楊 寒,徐慶逍
(北京航天試驗技術研究所,北京 100074)
多余物是一種在產品中存在的、由外部進入或內部產生的、與產品規(guī)定狀態(tài)不符的物質[1]。在航天閥門與組合件試驗中,多余物控制一直是試驗質量工作的重中之重。閥門低溫振動試驗是一種在低溫狀態(tài)下,對試驗件施加額定工況的振動條件,測試其啟閉性能、密封性能的試驗,考核試驗件在箭上的工作狀態(tài)。試驗同時面臨低溫和振動兩大嚴苛考驗:一方面,大多數材料在低溫條件下韌性下降,剛性增大,發(fā)生脆性損傷的可能性增大,產生多余物的可能性增加;另一方面,振動試驗為盡可能的模擬試驗件經歷的真實工況,振動量級大,振動時間長,容易將薄弱點振動脫落。一旦有多余物進入閥門內部,輕則劃傷閥門密封面,造成閥門密封不嚴,出現內漏;重則進入發(fā)動機內,造成發(fā)動機故障,影響發(fā)射。因此,如何在閥門低溫振動試驗時對多余物進行有效控制,防止多余物進入閥門,是需要解決的問題。
多余物根據產生方式、材料種類、大小形狀、危害程度的不同可以有多種分類方式。按照材料種類,將低溫振動試驗可能引入、產生的多余物分為金屬多余物、非金屬多余物和冰三大類。
1.1.1 金屬多余物
金屬多余物主要來源于系統(tǒng)管路、附件及試驗件,由于振動過程使脆弱點崩裂脫落,其中鉛封塊、彈簧、焊接接口、連接鉚釘等是主要的脆弱點,特別是相對運動的組件如頂桿、推桿、波紋管組件最易形成破損產生多余物。金屬多余物形態(tài)各異,尺寸范圍大,在強光照射下多呈現金屬光澤。這類多余物硬度相對較高,危害性最大,如果進入試驗件內部,嵌入到密封端面上,將導致試驗件密封不嚴,出現內漏漏率增大現象;如果通過閥門進入了渦輪泵內部,可能導致泵輪由于撞擊產生薄弱點,進而導致故障。因此,金屬多余物控制是重中之重。
1.1.2 非金屬多余物
非金屬多余物主要在試驗件生產、運輸及裝配過程中,由外界引入系統(tǒng)內部。低溫振動試驗中可能引入的該類多余物主要有油膏、橡膠密封件的飛邊、稠布絲、清洗液殘留物、環(huán)氧樹脂屑、非金屬纖維物、塵埃等。該類多余物在常溫下硬度大多較低,但在低溫下物性會迅速變化,對試驗件和試驗系統(tǒng)造成危害,必須嚴防非金屬多余物的引入。
1.1.3 冰
冰是一種相對特殊的多余物,它在常溫下表現為水蒸氣,僅能通過采集化驗進行測量量化,但是一旦進入低溫狀態(tài)下,氣體介質中所包含的水蒸氣會迅速液化、凝結為冰顆粒,并隨著溫度的下降硬度增大,在-50℃時,冰的硬度達到6(莫氏硬度),超過了鋼鐵的硬度(莫氏硬度4~5)。在低溫振動試驗過程中,冰的危害性不亞于金屬多余物,它不僅會對試驗件的頂桿、推桿、密封面造成損傷,在恢復常溫后就會變成水蒸氣而導致其難以追溯。因此,冰是低溫試驗中需要特別注意防范的一種多余物。
低溫振動試驗多余物主要使用目視檢測法進行檢查,所使用的工具主要有放大鏡、顯微鏡和內窺鏡3類。
1)放大鏡主要用于對試驗系統(tǒng)、試驗件目之所及的連接口、端口進行檢查,查看是否有多余物存在,或可能產生多余物的裂痕、劃傷。由于其操作簡單,使用方便,在試驗中應用廣泛。
2)顯微鏡主要用于對清洗液進行檢查。由于操作復雜,對環(huán)境要求高,在現場應用中較少。
