一种固体小火箭扭矩加载过程密封圈压缩量在线检测方法

摘要

一种固体小火箭扭矩加载过程密封圈压缩量在线检测方法，通过对自动加载装置上进行加载的固体小火箭加载过程中螺纹、弹簧垫圈及密封圈的受力情况进行分析，得出了加载过程中螺纹、弹簧垫圈及密封圈所受力与拧紧扭矩之间的关系，将加载过程分为四个阶段，绘制出了加载过程中的“扭矩‑角度”理想曲线。通过对理想曲线每个阶段曲线的斜率进行分析，得出加载过程中开始接触密封圈位置时的角度值，计算得出密封圈压缩量。通过本方法获取密封圈压缩量不需再对固体小火箭进行测量、标记及计算，降低了劳动强度，避免了多次测量所带来的测量误差，实现了小型固体火箭密封圈压缩量的在线实时精确测量。本发明方法可以作为固体小火箭拧紧程度检测的判定依据。

说明书

技术领域

本发明涉及一种固体小火箭扭矩加载过程密封圈压缩量在线检测方法，属于火工装置装配领域。

背景技术

固体小火箭是一种典型的航天火工装置，采用固态物质作为推进剂。工作时，点火器点燃点火药盒，再通过点火药盒点燃推进剂，推进剂燃烧产生高温高压的燃气，把化学能转化为热能，燃气经喷管膨胀加速，热能转化为动能，以极高的速度从喷管排除从而产生推力推动导弹或火箭向前飞行。固体小火箭广泛应用于航天飞行器的各个领域，发挥着举足轻重的作用。为了装配方便，壳体组件与喷管组件之间采用螺纹连接方式，并使用密封圈进行密封。为了保证密封性从而使得固体小火箭能够完成预定功能，需要对壳体组件和喷管组件施加一定的扭矩(一般为数百N·m)以保证壳体组件和喷管组件之间的螺纹可靠连接。在加载过程中壳体组件挤压预装在喷管组件中的密封圈，使得密封圈被压缩，从而达到密封的目的，但在加载过程中密封圈是否被压缩到位需要对压缩量进行测量。

如图5所示是密封圈压缩量间接测量原理图，该固体小火箭采用厚度为1mm的密封圈，螺距为1.5mm，目前实测密封圈压缩量的实际步骤为：(1)测量。用卡尺测量L1，任测3点求平均值，对应喷管组件编号记录，并对壳体组件一凸键作标记，用卡尺测量壳体组件端面距此凸键端面距离L2的具体值，并对应壳体组件编号记录；(2)试装。壳体组件和喷管组件对号试装。将密封圈装入喷管组件密封槽内,将壳体组件拧入，直到拧不动为止,测量壳体组件端面距上序选定凸键间的距离为L3，并对应壳体组件编号记录实际值，计算L2-L3-L1应大于1mm。再用手把喷管组件取下对应放置(不取换密封圈)。(3)标记。待壳体组件内部零件装配完成后，用手将喷管组件对号拧入壳体组件上，直到拧不动为止，复测L3,计算L2-L3-L1应大于1mm。在喷管组件与壳体组件接缝处粘贴两段纸胶带，在纸胶带表面用红色油性记号笔极细端做标记线，两段线应在一条直线上。(4)加力矩，计算密封圈压缩量。将喷管组件用夹具夹持在虎钳上，用扳手和力矩扳手加力矩将喷管组件拧紧到位，用卷尺贴着壳体组件外壁，测量两标记线间的壳体组件弧长S应大于按照密封圈压缩10％计算出的弧长值S_定，用卡尺测量上序选定凸键与喷管组件端面的距离L4，L4应小于L3。计算密封圈压缩量:d＝(1.5×S)/(π×D)，其中D为壳体组件直径，并对应壳体组件编号记录d和S。

