一種基于導彈地面試驗臺的對心調節機構設計與研究

任高林，張學偉*，烏日汗，魏強，王永亮，譚旭，劉繼月

(1.中國航天空氣動力技術研究院，北京 100000；2.北京動力機械研究所，北京 100000)

導彈地面試驗臺是針對導彈發動機通過高溫、高壓燃料燃燒后，模擬高空中真實狀態，從而獲得一系列參數和數據的高精度試驗系統。由于導彈的精密特殊性，迷宮密封在導彈地面試驗臺中的應用越來越廣泛。迷宮密封具有結構簡單、工作可靠、使用方便等優點，它是導彈地面試驗臺常用的可靠密封元件[1]。迷宮密封是依靠節流間隙中的節流過程和密封空腔中的動能耗散過程來實現密封[2]。因此迷宮內套和迷宮外套之間存在空腔間隙，并沒有直接接觸，所以在導彈地面試驗臺這種高溫高壓的使用工況下，非常適用，這也是迷宮密封大量應用 在導彈地面試驗臺中最主要的原因。

對心精度是衡量迷宮密封優劣的重要指標。迷宮內套和迷宮外套安裝的對心結果，關系到迷宮密封相同壓差下的泄漏量好壞。泄漏量越小，預示著迷宮密封的密封效果越好、性能越高。為了提高迷宮密封的性能，學者們針對迷宮密封開展了大量研究，也提出了許多迷宮泄漏量的計算方法，如Martin公式[3]、Egli計算方法[4]、Kearton計算方法[5]、Vermes計算方法[6]等。Rhode等[7]以航天發動機為背景，詳細探討了結構尺寸對不同形式迷宮密封性能的影響，在小間隙寬度情況下，間隙效應對泄漏量的影響較大，密封齒被磨損后，會增加迷宮密封的泄漏量。Witting等[8]提出采用一種將數值模擬與模擬退火算法相結合的方法來優化航空發動機中迷宮的密封結構,這種方法可以同時考慮多種因素的影響, 為人們進一步研究迷宮密封的最佳結構提供了方向。肖芳等[9]基于 FLUENT 技術迷宮密封的結構優化，研究表明不同間隙寬度和空腔深度與泄漏量之間存在關系，并基于仿真結果對迷宮密封進行改進，改進后的迷宮密封結構可以有效減少氣體的泄漏量。劉有軍[10]采用模型實驗和數值模擬 的方法,對鋸齒型徑向迷宮密封的密封機理進行了研究。目前，為了提高迷宮密封的使用性能，大多數研究從結構、布置等方面著手進行一系列優化，而針對迷宮密封安裝過程中的相關研究仍處于空白。同時，關于在保證迷宮內套和迷宮外套安裝后的軸向間隙和同軸度的情況下，減小迷宮密封的泄漏量，從而提高迷宮密封性能的研究尚鮮見報道。

迷宮內套和迷宮外套的安裝同軸度，可以直接影響氣體在密封空腔內的速度和壓力分布，對心精度的大小，對迷宮密封泄漏量的影響很大，迷宮內套和迷宮外套的對心精度越高，可以有效減少密封結構氣體的泄漏量。通過對迷宮密封對心精度的研究，可以很大程度上提高它的整體性能。

傳統迷宮內套與迷宮外套安裝過程中，多依靠工人師傅的安裝經驗，配合塞尺進行對心定位和調整，耗費了大量的人力物力。如果試驗狀態發生變化，需要更換其他型號導彈發動機，就需要對迷宮內套與迷宮外套重新進行對心定位安裝。傳統對心定位安裝步驟復雜煩瑣、調節困難、效率低、容錯性小，容易犯經驗主義錯誤[11]。假如迷宮內套和迷宮外套安裝不到位，從而讓密封結構中，氣體的泄漏量增大，從根本上就會削弱迷宮密封的使用效果，嚴重時甚至得不到所需要的實驗數據，導致整個實驗失敗。導彈地面試驗臺中航空發動機的轉子高速轉動，為了減少泄漏損失，保持各腔室工作壓力，保證發動機的正常運轉，現行發動機典型地在關鍵部位均采用迷宮密封。現提出一種新型對心調節機構設計方案，以期提高導彈地面試驗臺中對心安裝精度和安裝效率。

