檢漏收集室充氣密封圈設(shè)計研究

　　充氣密封圈是實現(xiàn)檢漏收集室密封的關(guān)鍵，研究其密封性的設(shè)計具有重要的工程意義。舊檢漏收集室采用的無棱充氣密封圈的密封效果不佳，且密封可靠性也較差，因此，針對某收集室的新建要求，有必要對充氣密封圈進(jìn)行重新的設(shè)計，以提高檢漏收集室的密封性及可靠性。本文首先根據(jù)充氣密封圈的密封機(jī)理，設(shè)計出一種新型截面型式的充氣密封圈;其次，通過有限元仿真的對比分析，得到了新舊兩種不同截面型式充氣密封圈密封面上的應(yīng)力分布規(guī)律，并以此為基礎(chǔ)，確定了新型截面型式充氣密封圈的優(yōu)越性；最后，通過對新建收集室的密封性測試試驗，進(jìn)一步驗證了新型截面型式充氣密封圈密封性和可靠性。本文的結(jié)論可以為航天器用檢漏收集室充氣密封圈的設(shè)計提供重要的技術(shù)支撐。

　　目前，國內(nèi)外的航天機(jī)構(gòu)主要采用氦質(zhì)譜非真空累積檢漏法對航天器的總漏率進(jìn)行測試，如美國先后采用該方法完成了ISS( 國際空間站) Node1、Node3 的總漏率測試，國內(nèi)的大型航天器( 如衛(wèi)星、飛船等) 也幾乎均是采用該方法。而該方法需要的核心設(shè)備之一，即是檢漏收集室。檢漏收集室的本質(zhì)作用是在試驗周期內(nèi)，累積被檢航天器所泄漏的微量示漏氣體( 約在10^-6量級) ，故檢漏收集室的密封性是收集室的核心技術(shù)指標(biāo)。收集室一般為剛性結(jié)構(gòu)，主要由鋼室、大門、風(fēng)機(jī)循環(huán)系統(tǒng)、控制臺等組成，如圖1 所示。收集室主體通常由鋼材焊接而成，焊接后，所有焊縫均需要經(jīng)過嚴(yán)格的漏率測試，因此，焊縫的密封性是有保證的。但檢漏收集室的大門為活動機(jī)構(gòu)，需要經(jīng)常開關(guān)操作。為方便使用，收集室大門一般采用縱向密封設(shè)計型式，如圖2 所示，以使收集室無門檻，方便被檢航天器的進(jìn)出。

　　目前，國內(nèi)外通常采用充氣密封圈的方案來實現(xiàn)收集室大門的密封，主要過程是：充氣密封圈內(nèi)部被抽真空，則充氣密封圈整體縮至密封槽內(nèi)，大門可以正常開關(guān)；當(dāng)充氣密封圈充氣至規(guī)定壓力，則充氣密封圈遇壓膨脹，填充大門和門框間的間歇，進(jìn)而實現(xiàn)了密封。由此可見，收集室充氣密封圈的設(shè)計對確保收集室整體密封性是至關(guān)重要的。

圖1 檢漏收集室的系統(tǒng)組成

圖2 大門的雙重縱向密封設(shè)計

　　檢漏收集室在檢漏測試過程中處于常壓狀態(tài)，但由于環(huán)境溫度和壓力的變化，會造成檢漏收集室的內(nèi)外壓力形成約幾千帕的壓差，進(jìn)而使得檢漏收集室內(nèi)外氣體發(fā)生交換。目前，國內(nèi)外檢漏收集室往往采用無棱充氣密封圈的設(shè)計，如圖3 所示，但密封效果不佳。究其原因，主要有兩點：

 　　①密封面上的最大接觸應(yīng)力不夠，從而不能形成更加有效的密封；

　　②只能形成單級密封，密封的可靠性不高。通常檢漏收集室大門的密封長度較長。

　　目前，國內(nèi)檢漏收集室最長的密封長度已近30 m。采用無棱充氣密封圈，只要密封長度上的密封面有些許損傷或多余物，就會造成密封的整體失效。

　　針對國家某重大專項工程的需求，需要研制一個有效空間尺寸為5 m(L) × 5 m(W) × 6 m(H) 的新收集室，因此，有必要對充氣密封圈進(jìn)行重新的設(shè)計，以克服舊檢漏收集室的密封性不佳及可靠性較差的問題。

　　本文首先根據(jù)充氣密封圈的密封機(jī)理，設(shè)計出一種新型截面型式的充氣密封圈；其次，通過有限元仿真的對比分析，得到了新舊兩種不同截面型式充氣密封圈密封面上的應(yīng)力分布規(guī)律，并以此為基礎(chǔ)，確定了新型截面型式充氣密封圈的優(yōu)越性;最后，通過對新建收集室的密封性測試試驗，進(jìn)一步驗證了新型截面型式充氣密封圈密封性和可靠性。

圖3 無棱充氣密封圈的截面

　　結(jié)論

　　本文通過有限元仿真的對比分析，得到了新舊兩種不同截面型式充氣密封圈密封面上的應(yīng)力分布規(guī)律，并以最大接觸應(yīng)力準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，確定了新型截面型式充氣密封圈；隨后，通過對新建收集室的密封性測試試驗，進(jìn)一步驗證了新型截面型式充氣密封圈的密封性和可靠性。研究結(jié)果表明：采用有棱充氣密封圈的密封面在同等充壓壓力的情形下，可以形成更高的密封接觸應(yīng)力，且可以有效地形成多重密封，從而產(chǎn)生更可靠的密封效果，因此，建議以后研制的檢漏收集室均采用有棱充氣密封圈。