一种发动机管路装配密封性评价方法及装置
本发明涉及发动机外部管路装配，特别地涉及一种发动机管路装配密封性评价方法。
背景技术：
1、在目前的发动机外部管路装配技术中，存在的局限性主要体现在对管路装配密封性预测和评价。传统的测量方法主要聚焦于管路是否能够成功装配，而忽视了测量特征与装配密封特性的关系。导致装配过程缺乏以装配密封为目标的有效系统性指导，使得技术人员在装配过程中经常需要依赖于反复的试装。这不仅显著增加了装配的时间成本，还可能对管接头造成不必要的磨损，降低了装配效率和质量。
技术实现思路
1、针对上述现有技术中的问题，本技术提出了一种发动机管路装配密封性评价方法，实现了管路接触密封评价的流程规范。设计了一套适用于发动机管路装配密封试验的设备，并制定了装配密封实验操作流程规范。
2、优选地，该方法包括管接头结构受力分析、管路密封性能评价及泄漏量计算方法、管路接触密封实验设备设计及搭建、管路装配密封实验流程规范。
3、优选地，对管接头安装时可能存在的装配误差进行了归纳和总结，按偏差的偏移方式，可以将累积到管接头处的偏差分为以下三种：
4、a.轴向偏差：由于管接头的轴向偏差通常由于管件加工误差导致，当轴向偏差值过小时，管接头的受力情况于正常装配情况一致，能够通过自身的变形协调实现密封区域的形成，此时管接头密封带的分布及性能相对稳定，当轴向偏差过大时，只能通过更换管件实现密封性能的实现；
5、b.径向偏差：当管接头存在径向偏差时，接头在装配轴向力作用下将产生轴向位移，径向偏差偏向的一侧将首先发生接触，球面将受到垂直于接触面的反作用力fn，随着轴向力fz的增大，fn不断增大，球头接头将产生偏差反方向的弯曲。当轴向力进一步增大时，球头接头与锥面接头的接触区域逐渐连通，但由于接头接触区域正方向的受力大于负方向接触区域，所以外套螺母端面负方向相对于正方向将承受更大的压力。当装配结束后，由于管接头的变形协调作用，管接头形成了有效的密封区域，但也因为变形产生了一定的装配偏角。
6、c.角度偏差：当管接头存在角度偏差时，在初始装配过程中，球头接头的端面和外套螺母端面以及管接头接触对间存在一定间隙，在轴向力的驱动下，螺母将产生轴向位移，首先与球头接头偏角负方向部分的端面发生接触。当装配轴向力不断上升时，作为轴向力的主要承接区域，球头接头偏角负方向的端面将出现应力集中现象，同时，在偏角正方向的球头部位将与锥面接头发生接触行为，受到弯矩作用，球头接头将产生弯曲变形，各配合面的间隙将进一步减小。
7、优选地，由于管接头接触部位的可视性较差，常规的测量方法无法直接获得管接头接触部位的密封载荷情况。为了获取偏差情况下管接头密封面的具体受力情况，利用abaqus有限元软件进行管接头进行仿真分析。管接头宏观密封性能有限元分析过程分为有限元分析及关键信息提取两个部分。
8、优选地，根据管接头零件图纸绘制三维实体模型，并对如螺纹、倒角以及加工退刀槽等无关结构进行简化处理。
9、优选地，根据零件尺寸按照国际标准进行有限元模型的单位制统一，并按照各零件的材料具体力学参数进行有限元模型材料属性的定义。
10、优选地，根据零件装配特征进行装配体的定义，结合管接头实际服役过程，设置装配分析步与服役分析步。
11、优选地，装配分析步用于模拟接头密封带形成过程，服役分析步用来模拟接头在内部服役介质作用下的密封性能变化过程，并按照装配实际过程对模型的边界条件进行设置，在加载过程中以位移加载的方式对外套螺母进行位移载荷的施加，并以外套螺母端面的反作用力作为装配轴向力的衡量方法。
12、优选地，进行有限元模型网格划分及网格尺寸验证，对于接触面等关键部位选取小尺寸网格以增加模型计算的准确程度，对于非关键区域选择大尺寸网格以减少不必要的计算资源浪费。
13、优选地，基于管接头装配有限元分析结果进行管接头密封状态的信息提取。结合管接头密封原理以及国内外相关研究可知：管接头的密封性能主要由球头-锥面接触区域的密封带接触质量决定，所以在模型求解前，对接触面的合力以及面积进行输出，在该环节输出数据进行性能分析，提取密封带的宽度并计算接触区域的平均载荷。
