文档介绍：第 28 卷第 3 期宇航学报 Vol. 28

2007 年 5 月 Journal of Astronautics May 2007
球面密封结构的漏率预估
周鑫, 庞贺伟, 刘宏阳
(中国空间技术研究院, 北京 100094)
摘要: 球面密封结构是国内卫星推进系统管路中经常使用的密封结构,其工作性能直接关系着卫星的在轨
安全。针对球面密封的密封机理,通过非线性有限元法分析了安装条件下的密封状态。在此基础上,研究了泄漏
气流的流动状态,结合 Roth 模型建立了分子流状态下的漏率计算模型,得出了泄漏漏率和拧紧力矩、表面粗糙度的
对应关系,对检漏条件下结构的漏率进行了预估。在理论计算的同时,通过实验证明了漏率预估方法的准确性。
关键词: 球面密封结构; 漏率预估; 分子流; 非线性有限元分析; 实验验证
中图分类号: TB42 文献标识码: A 文章编号: 100021328 (2007) 0320762205
一不足,本文从流体分析角度对球面密封结构的密
0 引言
封性能展开研究。
球头- 锥面连接的螺纹连接密封结构( 见图 1
1 球面密封的密封机理
所示) 是国内卫星的推进系统中广泛应用的一种静
密封机构。它具有的密封性能好、拆装方便的特点如图 1 所示,在管路装配的过程中,操作者施加
使它能够满足管路和部件的连接的需要,圆满地完的拧紧力矩转化为夹紧球面和锥面的预紧力。在安
成了飞行任务。伴随着航天事业的不断发展,对星装预紧力的作用下,球面表面和锥面表面相互贴合、
上部件的性能和寿命的要求在不断提高。球面密封相互压缩,逐渐形成接触面。根据设计可知,球面和
结构作为一种特殊而又重要的密封结构,需要全面锥面都是表面加工质量较好、粗糙度较小的高光洁
深入的了解它的密封机理和密封性能。度表面,它们表面都存在着一系列凹凸不平微细
“峰”区和“谷”区(见图 2 所示) 。从文献[ 2 ]可以看
出,球面材料( TC4) 屈服强度较大,难以屈服,锥面
材料(1Cr18Ni9Ti) 屈服强度较低,易于发生塑性变
形。在装配过程中,随着两个面在正向的相互挤压
图 1 球头- 锥面连接密封结构示意图
Fig. 1 The orbicular seal joint

在工程实践中,流体的密封是一个复杂而又难
以解决的问题。密封的可靠性同密封材料、密封元
图 2 初始接触示意图
件、介质特性、工况条件等诸多因素相关,难以对它 Fig. 2 Initial contact
们进行综合量化的考虑和分析,缺乏对漏率的有效
预计方法[ 1] 。就目前而言,在国内对密封问题的理和切向的相互错动“, 峰”区被逐渐削平“, 谷”区被逐
论研究主要集中在对密封结构的力学分析和热学分渐填满。随着拧紧力矩的逐渐增大,在锥面表面将
析,缺乏对泄漏流体流量计算方法的研究。针对这逐渐发生从局部到整体的塑性变形,变形材料的塑
收稿日期: 2006206227 ; 修回日期:2006211215
第 3 期周鑫等:球面密封结构的漏率预估 763
性流动使接触面上的微观空隙逐渐被填满,达到密实验表明[3 - 5] , 可以通过“三角波”的形状来很好的
封