fl-9風(fēng)洞管氣密封的研制

fl-9風(fēng)洞管氣密封的研制

1fl-9洞穴風(fēng)險(xiǎn)測量是指由動(dòng)力設(shè)備驅(qū)動(dòng)的管道噪音，并在模型1中對1進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)測試的設(shè)備。最常見的是低速風(fēng)洞。風(fēng)洞是發(fā)展航空航天事業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備,研制飛機(jī),包括航天飛機(jī),都必須在風(fēng)洞中進(jìn)行大量的試驗(yàn),試驗(yàn)飛機(jī)能否飛起來,能飛多高、多快和多遠(yuǎn)以及其他各項(xiàng)飛行性能。哈爾濱的FL-9風(fēng)洞由動(dòng)力段、收縮段、穩(wěn)定段、試驗(yàn)段、擴(kuò)散段等組成,洞體凈重3400t,最大直徑近16m,是一個(gè)體積龐大、洞體截面變化大、密封度高,精度要求高的制造安裝工程。它的建立,將填補(bǔ)我國低速高雷諾數(shù)風(fēng)洞的空白,使我國低速風(fēng)洞試驗(yàn)設(shè)備和水平跨入國際先進(jìn)行列。2裝置的特點(diǎn)分析為了滿足風(fēng)洞特殊的使用要求,取得較高的密封效果,研制了軟管型充氣密封件(見圖1)。通過充氣膨脹試驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了密封的目的。充氣膨脹密封的特點(diǎn)如下:(1)不需要附壓,靠充氣膨脹實(shí)現(xiàn)密封,可以密封較大的間隙,可以作為特殊機(jī)械密封裝置。(2)在密封面傾斜、彎曲、凹凸、撓動(dòng)、偏移等場合下也能發(fā)揮其密封作用。(3)不易產(chǎn)生由于與密封面的接觸及偏移所造成的磨耗和撕裂現(xiàn)象。(4)與壓縮型的密封圈不同,不發(fā)生蠕變現(xiàn)象3試驗(yàn)儀器與方法密封圈結(jié)構(gòu)見圖2。主要原材料:氯丁橡膠CR,重慶長壽化工廠;促進(jìn)劑,萊茵化學(xué)有限公司;改性劑A,杜邦公司;增粘劑B,萊茵化學(xué)有限公司;聚四氟薄膜,江蘇泰氟隆制品有限公司。實(shí)驗(yàn)設(shè)備:MDR-100E型無轉(zhuǎn)子硫化儀,MZ-4000C拉力機(jī),MZ-4003疲勞試驗(yàn)機(jī),江都市明珠實(shí)驗(yàn)機(jī)械廠;XLB-D1200×1200×13.15MN平板硫化機(jī),青島雙星機(jī)械有限公司;XJ-115橡膠擠出機(jī),內(nèi)蒙古富特橡塑機(jī)械公司。試驗(yàn)方法:拉伸強(qiáng)度、永久變形、拉斷伸長率按GB/T528-1998測試;硬度按GB531-1999測試;屈撓按GB/T1688-1986測試;低溫脆性按GB/T1682-1994測試;氣密性按GB/T7755-1987測試。配方(YKD5601):氯丁橡膠CR,100;改性劑,10;氧化鋅,5;氧化鎂,4;促進(jìn)劑,4;防老劑,1;偶聯(lián)劑,2;增粘劑,1.5;炭黑,50;防焦劑,0.5。3.1拉斷伸長率、屈撓試驗(yàn)材料性能:拉伸強(qiáng)度,18MPa;永久變形,10%;拉斷伸長率,550%;邵爾A硬度,50;屈撓試驗(yàn)(100%),150000次;低溫脆性溫度,-40℃;氣密性,9×10-17m2s-1P-1a?1a。3.2增粘劑用量對材料拉伸性能的影響配方中的增粘劑用量直接關(guān)系到密封件接頭性能,因此對配方中粘合劑的用量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見圖3。從圖3中可看出,增粘劑用量為1.5份時(shí),材料的拉伸性能達(dá)到最大值,當(dāng)用量再大時(shí),材料的拉伸性能開始下降,這表明配方中增粘劑用量并非越多越好,達(dá)到最大值后,性能開始下降。因此增粘劑的最佳用量為1.5份。4試驗(yàn)結(jié)果及分析由于該密封件尺寸較大,最大外徑為Φ8100mm,且為8角形圓管密封圈,所以不可能一次成型;由于充氣需要,必須加工附帶氣嘴,因此只能采取分段硫化連接成型的方法。工藝對比試驗(yàn):通過不同的接頭方式進(jìn)行試驗(yàn),其結(jié)果見圖4。從圖4的效果對比不難看出,方案5生頭-生頭加膠粘劑對接是實(shí)驗(yàn)效果中最好的,因此把工藝定為生頭-生頭加膠粘劑搭接法。由于風(fēng)洞密封圈的規(guī)格太大,采用分段硫化的方法,擠出機(jī)擠出半成品后,根據(jù)模具大小,裁制半成品,型腔適當(dāng)涂脫模劑,保壓硫化;搭接方法采用生頭對生頭搭接,即使用半成品的生頭與生頭進(jìn)行搭接,保證橡膠分子鏈最大程度的交聯(lián),裁制所需尺寸的半成品,清洗后進(jìn)行搭接、硫化。由于采用了最新的搭接工藝,搭接處拉伸強(qiáng)度可以達(dá)到15.2MPa,與主體膠料的性能基本一致。