由以上测量密封圈方式可知，密封圈测量需多次装配、手工测量及计算，过程复杂，操作繁琐，劳动强度大，效率低，无法满足高密度发射的要求。

从现有国内外文献来看，解决固体小火箭扭矩加载过程密封圈压缩量的自动或在线检测方法未见报道。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对目前固体小火箭密封圈测量需多次装配、测量及计算，过程复杂，操作繁琐，劳动强度大，效率低的问题，提出了一种固体小火箭扭矩加载过程密封圈压缩量在线检测方法，不仅能够提高固体小火箭密封圈压缩量的检测效率，降低劳动强度，而且测量精度能够满足工程要求。

本发明的技术方案是：一种固体小火箭扭矩加载过程密封圈压缩量在线检测方法，步骤如下：

1)将与火箭的喷管组件周长相等的第一纸带等分成360份，并贴于喷管组件的口部，每个刻度代表角度值1°；同时将只有一条直线标记的第二纸带贴于壳体组件的口部；所述的喷管组件与壳体组件直接通过螺纹连接，并用于密封圈进行密封；

2)喷管组件与壳体组件加载时，将壳体组件固定，采用力矩扳手对喷管组件加载扭矩；加载时，力矩扳手刻度从1N·m开始，记录下此时壳体组件所贴标记第二纸带对应喷管组件标记第一纸带刻度值，记为0°，然后每隔1N·m增加扭矩，记录下每个扭矩值加载后对应的角度值，直至加载完成为止，作出扭矩-角度曲线图；

3)获取M_保、M_设、P、t的值，其中M_保为保护扭矩值，M_设为设计要求扭矩值，且M_保＝M_设×120％，P为喷管组件及壳体组件螺纹螺距，t为密封圈厚度值；

4)设η_设定为密封圈预期压缩比值，η_实际为试验获取的密封圈压缩比值，且满足η_实际≤η_设定，10％≤η_设定≤30％，η_实际＝(d/t)×100％，密封圈压缩量d＝(△A×P)/(360×t)；从接触密封圈开始到加载结束的拧紧转角△A＝A_m－A_n，其中A_m为加载结束时喷管组件转过的角度值，A_n为密封圈开始压缩时喷管组件转过的角度值；

5)通过公式K_n＝(M_n+1-M_n)/(A_n+1-A_n)，其中M代表扭矩值，A代表角度值，角标n为扭矩-角度曲线上的坐标点，K为扭矩-角度曲线的斜率值，从扭矩-角度曲线上第一个点开始，使用连续7个点共6段曲线为一组，依次进行斜率差值计算，每组计算过后往后推一个点作为新的一组，当某一组满足△K_n-1＜△K_n＜△K_n+1＜△K_n+2＜△K_n+3时，其中△K_n-1＝K_n－K_n-1，即斜率连续开始增大，则记录下此时的A_n值；

6)继续加载喷管组件，连续对A_n进行计算，达到以下两种情况中任意1种情况，加载停止，并记录加载结束时喷管组件转过的角度值A_m，并计算获得压缩量d值；

a)加载至预设保护扭矩M_保之前，加载至满足预设压缩比值，即η_实际＝η_设定；

b)加载至预设压缩量比η_设定之前，扭矩值加载至保护扭矩M_保，即M_实时＝M_保。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明通过理论分析得出影响扭矩加载的因素中最主要的是密封圈，且加载过程中其它因素不会影响到密封圈扭矩-角度曲线的变化趋势，可将整个加载过程中的扭矩-角度曲线近似看为密封圈的扭矩-角度曲线，从而可以在加载过程的扭矩-角度曲线上取点计算密封圈压缩量。本发明只需一次装配即可完成密封圈压缩量测量，省去了中间测量及计算步骤，节约了二次装配及测量计算压缩量的时间，大大提高了生产效率，并且实现了密封圈压缩量的在线检测。通过选取某固体小火箭进行对比测试的试验结果进行分析，本发明方法在提高效率的同时，未降低测试精度，在工程范围内本发明方法可行。