1 對心調節機構的結構組成

本次設計和研制的對心調節機構，包括夾緊機構、固定機構、頂絲調節螺栓、燕尾槽導桿、觀察窗、吊耳。對心調節機構的結構組成圖如圖1所示。

1為夾緊機構；2為固定機構；3為頂絲調節螺栓；4.為燕尾槽導桿；5為觀察窗；6為吊耳

1.1 夾緊機構

夾緊機構分為上下兩部分，分別與迷宮內套和迷宮外套相連接。夾緊機構起固定支撐和軸向定位作用，采用分瓣結構，通過兩側支耳通孔，用螺栓聯結。分瓣結構簡單方便，在安裝定位完成之后，可以直接快速拆裝，減少與周圍元器件的干涉。安裝過程中，先將迷宮外套豎直放置，用夾緊機構下半部分周向包覆固定，同樣利用夾緊機構上半部分夾緊迷宮內套，然后借助燕尾槽導桿進行迷宮內套和迷宮外套的初步安裝。夾緊機構工作狀態如圖2所示。

圖2 夾緊機構工作狀態圖

1.2 頂絲調節螺栓

本次設計和研制的對心調節機構在周向設置了6個頂絲調節螺栓，其的作用在于夾緊機構將迷宮內套和迷宮外套初步安裝之后，借用塞尺測量周向間隙，如果沒有達到設計人員關于同軸度的要求，就可以用這6個頂絲調節螺栓來進行調節。6個頂絲調節螺栓均勻周向布置，通用性和互換性好，解決了迷宮內、外套調整過程當中受力不均勻，難于調整到位的問題，降低了迷宮內、外套調整難度，杜絕了操作工人利用經驗主義盲目調整的現象，大大縮短了安裝和調整時間。

1.3 燕尾槽導桿

夾緊機構內部設有燕尾槽，燕尾槽導桿置于燕尾槽內，燕尾槽和燕尾槽導桿配合使用，起導向和支撐作用。燕尾槽導桿讓迷宮內套和迷宮外套做機械相對運動時，不僅可以提高運動精度，而且運動狀態十分穩定，保護了脆弱的迷宮齒在安裝過程中可能受到的沖擊和磕碰傷害。燕尾槽由于具有特定形狀，它可以讓燕尾槽導桿緊密貼合在燕尾槽內部，不僅引導性好、摩擦性小，而且在任何安裝條件下都能精準定位。待迷宮內套和迷宮外套初步安裝到位后，用螺釘將燕尾槽導桿兩段鎖死，同樣起到了固定和支撐作用。

1.4 觀察窗

觀察窗可以更加清晰、直觀判斷迷宮內套和迷宮外套是否安裝到位，方便操作人員進行安裝工作。觀察窗通常有長方形、正方形、圓形等形式，此次設計的觀察窗除了考慮它的實用性，還考慮到它的工業美觀性，因此在夾緊機構兩側開有兩個五角星觀察窗。五角星觀察窗不僅可以直接觀察到迷宮內套和迷宮外套的結合部，而且美觀大方，提高了整個對心調節機構的工業美觀度。

1.5 吊耳

設計了一種新型吊耳，既可以豎直安裝，又可以方便水平安裝。它有很好的承重能力和穩定性，而且可以提高起重安全載荷的保險系數。對心調節機構在使用過程中，需要多次在水平放置和豎直90°之間轉換，這些問題在現場造成了很大的麻煩，因此本次設計的吊耳充分考慮了豎直和水平吊裝，為了方便快速吊裝和實現位置狀態轉變，對豎直吊裝孔和水平和吊裝孔分開進行設計。吊耳示意圖如圖3所示。