5復(fù)合材料的開發(fā)為了減小風(fēng)洞密封圈與金屬之間的摩擦,研制了橡膠與聚四氟薄膜復(fù)合的特殊材料,并以此為制造擋圈的基體材料。聚四氟薄膜的摩擦系數(shù)僅為0.04,可以大大降低密封圈的磨耗。經(jīng)試驗(yàn),該材料(橡膠與聚四氟薄膜)的剝離強(qiáng)度可以達(dá)到5MPa以上,完全可以滿足風(fēng)洞密封圈的使用要求。眾所周知,由于氟原子的高穩(wěn)定性和極性,導(dǎo)致聚四氟薄膜表面與橡膠的粘合是相當(dāng)困難的,采用特殊的表面活化技術(shù),在聚四氟薄膜的表面成功引入活性基團(tuán),并使用自制的粘合劑,使得聚四氟薄膜成功地復(fù)合到橡膠表面。擋條材料采用特殊的配方,YKD5606,該材料與金屬的膠粘效果非常理想。試驗(yàn)操作方法:分別打毛擋條的橡膠面與工裝凹槽面,用酒精清洗后晾干;分別在打毛面涂膠粘劑,晾置20min左右,將擋條貼合到工裝槽中,施壓1min,固化時(shí)間為6h。用該樣件做剝離試驗(yàn),剝離強(qiáng)度可以達(dá)到25kN/m,經(jīng)試驗(yàn)的橡膠樣件表面嚴(yán)重破壞。6發(fā)生橫向或縱向爆破密封件管壁受內(nèi)壓力P的作用,當(dāng)力P超過一定值會(huì)引起管壁橫向或者縱向爆破,內(nèi)壓力分解為垂直于管壁的分力Py和平行于管壁的分力Px,由這2個(gè)分力導(dǎo)致管壁沿軸向或橫向破裂。6.1裂圓重?cái)嗔褕A管內(nèi)裂圓面的張力公式設(shè)內(nèi)徑為Di,長度為L的一段密封件,密封件內(nèi)壓力P均勻作用在管壁圓柱面上(見圖5),使管徑向斷裂半圓一側(cè)所產(chǎn)生張力Py為:Ρy=ΡAy2=ΡDiL2Py=PAy2=PDiL2式中:P-管內(nèi)氣體壓強(qiáng),MPa;Di-密封件的內(nèi)直徑,mm;L-所取密封件的長度;Ay-膠管L長的內(nèi)壁總面積。在壁厚為δ的斷面上產(chǎn)生的徑向應(yīng)力為:σ1=ΡyL?σ=ΡDi2δσ1=PyL?σ=PDi2δ6.2旋轉(zhuǎn)接頭的平衡如圖6,設(shè)管體沿B-B面斷裂時(shí)作用于管壁截面上的軸向應(yīng)力:Px=Ax·σ2式中:Ax—密封件截面面積(Ax=πDiδ)mm2;σ2—軸向應(yīng)力,MPa。當(dāng)受力平衡時(shí),作用于管體截面上的外力為πD2i2iP/4與管壁內(nèi)力Px相等即:πD2i2iP/4=πDiδσ2則有:σ2=DiP/(4δ)根據(jù)上式計(jì)算可得,σ1=2σ2,即徑向應(yīng)力等于軸向應(yīng)力的2倍。當(dāng)密封件受到外力爆破時(shí),沿縱向斷裂的可能性大于橫向斷裂的可能性。經(jīng)過上面的計(jì)算與分析,對制品的性能檢驗(yàn)提供了一個(gè)理論依據(jù)。由于該制品是分段連接而成,每2段之間的連接強(qiáng)度是控制產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵,根據(jù)上述的分析計(jì)算,即使連接處軸向強(qiáng)度超過徑向強(qiáng)度的一半,在使用過程中就不會(huì)發(fā)生橫向斷裂。6.3測試強(qiáng)度、徑向測試強(qiáng)度軸向與徑向取樣見圖7。經(jīng)過試驗(yàn)測試,軸向測試強(qiáng)度為15.2MPa,徑向測試強(qiáng)度為12.6MPa。經(jīng)過上述的分析,只要徑向強(qiáng)度滿足要求,軸向受力不足以對產(chǎn)品產(chǎn)生破壞。7對產(chǎn)品質(zhì)量的性能和密封試驗(yàn)7.1最大應(yīng)力+5.4.4根據(jù)使用要求,制品的最大充氣壓力為Pmax=0.7MPa,此時(shí)最大應(yīng)力σmax=4.43MPa,根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),制品的徑向強(qiáng)度為12.6MPa,所以在強(qiáng)度上可以滿足使用要求,而且安全系數(shù)較大。7.2制品斷面長度l工裝斷面形狀見圖8。密封槽周長280mm。當(dāng)Pmax=0.7MPa時(shí),D=100.32mm;制品斷面周長L=πD=315mm>280mm。此時(shí)制品與上側(cè)的密封面形成面接觸,能夠形成完整的密封。7.3密封圈的氣密性為了檢驗(yàn)密封圈的密封性能,對密封圈進(jìn)行了氣密性檢驗(yàn)試驗(yàn),試驗(yàn)周期為2個(gè)月,試驗(yàn)方法為:在工裝狀況下,對密封圈打壓至0.7MPa保壓2個(gè)月,利用壓力表檢驗(yàn)密封圈的氣密性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖9。密封圈在打壓的前2d壓強(qiáng)稍微有所下降,但從第3d開始壓強(qiáng)變化開始漸漸平緩。從圖9中可以看到,密封圈的變化到了后期從第10d到第30d基本沒有什么變化。通過模擬試驗(yàn),該密封圈可以達(dá)到使用要求。8分段連接技術(shù)(1)成功研制出風(fēng)洞類專用氣密