附图说明

图1为典型固体小火箭结构图；

图2为螺纹拧紧初始阶段(密封圈未压缩)示意图；

图3为螺纹拧紧阶段(密封圈被压缩)示意图；

图4为扭矩-角度理想曲线；

图5a-5d为密封圈压缩量间接测量原理图；

图6弹簧垫圈受力图；

图7弹簧垫圈压力-变形量图；

图8密封圈压力-变形量图；

图9密封圈受力图；

图10获取扭矩值及角度值曲线手工加载装置示意图；

图11本发明方法流程图。

具体实施方式

本发明分析了固体小火箭结构和装配过程。

在固体小火箭喷管组件拧紧过程中，喷管组件首先与壳体组件螺纹接触，然后再接触挡药板，由于挡药板通过药柱与弹簧垫圈串联，挡药板和药柱刚性较大，在装配过程中几乎无变形，因此接触挡药板的情况可看作喷管组件直接接触弹簧垫圈，最后壳体组件接触密封圈，并压缩密封圈，如图2、3所示为固体小火箭加载过程简易视图，其中41～44分别为模拟喷管组件、模拟弹簧垫圈、模拟垫圈、模拟壳体组件。本发明提供一种能够实时记录扭矩值及角度值关系的简易装置，对应记录实时扭矩值及角度值，并在加载完成后合成扭矩-角度曲线。通过理论分析得出影响固体小火箭扭矩加载的因素有喷管组件与壳体组件之间螺纹、弹簧垫圈和密封圈等因素，得出影响固体小火箭扭矩加载最主要的因素是密封圈，且加载过程中其它因素不会影响到密封圈扭矩-角度曲线的变化趋势，可将整个加载过程中的扭矩-角度曲线的一段近似看为密封圈的扭矩-角度曲线，从而可以在加载过程的扭矩-角度曲线上取点计算密封圈压缩量。通过对扭矩-角度曲线进行理论分析，得出斜率连续开始增大的点为密封圈开始压缩起始点，并通过预设工艺参数及保护扭矩M_保、压缩量值d，进行加载后得到压缩量，并能对压缩量是否合格进行判定。

一、密封圈压缩量与拧紧扭矩关系

1)影响扭矩加载的各因素

所述固体小火箭由点火药盒23、弹簧件24、壳体组件25、药柱26、紧定螺钉27、挡药板28、密封圈29、喷管组件30组成。装配时在壳体组件25内部先装入点火药盒23、然后将弹簧件24装入壳体组件25贴紧点火药盒23、再将药柱26装入壳体组件25紧贴弹簧件24、在喷管组件30装入密封圈29后加力矩(一般为数百N.m)拧入壳体组件25，最后在喷管组件30及壳体组件25之间加紧定螺钉27防松。

通过分析固体小火箭结构和装配过程，固体小火箭喷管组件30拧紧过程中，喷管组件30首先与壳体组件25螺纹接触，然后再接触挡药板28，由于挡药板28通过药柱26与弹簧垫圈24串联，挡药板28和药柱26刚性较大在装配过程中几乎无变形，因此接触挡药板28的情况可看作喷管组件30直接接触弹簧垫圈24，最后壳体组件25接触密封圈29，按喷管组件30与壳体组件25、弹簧垫圈24和密封圈29的接触情况拧紧过程分为3个阶段：

a)第一阶段：刚开始拧紧时，固体小火箭喷管组件30仅有螺纹接触，扭矩只需克服螺纹副连接所产生的摩擦扭矩，这一阶段的扭矩值比较小且基本不变；

b)第二阶段：固体小火箭喷管组件30通过螺纹连接相对转动到接触弹簧垫圈24，弹簧垫圈24变形，螺纹连接的轴向力变大。这个阶段固体小火箭和弹簧垫圈24存在滑动摩擦，扭矩需要克服内外螺纹连接摩擦产生的扭矩和固体小火箭喷管组件30与弹簧垫圈24摩擦产生的扭矩。这一阶段的扭矩值会有所增大，增大的幅度与弹簧垫圈24弹性系数有关。

c)第三阶段：在第二阶段的基础上，固体小火箭喷管组件30再与密封圈29接触，密封圈29弹性变形，螺纹连接轴向力继续增大。这个阶段固体小火箭与密封圈29存在滑动摩擦，扭矩需要克服内外螺纹连接摩擦产生的扭矩、固体小火箭与弹簧垫圈24摩擦产生的扭矩和固体小火箭和密封圈29摩擦产生的扭矩。这一阶段的扭矩值继续开始增大，其增大的幅度与密封圈29弹性系数有关。

