fl-9风洞管气密封的研制

fl-9风洞管气密封的研制

1fl-9洞穴风险测量是指由动力设备驱动的管道噪音，并在模型1中对1进行空气动力学测试的设备。最常见的是低速风洞。风洞是发展航空航天事业的关键设备,研制飞机,包括航天飞机,都必须在风洞中进行大量的试验,试验飞机能否飞起来,能飞多高、多快和多远以及其他各项飞行性能。哈尔滨的FL-9风洞由动力段、收缩段、稳定段、试验段、扩散段等组成,洞体净重3400t,最大直径近16m,是一个体积庞大、洞体截面变化大、密封度高,精度要求高的制造安装工程。它的建立,将填补我国低速高雷诺数风洞的空白,使我国低速风洞试验设备和水平跨入国际先进行列。2装置的特点分析为了满足风洞特殊的使用要求,取得较高的密封效果,研制了软管型充气密封件(见图1)。通过充气膨胀试验,实现了密封的目的。充气膨胀密封的特点如下:(1)不需要附压,靠充气膨胀实现密封,可以密封较大的间隙,可以作为特殊机械密封装置。(2)在密封面倾斜、弯曲、凹凸、挠动、偏移等场合下也能发挥其密封作用。(3)不易产生由于与密封面的接触及偏移所造成的磨耗和撕裂现象。(4)与压缩型的密封圈不同,不发生蠕变现象3试验仪器与方法密封圈结构见图2。主要原材料:氯丁橡胶CR,重庆长寿化工厂;促进剂,莱茵化学有限公司;改性剂A,杜邦公司;增粘剂B,莱茵化学有限公司;聚四氟薄膜,江苏泰氟隆制品有限公司。实验设备:MDR-100E型无转子硫化仪,MZ-4000C拉力机,MZ-4003疲劳试验机,江都市明珠实验机械厂;XLB-D1200×1200×13.15MN平板硫化机,青岛双星机械有限公司;XJ-115橡胶挤出机,内蒙古富特橡塑机械公司。试验方法:拉伸强度、永久变形、拉断伸长率按GB/T528-1998测试;硬度按GB531-1999测试;屈挠按GB/T1688-1986测试;低温脆性按GB/T1682-1994测试;气密性按GB/T7755-1987测试。配方(YKD5601):氯丁橡胶CR,100;改性剂,10;氧化锌,5;氧化镁,4;促进剂,4;防老剂,1;偶联剂,2;增粘剂,1.5;炭黑,50;防焦剂,0.5。3.1拉断伸长率、屈挠试验材料性能:拉伸强度,18MPa;永久变形,10%;拉断伸长率,550%;邵尔A硬度,50;屈挠试验(100%),150000次;低温脆性温度,-40℃;气密性,9×10-17m2s-1P-1a−1a。3.2增粘剂用量对材料拉伸性能的影响配方中的增粘剂用量直接关系到密封件接头性能,因此对配方中粘合剂的用量进行了实验,实验数据见图3。从图3中可看出,增粘剂用量为1.5份时,材料的拉伸性能达到最大值,当用量再大时,材料的拉伸性能开始下降,这表明配方中增粘剂用量并非越多越好,达到最大值后,性能开始下降。因此增粘剂的最佳用量为1.5份。4试验结果及分析由于该密封件尺寸较大,最大外径为Φ8100mm,且为8角形圆管密封圈,所以不可能一次成型;由于充气需要,必须加工附带气嘴,因此只能采取分段硫化连接成型的方法。工艺对比试验:通过不同的接头方式进行试验,其结果见图4。从图4的效果对比不难看出,方案5生头-生头加胶粘剂对接是实验效果中最好的,因此把工艺定为生头-生头加胶粘剂搭接法。由于风洞密封圈的规格太大,采用分段硫化的方法,挤出机挤出半成品后,根据模具大小,裁制半成品,型腔适当涂脱模剂,保压硫化;搭接方法采用生头对生头搭接,即使用半成品的生头与生头进行搭接,保证橡胶分子链最大程度的交联,裁制所需尺寸的半成品,清洗后进行搭接、硫化。由于采用了最新的搭接工艺,搭接处拉伸强度可以达到15.2MPa,与主体胶料的性能基本一致。