14、优选地，管接头密封性能不仅与宏观装配状态有关，还会受到表面微观形貌特征的影响，在管路密封性能评价需要综合宏观装配信息与微观接触信息。
15、优选地，进行管接头微观形貌测量，对管接头表面进行高精度测量时开展微观接触性能评价的前提，采用白光干涉仪能够实现管接头三维形貌的准确测量，由于管接头的开敞性较差，在测量过程中需要对锥面接头进行切割处理，以便进行接触区域的测量。
16、优选地，进行管接头微观界面逆向建模，在建模过程前，为了提高数据的可用性，可对测量数据进行滤波处理，以减少环境噪声的影响，同时，为了便于建模，对管接头接触数据进行平面化处理。基于管接头微观形貌点云数据，基于逆向建模软件，以点-线-面的建模逻辑，实现管接头微观表面的逆向建模。
17、优选地，进行管接头密封性能跨尺度分析，为了综合考虑管接头宏观装配偏差、装配轴向力、服役介质压力等因素对接触界面密封性能的影响，根据宏观装配有限元模型获取的管接头密封状态信息结合微观界面真实模型，对管接头密封性能进行跨尺度分析，以获得对应服役状态下微观接触界面泄露通道的宽度。
18、优选地，进行管接头泄漏量计算。基于平均流动模型对管接头服役状态的泄漏量进行预测，该模型如下式所示：
19、
20、其中，为考虑表面形貌时管接头结构的泄露量与理想接触状态下的泄露量之比，由于经验公式获得；μ为气体粘度；t为开尔文温度；r为气体常数；pr为工作介质压力；pc为空气端压力；s0为泄露通道高度，由微观接触模型获得；l为泄露通道宽度，b为泄露通道周向长度，二者均由宏观装配有限元模型获得。
21、优选地，利用宏观有限元分析模型可以得到接触界面载荷、泄露通道宽度以及周向长度等宏观信息，根据跨尺度分析模型可以获得管接头微观泄露通道高度等信息。进而根据公式可以计算不同装配状态时管接头的泄漏量。根据球头-锥面管接头服役标准可知，衡量其气密封的标准为公称压力下泄露量小于1×10-4pa·m3/s，所以，当计算结构小于该泄露量时认定其气密封良好，若大于该数值则认为管接头气密封不符合标准。
22、优选地，实现管路接触密封实验设备的设计与搭建是一个涉及多个阶段的过程，包括需求分析、设计、模拟测试、加工组装，以及系统调试和验证。
23、优选地，进行需求分析的第一步即为确定实验目标，本实验主要针对装配偏差对发动机管路装配密封性影响这一问题的探究，在发动机中受压管路包括燃油管、滑油管和液压管，分别对应发动机燃料供给，轴承润滑和液压控制这三大关键系统。在服役过程中，燃油管的压力范围约为4mpa-20mpa，滑油管的压力范围约为2mpa-4mpa，液压管的压力范围约为20mpa-35mpa。
24、在此基础上确定技术参数，按照行业标准，为保障实际服役过程的密封，液压密封试验压强需达到服役压强的1.5倍，测试的压力范围可能会在0-60mpa之间，实验过程处于室温，实验用管路为钢质内径10mm的管路。在确定了实验参数下同时需要考虑操作的便利性、安全性以及数据精度和可靠性要求。
25、优选地，根据实验需求精心设计液压系统的配置，涉及选择合适的泵、阀门、管路和压力容器等关键部件，以确保系统的高效和安全性能。同时，用高强度钢材构建试验机的主体结构，保证其具有足够的强度和刚性来承受各种测试条件的挑战。这样的设计不仅提高了试验机的可靠性，还确保了精确和一致的测试结果，适用于各种复杂和严格的测试环境。此外，整个结构的设计还考虑了易于维护和操作的要素，以便用户能够高效地进行日常的使用和维护工作。
26、优选地，针对被测试的管路类型和尺寸，设计了适应性强的实验夹具，用以在装配密封实验过程中稳固管路。实验夹具的设计采用模块化和可调节的结构，一方面是为了适应各种不同尺寸和形状的管路，提高了实验夹具的通用性和灵活性；另一方面，实验夹具能够通过垫片调节，有效在实验过程中提供径向偏差和角度偏差，保证实验的准确性和可靠性。这种设计提高了实验的灵活性和效率，也大大减少了对不同规格管路进行测试时更换实验夹具的需要，提升了整体试验流程的效率。