3)內窺鏡可以深入試驗件內部,對內腔、細長深小孔、盲孔、連接處等部位進行檢查,是現階段最可靠的檢查工具。在檢查中有兩點應特別注意:一是對內窺鏡進行保養(yǎng)清潔,防止在探頭上附著灰塵引入多余物;二是在低溫下內窺鏡探頭容易爆裂,因此只能在常溫環(huán)境下使用。
裝配過程主要是指試驗件與出入口工裝對接、出入口工裝與試驗系統(tǒng)對接的過程。
試驗件與出入口工裝對接過程在無塵裝配間完成,所用工裝、螺栓、螺母、裝配工具、保護蓋均為金屬材料,裝配前均應使用酒精進行清洗,而后使用氮氣吹除,清潔完畢后用放大鏡對所用工裝、螺栓、螺母、保護蓋表面進行檢查,確認潔凈、無裂紋、無磕痕后方可進行安裝對接。對接完成使用潔凈的白綢布覆蓋防止多余物進入。
出入口工裝與試驗系統(tǒng)對接過程在潔凈的試驗現場完成,在裝配過程中系統(tǒng)各接口均保持0.5 MPa正壓氣吹除,一次性裝配到位,減少對接口的旋轉摩擦,如果是螺紋連接要盡可能避免或減少油膏的使用。
安裝過濾器是介質供應系統(tǒng)控制多余物最有效的手段,為了在保證流動通暢的情況下攔截到盡可能小的多余物,一般情況下,液氫介質使用40 μm過濾網,液氮介質使用70 μm過濾網,冷氦介質使用10 μm過濾網[2]。另外,該過濾器應盡可能安裝于靠近試驗件的位置。同時應根據實際情況定期或定頻對所用過濾器進行分解檢查,使用放大鏡檢查過濾網、支撐架,確認過濾網上無多余物附著、支撐架表面光滑后方可重新進行安裝。
試驗工裝系統(tǒng)主要包括入口軟管、入口工裝、出口工裝、出口軟管等,其中入口軟管、入口工裝位于試驗件上游,存在引入多余物的可能性;而出口工裝、出口軟管位于試驗件下游,引入多余物可能性低。
低溫振動模擬試驗雖然可以暴露已經存在的問題和缺陷,降低多余物引入風險,卻依然無法對真實試驗過程中產生的多余物進行100%的預防。為此,在原有設備基礎上進行改進,設計新型入口工裝,結構采用分體式,分為內芯與外殼,整體材料選用06Cr19Ni10;H高度由試驗件安裝時的位置決定,在不觸及底座的情況下應盡可能的減小H值,以保證振動的傳遞性;R1、R2、R3、D4由試驗件對接入口決定,以配合、密封為標準;內芯與外殼之間、內芯與試驗件之件的密封圈使用聚四氟乙烯加工;過濾網型號由所用介質決定。
為驗證上述措施效果,使用某型閥門工藝件做為試驗件進行低溫振動試驗的對比試驗,驗證新措施對試驗結果造成的影響。由實施前后試驗箱壓對比可以發(fā)現(見圖1),實施前箱壓壓力為0.410~0.430 MPa,實施后箱壓壓力為0.408~0.431 MPa,考慮到試驗誤差的存在,可以認為上述措施對壓力測試值無影響。而后對試驗件進行烘干分解,未發(fā)現閥體內存在多余物,可以認為上述措施可靠、有效。
圖1 實施前后試驗箱壓變化圖
本文針對低溫振動試驗的多余物控制技術進行研究,從裝配過程、介質供應系統(tǒng)和吹除置換系統(tǒng)、試驗工裝系統(tǒng)三個方面進行分析,提出具體實施方案。
1)裝配過程對使用的所有部件、工具進行清潔、吹掃,檢查無缺陷后方可進行試驗。
2)試驗前進行低溫模擬振動試驗。
3)設計使用新型工裝。
對比試驗結果表明:該方案在不影響試驗結果可靠性的前提下,可對多余物進行有效控制,規(guī)避多余物風險。