5复合材料的开发为了减小风洞密封圈与金属之间的摩擦,研制了橡胶与聚四氟薄膜复合的特殊材料,并以此为制造挡圈的基体材料。聚四氟薄膜的摩擦系数仅为0.04,可以大大降低密封圈的磨耗。经试验,该材料(橡胶与聚四氟薄膜)的剥离强度可以达到5MPa以上,完全可以满足风洞密封圈的使用要求。众所周知,由于氟原子的高稳定性和极性,导致聚四氟薄膜表面与橡胶的粘合是相当困难的,采用特殊的表面活化技术,在聚四氟薄膜的表面成功引入活性基团,并使用自制的粘合剂,使得聚四氟薄膜成功地复合到橡胶表面。挡条材料采用特殊的配方,YKD5606,该材料与金属的胶粘效果非常理想。试验操作方法:分别打毛挡条的橡胶面与工装凹槽面,用酒精清洗后晾干;分别在打毛面涂胶粘剂,晾置20min左右,将挡条贴合到工装槽中,施压1min,固化时间为6h。用该样件做剥离试验,剥离强度可以达到25kN/m,经试验的橡胶样件表面严重破坏。6发生横向或纵向爆破密封件管壁受内压力P的作用,当力P超过一定值会引起管壁横向或者纵向爆破,内压力分解为垂直于管壁的分力Py和平行于管壁的分力Px,由这2个分力导致管壁沿轴向或横向破裂。6.1裂圆重断裂圆管内裂圆面的张力公式设内径为Di,长度为L的一段密封件,密封件内压力P均匀作用在管壁圆柱面上(见图5),使管径向断裂半圆一侧所产生张力Py为:Ρy=ΡAy2=ΡDiL2Py=PAy2=PDiL2式中:P-管内气体压强,MPa;Di-密封件的内直径,mm;L-所取密封件的长度;Ay-胶管L长的内壁总面积。在壁厚为δ的断面上产生的径向应力为:σ1=ΡyL⋅σ=ΡDi2δσ1=PyL⋅σ=PDi2δ6.2旋转接头的平衡如图6,设管体沿B-B面断裂时作用于管壁截面上的轴向应力:Px=Ax·σ2式中:Ax—密封件截面面积(Ax=πDiδ)mm2;σ2—轴向应力,MPa。当受力平衡时,作用于管体截面上的外力为πD2i2iP/4与管壁内力Px相等即:πD2i2iP/4=πDiδσ2则有:σ2=DiP/(4δ)根据上式计算可得,σ1=2σ2,即径向应力等于轴向应力的2倍。当密封件受到外力爆破时,沿纵向断裂的可能性大于横向断裂的可能性。经过上面的计算与分析,对制品的性能检验提供了一个理论依据。由于该制品是分段连接而成,每2段之间的连接强度是控制产品质量的关键,根据上述的分析计算,即使连接处轴向强度超过径向强度的一半,在使用过程中就不会发生横向断裂。6.3测试强度、径向测试强度轴向与径向取样见图7。经过试验测试,轴向测试强度为15.2MPa,径向测试强度为12.6MPa。经过上述的分析,只要径向强度满足要求,轴向受力不足以对产品产生破坏。7对产品质量的性能和密封试验7.1最大应力+5.4.4根据使用要求,制品的最大充气压力为Pmax=0.7MPa,此时最大应力σmax=4.43MPa,根据实验数据,制品的径向强度为12.6MPa,所以在强度上可以满足使用要求,而且安全系数较大。7.2制品断面长度l工装断面形状见图8。密封槽周长280mm。当Pmax=0.7MPa时,D=100.32mm;制品断面周长L=πD=315mm>280mm。此时制品与上侧的密封面形成面接触,能够形成完整的密封。7.3密封圈的气密性为了检验密封圈的密封性能,对密封圈进行了气密性检验试验,试验周期为2个月,试验方法为:在工装状况下,对密封圈打压至0.7MPa保压2个月,利用压力表检验密封圈的气密性。实验结果见图9。密封圈在打压的前2d压强稍微有所下降,但从第3d开始压强变化开始渐渐平缓。从图9中可以看到,密封圈的变化到了后期从第10d到第30d基本没有什么变化。通过模拟试验,该密封圈可以达到使用要求。8分段连接技术(1)成功研制出风洞类专用气密