭密封性對航天發動機整體性能有著重要的影響，螺栓連接是閥門環形法蘭結構的最主要連接方式，螺栓法蘭連接的螺栓預緊力一致性直接影響著墊片及法蘭面的變形，從而影響法蘭的密封性。為了有效控制閥門環形螺栓組裝配過程中產生的預緊力，分析閥門螺栓組裝配預緊力的影響因素，本文設計此驗證實驗。為閥門螺栓組裝配工藝優化提供有效理論參考和工藝指導，解決目前工程應用的相關問題。

1 閥門環形螺栓組實驗方案設計

閥門環形螺栓組裝配工藝實驗主要由三個平臺組成即：實驗平臺、檢測平臺和分析平臺（如圖1所示）。實驗平臺包括工作臺、實驗工件、法蘭系統等；檢測平臺主要是依賴于預先設計好的閥門預緊力多路信號測試儀將獲取的預緊力信號進行分析、處理，以便于實時觀測螺栓預緊力的變化；分析平臺即利用MATLAB和EXCEL等軟件分析獲得的閥門環形螺栓組預緊力實驗數據，建立實驗模型，優化閥門環形螺栓組裝配工藝。的剛度不受外界剛度的影響，本文采用了法蘭兩側壓緊的夾緊方案。實驗過程中，采用力傳感器測試環形法蘭螺栓組的預緊力。力傳感器均布在環形法蘭的螺栓組分布圓上。為了有效保護傳感器的磨損和使用精度，在螺栓與力傳感器接觸部分以及上法蘭與力傳感器接觸部分安有環形墊片。所有力傳感器可以同時采集環形法蘭螺栓組的預緊力信號，將信號同步輸送到螺栓預緊力多路信號測試儀當中，同步分析、處理和顯示。

圖1 實驗方案框圖

圖2 閥門環形螺栓組裝配預緊力測試實驗圖

實驗裝置實物圖如圖2所示，由支撐平臺、法蘭卡具、試驗工件、墊圈傳感器和螺栓預緊力測試儀組成。為了保證法蘭裝配體

2 閥門環形螺栓組裝配工藝實驗結果分析

2.1 墊片影響因素的實驗研究

墊片是影響閥門法蘭裝配工藝螺栓預緊力控制的重要因素。由于不同墊片的表面粗糙度、強度和剛度不同，導致在承載螺栓預緊力時法蘭的變形和應力也不盡相同。加之墊片本身固有的壓縮回彈特性，從而導致法蘭表面與螺栓接觸的墊片各點的應力不同，壓緊變形也分布不均勻［1］。

圖3 不同墊片螺栓預緊力趨勢圖

為了研究不同墊片對閥門螺栓組裝配工藝的影響，本文在 20～30 N·m的力矩范圍內，對非金屬墊片、合金鋼墊片和銅合金墊片進行了螺栓預緊力測量實驗。根據測試數據繪制了不同墊片的螺栓預緊力變化趨勢圖，如圖3所示。

通過圖3所示的螺栓預緊力變化趨勢可以看出，施加相同的力矩，銅合金墊片、合金鋼墊片和非金屬墊片的螺栓預緊力逐步降低。由于這三種情況在螺紋副間摩擦基本一致，產生變化的原因是螺栓與墊片接觸表面的摩擦因數。銅合金墊片、合金鋼墊片和非金屬墊片的表面摩擦因數依次變大，所以在與螺栓接觸表面的摩擦力與摩擦消耗較大，因此由力矩轉化的預緊力逐步減小。而且非金屬墊片的強度和剛度相對較弱，當超出允許載荷引起墊片的壓潰變形，導致了預緊力急速下降。由于三組墊片中，銅合金墊片的強度和剛度較高，表面粗糙度較小，而且經過測試螺栓預緊力加載曲線線性度相對較好，因此采用銅墊片作為螺栓預緊力裝配工藝研究的接觸墊片來研究。經螺栓預緊后，各墊片的變形如圖4所示。

圖4 經螺栓預緊后墊片變形圖

2.2 潤滑條件影響因素的實驗研究

螺栓和法蘭接觸表面的潤滑狀態對于扭矩控制法的擰緊系數具有重要影響，因此必須對閥門螺栓組裝配的潤滑狀態進行控制。通過公式法測試獲得有效、可靠的擰緊系數［2］：

式中：T為擰緊力矩；d為螺紋直徑；F′為預緊力。

圖5 不同潤滑條件扭矩系數變化趨勢

本文的潤滑條件分為有、無潤滑兩種。有潤滑的工況采用高級性能鋰基脂分別對螺紋副、墊片接觸區域等進行充分潤滑。根據式（1）得到擰緊系數繪制擰緊趨勢圖（圖5）。有潤滑條件的擰緊系數變化趨勢平穩，穩定性明顯好于無潤滑的條件。