综上所述，理想状态下，扭矩加载值的大小跟密封圈29与喷管组件30接触、弹簧垫圈24与喷管组件30接触、螺纹副间接触产生的摩擦阻力矩有关。

2)螺纹受力分析

由于喷管组件30与壳体组件25是采用螺纹选配的，选配时要求装配轻松，且装配时在喷管组件30螺纹及壳体组件25螺纹均涂有润滑脂。根据工程经验，一般需加200N·m拧紧的固体小火箭，只需3～4N·m即可转动喷管组件30，故螺纹副产生的阻力矩对加载力矩的影响很小，可以忽略。因此，可以得出以下结论：固体小火箭预紧过程中喷管组件30转动时的螺纹副阻力矩很小，且很稳定，扭矩-角度曲线基本为一条直线，曲线的斜率为零，且基本不变。

3)弹簧垫圈24受力分析

弹簧垫圈24受正压力情况下会产生压缩变形。固体小火箭装配过程中，喷管组件30与弹簧垫圈24接触部位(实际为喷管组件30与挡药板28接触部位)为环形面，喷管组件30拧紧时，弹簧垫圈24受到喷管组件30作用的正压力F₁和环向分布摩擦力作用，其中正压力F₁致使弹簧垫圈24压缩，环向分布摩擦力表现为接触摩擦阻力矩M₂，弹簧垫圈24受力分析见图6。弹簧垫圈24变形量与正压力有关系，则根据胡克定律有：

F₁＝k₁·m>

其中，F₁—弹簧垫圈所受正压力，m—弹簧垫圈在正压力作用方向上的变形量，k₁—弹性系数。

为了找出弹簧垫圈24变形量与正压力一般关系，选用工厂典型的某固体小火箭作为试验对象进行了试验。采用压力-应变设备对弹簧垫圈24进行压力试验，得出其压力-变形量曲线见图7。

由图7可以看出，该固体小火箭弹簧垫圈24压力-变形量曲线在压缩量范围内可近似看做由4段分段曲线构成，4段曲线的变形量区间分别为[0,0.5]、[0.5，2.8]、[2.8,3.15]和[3.15，3.9]。

按固体小火箭设计规定，弹簧垫圈24装配后压缩量应控制在[0.5～2.5]mm内。对该固体小火箭内装零件进行尺寸链换算，算得其在设计要求公差尺寸范围内弹簧垫圈24压缩量在[0.6～2.5]mm范围内。

从图7中可以看出，在[0.5～2.8]压缩量区间内的曲线可近似看作直线，则弹簧垫圈24弹性系数在[0.5～2.8]可近似计算得：

k₁＝0.44kN/mm>

喷管组件30拧紧到位后，该固体小火箭弹簧垫圈24变形量与正压力关系为：

F₁＝0.44m>

工厂固体小火箭弹簧垫圈24材料和结构相同，根据选用不同尺寸的弹簧垫圈24进行试验，其压力-变形量曲线形状与该固体小火箭弹簧垫圈24压力-变形量曲线形状相同。因此，可以得出以下结论：固体小火箭弹簧垫圈24压力-变形量曲线为一条斜线，且斜线的斜率不变，斜率值大于0。在加载过程中扭矩-角度曲线走势与压力-变形量曲线走势相同。

4)密封圈29受力分析

固体小火箭装配过程中，密封圈29与喷管组件30接触部位同样为环形面，密封圈29受到喷管组件30作用的正压力F₂和环向分布摩擦力作用，其中正压力F₂致使密封圈29压缩，环向分布摩擦力表现为接触摩擦阻力矩M₃，密封圈24受力分析见图8。