27、优选地，实验夹具包括底板、校准板、底座、压板、支架、实验管件及盖板。实验夹具整体固定在底板上，底板留有安装孔，可通过螺栓装配在密封试验机上。校准板安装在底板上，在底座的安装过程中，底座的侧面靠紧校准板以实现管路轴线方向对齐。底座是具有矩形凹槽的，支架安装在凹槽内，由压板压紧固定，可通过垫片调整支架的安装位置，用以调整同轴度。实验管件安装在支架上的半圆形凹槽内，由螺栓将盖板固定在支架上来固定实验管件。
28、优选地，采用有限元分析软件装配实验夹具的结构强度，确保实验夹具在各种工作条件下都能保持稳定，防止在实验过程中发生松弛。同时，利用plc设计软件对控制器的运行进行模拟，这不仅有助于优化设计方案，还能提前发现并解决可能的设计缺陷。通过这种模拟，我们能够有效地预测实验的效果，确保在实际操作中能够顺利进行，从而显著提高实验的准确性和可靠性，提高了整体设计的效率，还确保了设计设备的性能。
29、优选地，依据详细的设计图纸，对实验夹具进行了加工，确保每个部件都符合严格的尺寸要求和公差标准。加工不仅涉及尺寸的精确度，还包括表面光洁度，保证实验夹具在实际使用中的稳定性和耐用性。加工完成后，将实验夹具与试验机的主体部件进行组装。这个组装过程考虑了接合面的密封性和部件之间的精确配合，确保整体结构既坚固又灵活。组装完成的试验机不仅能够承受实验过程的载荷，还能在各种试验条件下都能保持高精度和高性能。
30、优选地，为了精准控制试验机，安装了液压泵和电子控制系统，可提供精确的液压和液压控制，确保试验设备稳定运行。安装完成后，进行初步的调试，确保整个控制系统按照设计要求准确无误地运行。此外，还安装了一系列必要的传感器和数据采集设备，这些设备对于监测和记录试验过程中的各种参数至关重要。对数据采集系统进行一系列的测试，验证其准确性和稳定性。这些测试包括长时间运行的稳定性测试和对采集数据的准确度检验，确保在实际试验中能够提供可靠和精确的数据。确保实际应用中能够提供准确的数据，为后续的试验和研究提供了坚实的基础。
31、优选地，全面验证设备的性能，我们在一系列不同的压强下进行管路液压密封实验。全面评估设备的稳定性、耐久性和适应性，确保其在各种条件下仍能稳定运行。对实验过程中收集到的数据进行分析，通过对比设计要求和实验结果确认了设备是否满足预定的性能。这一分析过程不仅涉及数据的量化评估，还包括对设备运行过程中可能出现的任何异常情况的识别和分析，确保设备的可靠性和安全性。
32、优选地，提供一份详尽的操作手册，为操作者提供了全面的指导，同时也规范了实验操作流程。手册详细介绍了设备的操作步骤、安全指南和故障排除方法。操作步骤部分清晰地指导用户如何正确使用设备，安全指南则强调了操作中的关键安全事项，而故障排除部分则提供了解决常见问题的方法和建议，确保用户能够安全、有效地操作设备。
33、优选地，为保障实验的顺利、安全进行，首先确保了所有实验设备处于最佳工作状态。包括对空压机、试验机、实验夹具、控制系统以及数据采集系统进行细致的检查和维护。每一项设备进行了彻底的检验，确保运行正常。任何损耗的部件都被及时更换，同时进行调校，以保证试验精确可靠。
34、根据实验的具体需求，准备所需的管路。这包括根据实验的类型和参数选择合适的管路材质、尺寸和长度，确保它们能够适应测试条件，并且与实验夹具匹配，确保无缺陷且安装正确。
35、进行全面的安全检查，确保实验区域完全符合安全标准。这包括检查实验区的通风、照明和紧急退出路径，确保所有的安全设备，如消防器材和急救设备，均处于可用状态。操作前对实验操作人员进行安全培训，强调实验过程中的安全操作规程和紧急情况应对措施，确保实验安全进行。