2.3 擰緊工藝影響因素試驗研究

為了驗證裝配順序對閥門螺栓組裝配工藝的影響，運用實驗法對閥門環形螺栓組裝配順序進行研究。實驗前對閥門螺栓組進行編號，間隔安置墊圈力傳感器測試螺栓預緊力。多次加載時，第一遍加載，采用10 N·m的擰緊力矩，根據螺栓編號按順序裝配閥門螺栓；第二遍加載，采用20 N·m的加載力矩。

為了研究螺栓預緊力的相對變化量，根據式（2）采用相對系數ξ作為觀察量，繪制不同螺栓預緊力相對系數變化曲線如圖6所示。

式中：xi為組內螺栓預緊力測試值；x0為組內螺栓預緊力中位數。

從圖6中可以看出不同加載順序時，不同螺栓的預緊力大小變化出現了波動。隨著加載次數的不同，各個螺栓預緊力的相對系數也隨之變化。對角加載時螺栓預緊力相對變化量和順序加載的工況下相比，相對系數變化范圍較小，同時加載時螺栓預緊力相對系數變化的范圍較小。而且第二遍加載對第一遍加載的預緊力產生了影響。相對系數以“波浪”的形式往返變化，具有隨機性。對比分析相對系數變化趨勢與范圍，可以看出順序加載、對角加載、同時加載的相對系數變化范圍依次減小。

圖6 預緊力相對系數變化曲線

2.4 差方分析法

與切比雪夫法評估預測通過前面對相對系數的討論與計算，可以看出螺栓預緊力相對系數對于衡量螺栓預緊力變化范圍與波動相對值具有重要影響。因此，我們提取順序擰緊、對角擰緊、同時擰緊和一遍加載與兩遍加載的工況下，對比分析螺栓預緊力的平均數與方差值。

由于螺栓預緊力相對系數變化范圍較小，故將相對系數放大100倍，采用百倍相對系數來衡量計算得出的平均值與方差如表1所示。

表1 螺栓預緊力相對系數平均數和方差計算表N

通過表1我們可以看出，不同擰緊順序和擰緊次數時，螺栓預緊力的相對系數不一致。平均值相差不明顯。而百倍相對系數隨著擰緊順序和擰緊次數的不同，方差變化明顯。對角擰緊順序時的方差小于順序擰緊時的方差；同時擰緊時的方差小于對角擰緊時的方差。而隨著擰緊次數的增加，方差逐步減小，這與圖6中相對系數變化范圍趨勢相一致。在已有的擰緊方式當中，同時兩遍的擰緊方式的相對系數方差最小，相對波動范圍也最小。

由于閥門環形螺栓組預緊力控制分布數學模型未知，故本文針對同時兩遍擰緊的擰緊方式，采用切比雪夫不等式對螺栓預緊力控制準確性進行預測評估分析［3］。

由切比雪夫不等式：

式中：E（X）為隨機變量的期望；Var（X）為隨機變量的方差；ε為任意正數。

當任意正數 ε=kσ（X）（σ（X）為隨機變量的標準差），則其變形公式為：

取同時擰緊兩次加載的測量結果作為一個隨機變量X，則通過計算獲得測量結果的期望E（X）為12 303 N，方差Var（X）為214 N。針對同時二遍加載預測預緊力誤差在5%的范圍內即預緊力的誤差在12 303±615 N，采用切比雪夫不等式預測結果如下：

通過切比雪夫不等式預測，在同時擰緊、多次擰緊的加載方式下，螺栓預緊力控制精度在5%的范圍內的概率為0.88，相對于傳統扭矩控制方法，產生了較好的效果。

3 結論

1）閥門墊片和潤滑條件對閥門螺栓組預緊力的一致性具有重要影響；

2）閥門螺栓裝配順序是影響閥門環形螺栓組預緊力的控制波動的重要因素，合理有效的裝配順序是保證閥門環形法蘭預緊力一致性較好的前提條件；

3）通過對順序加載、對角加載、同時加載裝配順序進行的試驗分析得出，對角加載優于順序加載，同時加載優于對角加載的優化方案。

［參考文獻］

［1］高俊峰，吳樹濟.壓力容器用大直徑法蘭連接密封墊片的選用［J］.壓力容器，2012，19（10）：67-70.

［2］華軍.螺紋潤滑狀態改變對螺栓預緊力矩影響的分析［J］.機車車輛工藝，2009（6）：13-15.

［3］茆詩松，周紀薌.概率論與數理統計［M］.上海：華東師范大學出版社，1999：105-107.