圖3 吊耳示意圖

2 理論計算

運用的是ANSYS 15.0 Workbench仿真軟件對心調節機構的結構力學仿真，采用的分析方法包括彈性力學里的平衡方程、幾何方程和物理方程。對于固體結構問題，由于方程通常建立于固結在物體上的坐標系[拉格朗日(Lagrange)坐標系]和目標體形狀不規則，因此數值分析方法選擇彈性力學有限元法則。計算及分析方程如下。

(1)平衡方程。彈性體V域內任一點沿坐標軸x、y、z方向的平衡方程為

(1)

(2)

(3)

平衡方程的矩陣形式為(在V內)

(4)

(5)

(2)幾何方程。應變-位移關系。在微小位移和微小變形的情況下，略去位移導數的高次冪，則應變向量和位移向量間的幾何關系為

(6)

式(6)中：u、v、w為任一點的位移沿直角坐標軸方向的3個位移分量。

(7)

幾何方程的矩陣形式為(在V內)

ε=Lu

(8)

式(8)中：L為微分算子，即

(9)

(3)物理方程：應力-應變關系。彈性力學中應力-應變之間的轉換關系也稱彈性關系，對于各項同性材料，應力可表示為

σ=Dε

(10)

式(10)中：

(11)

式(11)中：D為彈性矩陣，取決于彈性體材料的彈性模量E和泊松比μ[9]。

表征彈性體的彈性，也可采用Lame常數G(也稱為剪切彈性模量)和λ，它們與E、μ的關系分別可表示為[12]

(12)

(13)

物理方程中的彈性矩陣D也可表示為

(14)

物理方程的另一種表達形式為

ε=Cσ

(15)

式(16)中：C為柔度矩陣，C=D-1，表明柔度矩陣和彈性矩陣是互逆關系。

Sσ+Su=S

(16)

求解步驟歸納為：首先將求解域劃分為網格，然后在網格的節點上用差分方程來近似微分方程，當采用較密的網格，即較多的結點時，近似解的精度越高，仿真結果約靠近實際工況結果。

3 對心調節機構有限元分析

3.1 對心調節機構幾何模型

對此次研發和設計的對心調節機構進行了有限元分析，其結構如圖4所示。模型是由主流三維設計軟件進行建模，將建立好的數模轉化為X-T格式重新導入有限元分析軟件ANSYS中，然后進行數模幾何體簡化和修復，以方便有限元仿真分析計算。

圖4 對心調節機構幾何模型圖

3.2 網格劃分

對心調節機構作為一個整體組合件進行仿真分析，因其各組成部分形狀不規則，幾乎全部是曲面造型設計，因此采用非結構化網格進行離散處理，這種網格細化處理方式可以進行高效處理和計算。對心調節機構整體采用靜止參考系，采用 Automatic 網格劃分法，針對對心調節機構不同結構部件的復雜程度，設置不同的網格密度。固定機構element size設置為25 mm，其他部分設置為20 mm，得到630 136個單元，930 068個節點。網格劃分結果如圖5所示。

圖5 對心調節機構網格劃分

3.3 對心調節機構有限元分析

對心調節機構有限元仿真模擬通過商用軟件ANSYS 15.0 Workbench實現，求解時采用隱式求解算法，對對心調節機構進行結構力學仿真模擬。坐標系采用右手笛卡爾直角坐標系，取固定機構幾何中心為原點，取夾緊機構往外運動方向為x軸，其平行于水平面，指向往外為正；取機構橫向為y軸，也水平于水平面，指向機構左向為正，z軸垂直于水平面，單位制采用t、mm、s。創建坐標系后，對整體機構施加重力載荷，等效機構受力情況[13-15]。設置機構邊界條件的方法是：約束機構中固定機構的幾何中點，防止模型發生剛性位移。在固定機構外表面施加固定約束，限制6個自由度方向，螺栓連接部分施加固定約束，夾緊機構施加可在x軸向(水平方向)運動約束。機構材料為Q345B，屈服極限 345 MPa，彈性模量210 GPa，泊松比0.3[16-19]。