36、优选地，任何污染物都可能影响实验的准确性或对设备造成损害，因此在试验前需确保管路试验件的清洁度，对每个管路和密封件进行了细致的清洁和检查，确保它们在安装前是完全无尘、无油渍的。此外，对密封件的结构完整性也进行检查，防止因明显加工误差引起的泄漏。
37、根据设计图纸和规范，我们将管路固定在试验机的实验夹具上，此时可通过增减垫片来实现管路径向误差和角度误差。组装完毕后，进行管路球头与锥面接头的组装，在装配拧紧过程中使用定力扳手，对于内径为10mm的管路接头，扳手拧紧力矩设置为25n·m。
38、对管路连接处进行了检查，确认管路与试验机已正确且牢固地安装到位。试验区域以外的部分可通过缠生料带来避免泄露，确保实验过程中泄漏只会出现在实验探究区域，为实验的顺利进行提供了坚实的保障。
39、优选地，在控制系统中精心设定了实验所需的关键参数，包括压力值和保压时间等。这些参数的设定考虑了实验目的和管路的具体特性，确保在整个实验过程中，系统能够按照预定的标准稳定运行。通过精确控制压力和保压时间，我们能够获得可靠的实验数据。
40、为了降低管路在实验中因瞬时压力变化过大而发生的危险，我们采取了设置预压和将加载过程分成多个阶段的策略。这意味着压力的施加不是一次性完成，而是逐渐增加，这样做可以有效地减少管路在实验中的应力冲击，防止因压力突变导致管路损坏或发生危险情况。通过这种分阶段加载的方法，我们能够更加精准地控制实验过程，确保实验的平稳进行，同时保障了实验操作的安全性。这种方法不仅提高了实验的安全性，还能够确保获得更为准确和可靠的测试结果。
41、优选地，启动控制系统，正式开始了实验。控制系统的启动意味着实验按照预设的程序自动运行，包括对压力、温度等关键参数的精确控制。随着实验的进行，我们实时监控数据采集系统，以确保关键参数被准确记录。这包括对压力、压降和保压时间等数据的持续跟踪。保障实验的顺利进行和数据准确。
42、根据实时监控的数据，我们在需要时对实验参数进行调整。这种动态调整是基于实时数据反馈，旨在优化实验条件，确保实验结果的准确性和可靠性。例如，如果监测到压降偏离预定范围，即认为已发生泄漏，我们会及时停止设备，并记录本次实验参数。
43、优选地，在实验过程中，确保所有实验数据的正确记录和安全保存。这包括了从实验开始到结束的所有关键参数，如压力读数、压力变化等。为了保证数据的准确性和完整性，采用了数据记录系统的同时，进行手动记录，作为电子记录的备份。这些数据的妥善保存对于后续的分析和评估工作至关重要。
44、实验完成后，我们对收集到的数据进行了详细的分析，重点评估了管路的密封性能。分析不同偏差存在下管路密封性的变化特性，用以验证前述的理论研究。
45、根据收集和分析的数据编写实验报告。这份报告不仅包括了实验的方法、过程和结果，还详细描述了数据分析的过程和结论。报告中还包含了对实验结果的解释和评估，通过这样的记录和分析，我们确保了实验结果的最大化利用和长远价值的提升。
46、优选地，在实验结束之后，关闭试验机和控制系统，确保所有运行中的设备都已安全停止。关闭了空压机，且释放了系统中的所有压力。这一步骤是至关重要的，因为它可以防止因残留压力导致的意外或设备损坏。
47、从实验夹具上拆卸管路。在拆卸过程中，我们特别注意保持管路的完整性和清洁，避免对设备造成不必要的损害。拆卸完成后，我们对管路进行了仔细检查，管路试验后的接触面形貌也将通过超景深显微镜观测后记录。
48、对实验设备进行了彻底的清洁。这包括对试验机、实验夹具、控制系统和其他相关设备进行表面清洁，去除实验过程中可能的残留物，来维护设备的功能和延长其使用寿命。清洁完成后，我们对设备进行了一次全面的检查，完成上述步骤方可离开实验室。
49、优选地，为了确保实验设备的长期稳定可靠，定期进行设备检查和维护。包括了对所有关键设备，如试验机、空压机、控制系统、数据采集系统以及各种实验夹具和管路的定期检查。这些检查不仅包括设备的表面和机械部分，还包括电气系统和软件系统的检查。对于发现的任何问题，我们都会立即进行修复或更换部件，以防止小问题演变成大问题。除了对机械和电气部件的检查，我们还对设备的软件进行更新和调试，确保其运行在最新状态。