对密封圈压缩量与正压力关系进行分析。密封圈29本身结构为实体平面圆环，在无周向约束轴向压力F₂均匀分布作用的情况下，由材料力学可知：

$E=\frac{\sigma }{ϵ}---\left(4\right)$

$\sigma =\frac{F_2}{A}---\left(5\right)$

$ϵ=\frac{\Delta L}{L}---\left(6\right)$

由式(4)～(6)可以得出，

F＝εEA (7)

其中，E—弹性模量，只取决取材本身结构和温度，和其他条件无关；σ—应力；ε—应变；L—长度；ΔL—长度变化量。

这种情况下可将密封圈29看做一个弹簧，设其弹性系数为k₂(密封圈29材料结构尺寸一定情况下，k₂为常数)，由胡克定律可知，

$k_2=\frac{F_2}{\Delta L}=\frac{EA}{L}---\left(8\right)$

但实际上，密封圈29装配压缩过程中，其压缩变形过程周向受到喷管组件30环形凹槽的约束，理论上会造成材料性能的改变，如密度随压缩量增加而增大，密封圈29弹性系数有可能是一个随压缩量变化的变量。

设弹簧垫圈24在正压力作用方向上的变形量为n，弹性系数为k₂，则根据胡克定律有：

F₂＝k₂·n>

此处k₂并非常数，为广义上的弹性系数，其值有可能随着n的变化而变化。

为了得到实际装配情况下密封圈29压缩量与正压力一般关系，选用工厂典型固体小火箭GF-10作为试验对象进行了试验。采用压力-应变设备对GF-10密封圈29进行压力试验，得出其压力-压缩量曲线见图9。

从图9可以看出，GF-10密封圈29压力-压缩量曲线在其压缩量范围内可看作由2段分段曲线构成，压缩量在[0,0.2]范围内为曲线、[0.2～0.9]范围内为近似看作直线。

按GF-10固体小火箭设计规定，密封圈29装配后压缩量要求控制在(0.15～0.45)mm内。

通过曲线可以计算出，在(0.15～2.9]范围内：

k₁＝12.85kN/mm>

喷管组件30拧紧到位后，设密封圈29压缩量为n，则GF-10密封圈29压缩量与正压力关系为：

F₂＝12.85n>

工厂固体小火箭密封圈29材料、结构和装配压缩情况相同，根据选用不同尺寸的密封圈29进行试验，其压力-变形量曲线形状与GF-10密封圈29压力-变形量曲线形状相同。因此，可以得出以下结论：固体小火箭密封圈29压力-变形量曲线由1条曲线和1条直线构成，曲线段的斜率随密封圈29压缩量的增大而增大。

5)综合受力分析

前述分析得出影响固体小火箭扭矩加载的因素有喷管组件30与壳体组件25之间螺纹、弹簧垫圈24和密封圈29等，螺纹的影响由于相对较弱，可以忽略；所选的固体小火箭弹簧垫圈24和密封圈29压力-压缩量试验结果中，在设计要求压缩量范围内，弹簧垫圈24和密封圈29初始压缩阶段弹性系数较小，随压缩量的增加而增大，弹簧垫圈24小弹性系数区间长度约为0.5mm，密封圈29小弹性系数区间长度约为0.08mm，弹簧垫圈24弹性系数k₁最大值为0.44kN/mm，密封圈29弹性系数k₂最大值为12.85kN/mm，可以看出，其密封圈29弹性系数远大于弹簧垫圈24弹性系数，达近30倍。故弹簧垫圈24对装配拧紧过程中的拧紧力矩影响很小，在所述拧紧过程第三阶段可以忽略螺纹及弹簧垫圈24对密封圈29压缩量判定正确性的影响。