通過對有限元仿真計算結果分析發現，整個對心調節機構里，受應力最大且最薄弱的地方是燕尾槽導桿，最容易發生形變的位置是夾緊機構上半部分支耳處。

圖6 對心調節機構應力位移云圖

圖7 對心調節機構應變云圖

經有限元分析, 對對心調節機構局部進行材質升級和優化處理[20]。對心調節機構整體采用碳鋼Q235B，燕尾槽導桿則采用304(06Cr19Ni10)或者316(06Cr17Ni12Mo2)材質，用來提高燕尾槽導桿的最大屈服強度，提高對心調節機構的安全使用性。對夾緊機構上半部分支耳則進行加厚處理，增加此處支耳的整體剛度，減少此處的應變。

4 安裝與調節流程

在導彈地面試驗臺中，同軸度的要求非常高，設備安裝完成后，一般同軸度都要求在10絲以內[21]。為了確保導彈地面試驗臺能準確獲得準確實驗數據，對心調節機構用處很大。

以迷宮內、外套安裝為例，在對心調節機構當中，夾緊機構是分瓣設計，因此先用夾緊機構下半部分將迷宮外套完全包覆及固定，然后將迷宮外套豎直放置。用同樣的方法，將夾緊機構上半部分與迷宮內套固定成一體。然后借用吊車、電動葫蘆等吊裝工具，沿用燕尾槽導軌，將迷宮內套緩緩移進迷宮外套的內部腔體。這種豎直安裝的優點在于，可以對迷宮外套里面的迷宮齒起到保護不磕碰的作用。

通過五角星觀察窗，確定迷宮內、外套安裝到位后，用螺栓將燕尾槽導桿兩端擰死固定。利用經緯儀、水平儀等工具將固定支架安裝到位，然后用新式吊耳將迷宮內、外套整體水平吊裝到固定支架上面。利用對心調節機構里的固定機構，將迷宮外套固定起來。

按照設計人員同軸度要求，用塞尺測量迷宮內外套的周向間隙是否合格。如不滿足要求，可以利用周向6個頂絲調節螺栓進行一一調節，直至迷宮內、外套同軸度滿足實驗要求。

迷宮內、外套同軸度達到要求之后，松開固定機構的螺栓，并把夾緊機構分開拆卸下來，最終達到對心調節機構安裝和調節的目的。

5 安裝效果

安裝前清理迷宮內套和迷宮外套內腔表面、密封面筒段間的頂緊面以及密封墊片表面，不允許有油污或者其他雜質。用對心調節機構將迷宮內套和迷宮外套安裝到位后，再拆除對心調節機構。迷宮內、外套軸向間隙按照技術要求應為1.8 mm,安裝精度要求同軸度不大于0.1 mm。最后經技術人員用塞尺進行迷宮內、外套軸向間隙的測算，最大軸向間隙為1.82 mm，最小軸向間隙為1.78 mm。對心調節機構實際應用效果圖如圖8所示。

圖8 對心調節機構實際應用圖

6 結論

從實踐效果來看，所研制的對心調節機構完全可以滿足迷宮內、外套對同軸度的安裝要求。通過對心調節機構這種輔助工裝使用，使迷宮內、外套快速安裝到位，節約時間，方便快捷，節省大量人力成本。其結構簡單易操作，可以大大降低同軸度安裝的工作難度，同時可以提高同軸度的準確性和可靠性。在導彈地面試驗臺中，為了獲得準確實驗數據，大量采用同軸的筒徑設備相連，因此同軸度的安裝量大且難度高，本次研發的對心調節機構不僅可以精準安裝迷宮結構，對于其他有同軸度要求的設備，同樣可以適用，具有很大的工程現實指導意義和經濟效益。