50、同时实施预防性维护措施，包括定期更换易损部件，如密封件和过滤器，以延长设备寿命。我们还确保了设备周围环境的清洁，以减少灰尘和污染物对设备的影响。通过这些定期的检查和维护工作，我们确保了实验设备始终处于最佳工作状态，减少了故障的可能性，从而保证了实验的顺利进行，延长设备使用寿命，为实验工作顺利开展提供稳定的设备基础。
51、本发明提出了一种发动机管路装配密封性评价方法及装置，实现了管路接触密封评价的流程规范。设计了一套适用于发动机管路装配密封试验的设备，并制定了装配密封实验操作流程规范。。
52、上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。
53、本发明提供的一种发动机管路装配密封性评价方法及装置，与现有技术相比，至少具备有以下有益效果：
54、本发明提供的一种发动机管路装配密封性评价方法及装置，管路装配后的密封性能评价方法的核心在于分析管路装配过程中的关键特征参数。这些参数包括但不限于管接头的轴向偏差，径向偏差，角度偏差，圆度偏差，表面粗糙度。对管接头结构进行偏差存在时的有限元分析，求解出作用在密封带上的压力分布情况。探究微观尺度下不同压力分布情况时装配密封的基本机理，建立装配偏差对密封性能影响的关联模型，从而依据管路形位信息就能有效预测装配密封性，能有效避免重复试装。设计一套装配密封实验设备，进行套装配密封实验验证上述理论，为发动机外部管路装配密封技术提供理论支撑。
技术特征：
1.一种发动机管路装配密封性评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的发动机管路装配密封性评价方法，其特征在于，将管接头装配误差按偏差的偏移方式，将累积到管接头处的偏差分为以下三种：a.轴向偏差；b.径向偏差；c.角度偏差。
3.根据权利要求1所述的发动机管路装配密封性评价方法，其特征在于，管接头结构受力分析包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的发动机管路装配密封性评价方法，其特征在于，所述步骤s11中管接头有限元模型分析包括如下步骤：
5.根据权利要求3所述的发动机管路装配密封性评价方法，其特征在于，所述步骤s12中管接头密封状态关键信息提取包括如下步骤：
6.根据权利要求1所述的发动机管路装配密封性评价方法，其特征在于，管路密封性能评价及泄漏量计算方法包括以下步骤：
7.根据权利要求1所述的发动机管路装配密封性评价方法，其特征在于，管路接触密封实验设备的设计与搭建包括以下步骤：
8.根据权利要求1所述的发动机管路装配密封性评价方法，其特征在于，管路装配密封实验流程规范包括以下步骤：
9.一种发动机管路装配密封性评价装置，用于权利要求1所述的发动机管路装配密封性评价方法，其特征在于，包括底板、校准板、底座、压板、支架、实验管件及盖板；
技术总结
本发明提供的一种发动机管路装配密封性评价方法及装置，管路装配后的密封性能评价方法的核心在于分析管路装配过程中的关键特征参数。这些参数包括但不限于管接头的轴向偏差，径向偏差，角度偏差，圆度偏差，表面粗糙度。对管接头结构进行偏差存在时的有限元分析，求解出作用在密封带上的压力分布情况。探究微观尺度下不同压力分布情况时装配密封的基本机理，建立装配偏差对密封性能影响的关联模型，从而依据管路形位信息就能有效预测装配密封性，能有效避免重复试装。设计一套装配密封实验设备，进行套装配密封实验验证上述理论，为发动机外部管路装配密封技术提供理论支撑。
技术研发人员：齐振超,梁光跃,金绍峰,项宏伟,辛彦秋,赵越超
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5