6)扭矩-转角理想曲线

根据上述分析并结合密封圈29压缩量与拧紧力矩理论关系，绘制扭矩-转角理想曲线，其曲线走势应如图4。

a)A点到B点：固体小火箭在拧紧过程中喷管组件30与壳体组件25仅有螺纹接触，随着转角的增大，扭矩基本保持不变；

b)B点到C点：喷管组件30在拧紧过程中接触弹簧垫圈24，弹簧垫圈24变形，螺纹连接的轴向力变大，使转矩逐渐加大，弹簧垫圈24弹性系数较小，扭矩变化率较小；

c)C点到D点：喷管组件30在拧紧过程中接触密封圈29，密封圈29变形，螺纹连接的轴向力继续变大，使转矩增大，相比弹簧垫圈24密封圈29弹性系数较大，扭矩变化率增大；

d)D点到E点：密封圈29压缩至极限状态，转角不变，扭矩快速变大。

从图4可以看出，C点到D点为密封圈29压缩过程曲线。由于每种固体小火箭螺纹、弹簧垫圈24、密封圈29之间的差异，加载过程结束点可通过扭矩-角度传感器直接读出，但其CD段起始点难于把握，需通过算法来实现，通过对扭矩-角度理想曲线进行分析。

7)C点角度值获取方法

根据所述曲线斜率特点，可利用数学计算的方式获得CD段起始点角度值，通过对所采集数据形成的曲线斜率进行连续计算，选取斜率变化率连续增大的区间作为密封圈29开始压缩的起点所在的区间，读出该点角度值A_n。方法具体如下：

a)获取并记录固体小火箭参数[M_保,M_设,P,t,d]，其中M_保为保护扭矩，M_设为设计要求扭矩值，且

M_保＝M_设×120％>

P为喷管组件30及壳体组件25螺纹螺距，t为密封圈厚度值，d为密封圈压缩量，△A为拧紧转角，其中

△A＝A_m－A_n>

其中A_m为加载结束时喷管组件转过的角度值，A_n为开始密封圈开始压缩时的喷管组件转过角度值，通过公式

d＝(△A×P)/(360×t) (14)

算得密封圈压缩量。

b)先将固体小火箭内装零件装入壳体组件25，然后将1件密封圈29装入喷管组件30，喷管组件30用手拧入壳体组件25进行预装；

c)将壳体组件25固定，使其不能转动，力矩扳手34带动喷管组件30进行扭矩加载，加载过程中每隔一定时间实时记录下扭矩值M_n及角度值A_n，并实时计算斜率K值，

K_n＝(M_n+1-M_n)/(A_n+1-A_n)>

其中n为扭矩-角度曲线上的点，从扭矩-角度曲线上第一个点开始，使用连续7个点共6段曲线为一组，依次进行斜率差值计算，每组计算过后往后推一个点作为新的一组，连续进行斜率差值计算，即

△K_n-1＝K_n－K_n-1>

当△K_n-1＜△K_n＜△K_n+1＜△K_n+2＜△K_n+3时，即斜率连续开始增大，则记录下此时的A_n值，此时开始从A_n计算密封圈压缩量值；

8)获取压缩量的算法

在上述获取A_n基础上，继续加载喷管组件30，达到以下两种情况中任意1种情况，加载停止：

a)加载至预设保护扭矩M_保之前，不断计算，直到加载至满足预设压缩比值η_设定，其中10％≤η_设定≤30％，即η_实际＝η_设定，此时加载停止，记录η_实际值、压缩量d值及扭矩值M_实时；

b)加载至预设压缩量比η_设定之前，扭矩值加载至保护扭矩M_保，即M_实时＝M_保，此时加载停止，记录加载结束时喷管组件转过的角度值A_m值，根据公式(13)和(14)计算出压缩量值d，再计算压缩比，即

η_实际＝(d/t)×100％>

并判断压缩比η_实际是否满足

10％≤η_实际≤30％>

若满足，则记录η_实际值、压缩量d值及扭矩值M_实时，若不满足，则加载停止，重新更换密封圈后再次按序7a)～7c)重新加载。

以所述方法选取某固体小火箭进行试验，其螺距为1.5mm，密封圈厚度1mm，壳体组件25外径为Φ120mm，设定M_保为240N·m，压缩量为0.2mm，实验结果见表1。通过试验结果可得，采用本发明方法测量得出的压缩量值与人工测量值差距很小，能够很好的在工程上得到运用，同时为固体小火箭密封圈压缩量的自动化获取提供了理论支撑。

表1验证试验结果

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。