一种双路密封栓式喷注器装配测试方法与流程

1.本发明属于液体火箭发动机喷注器领域，具体涉及一种双路密封栓式喷注器装配测试方法。


背景技术：

2.液体火箭发动机是运载火箭、航天器的主要动力装置。运载火箭主动力系统广泛采用栓式喷注器发动机。栓式喷注器发动机的两路推进剂通过栓式喷注器内不同的流道进入燃烧室实现燃烧。为了满足液体火箭栓式发动机快响应要求，栓式喷注器面关机技术(在喷注面密封推进剂)是实现发动机快响应的一种有效方案。
3.栓式喷注器的装配及测试流程决定了其运动和密封的可靠性，尤其是零件加工精度、装配精度的影响较大。但是，现有的栓式喷注器结构多数是非面关机结构，无法实现喷前集合腔预充填，亦或者是装配测试流程不规范，造成面关机功能失效，可靠性降低。


技术实现要素：

4.本发明的目的是解决现有栓式喷注器装配测试流程不规范，造成面关机功能失效，可靠性降低的问题，提供一种双路密封栓式喷注器装配测试方法。
5.为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
6.一种双路密封栓式喷注器装配测试方法，包括以下步骤：
7.步骤一、试装配及配合尺寸检查
8.对壳体、中心筒、外针阀、内针阀和中心杆进行试装配，并对试装配后的配合尺寸进行检测，若各径向配合尺寸、外针阀与壳体的轴向自由间隙
△
h 满足设计要求，则执行步骤二，若不合格，则进行研磨或加工；
9.步骤二、初步确定垫环的尺寸
10.垫环的外侧厚度hdw和内侧厚度hdn根据以下公式获取：
11.△
htz＝l1-(l2+htz+hdw)
12.△
htf1＝(h5+h4+
△
h1)-(l2+hdn+htf+h1+h2)
13.其中，
△
htz为主弹簧预压缩量；l1为壳体上端面距外针阀上端面的高度； l2为中心筒外端面距中心筒内端面的高度；htz为主弹簧的自由高度；
△
htf1 为副弹簧预压缩量的设计值；h5为中心筒外端面距中心筒限位端面的高度； h4为中心筒限位端面距中心筒下端面的高度；
△
h1为中心杆台阶高度差；htf 为副弹簧的自由高度；h1为内针阀上端面与内针阀配合面的高度；h2为内针阀配合面与内针阀下端面的高度；
14.步骤三、装配
15.3.1)将垫环、副弹簧、内针阀安装在中心筒上，确保自由接触；
16.3.2)测量内针阀下端面距中心筒下端面的高度差
△
h2，并根据该高度差
△
h2计算副弹簧预压缩量
△
htf，
△
htf＝
△
h2
‑△
h1，将该计算结果与步骤二中的副弹簧预压缩量的设计值
△
htf1进行对比，若两者偏差在
±
0.02mm范围内，则执行下一步，若偏差超过该范围
值，则返回步骤二，调整垫环的尺寸；
17.步骤四、精修内针阀限位尺寸h3；
18.计算内针阀内端面与内针阀上端面的高度h3，h3＝(h5+hy1)
‑ꢀ
(l2+hdn+htf+h1
‑△
htf)，根据计算后的高度h3对内针阀进行加工，使得加工后的高度h3尺寸偏差在
±
0.01mm内，加工时保持内针阀总高h不变，hy1为氧化剂开度设计值，
△
htf为副弹簧预压缩量；
19.步骤五、计算氧化剂开度hy
20.5.1)将内针阀安装至中心筒上，测量内针阀下端面距中心筒下端面的高度差
△
h2；
21.5.2)计算氧化剂开度hy，hy＝
△
h2+
△
h1，将计算后的值与氧化剂开度设计值hy1进行比较，若二者偏差在
±
0.02mm之内，则满足要求，若偏差在
±
0.02 之外，那么修磨内针阀下端面；
22.步骤六、确定调整垫片的厚度δ1
23.计算获取调整垫片的厚度δ1，δ1＝l3-(l2+hdn+htf
‑△
htf)-h1，其中， l3为壳体上端面与外针阀内端面的高度；
24.步骤七、喷注器装配
25.7.1)安装中心杆与中心筒、弹垫、自锁螺母，按力矩设计要求校核自锁螺母拧紧力矩；
26.7.2)将垫环、主弹簧、副弹簧、内针阀、外针阀依次安装于中心筒上，并安装各部位的密封圈；
27.7.3)将中心筒、壳体固定，双路密封栓式喷注器装配完成；
28.步骤八、气密性测试和针阀动作检测
29.对装配后的双路密封栓式喷注器进行气密性测试和针阀动作检测。
30.进一步地，步骤一中，外针阀与壳体的轴向自由间隙
△
h＝(lw-lk)，其中，lk为外针阀的喷注直径df与壳体内侧端面的高度，lw为外针阀喷注直径 df与外针阀下端面的高度。
31.进一步地，步骤六中，为保证内针阀、外针阀密封不干涉，选取实际调整垫片厚度为δ1s＝δ1-(0.02～0.05)mm。
32.进一步地，步骤5.1)中，采用三坐标测量内针阀下端面距中心筒下端面的高度差
△
h2。
33.与现有技术相比，本发明具有的有益技术效果如下：
34.1.本发明提供了一种双路密封栓式喷注器装配测试方法，该方法可规范快速地完成面关机喷注器的装配和测试，保证了面关机栓式喷注器运动特性、密封特性及喷注特性满足设计要求，快速实现喷注器装配测试合格和交付使用，避免了栓式喷注器装配测试流程不规范，造成面关机功能失效，可靠性降低的问题。
35.2.本发明装配测试方法的装配尺寸测量精度高，实测尺寸链受控，测试流程环节完备，因而一次装配合格率高，可靠性高。
附图说明
36.图1为本发明双路密封栓式喷注器的剖视图；
37.图2为本发明双路密封栓式喷注器中外针阀与壳体的轴向自由间隙示意图；
38.图3为本发明双路密封栓式喷注器中壳体与外针阀、内针阀的配合示意图；
39.图4为本发明双路密封栓式喷注器中调整垫片的安装示意图；
40.图5为本发明双路密封栓式喷注器的壳体结构示意图；
41.图6为本发明双路密封栓式喷注器的外针阀结构示意图；
42.图7为本发明双路密封栓式喷注器的中心杆结构示意图；
43.图8为本发明双路密封栓式喷注器的中心筒结构示意图；
44.图9为本发明双路密封栓式喷注器的内针阀结构示意图。
45.附图标记：1-壳体，2-中心筒，3-外针阀，4-内针阀，5-主弹簧，6-副弹簧，7-垫环，8-中心杆，9-弹垫，10-自锁螺母，11-密封圈，12-调整垫片，13
‑ꢀ
针栓头，14-第一进口，15-第二进口，101-壳体密封锥面，102-壳体内侧端面， 103-壳体上端面，201-中心筒下端面，202-中心筒外端面，203-中心筒内端面， 204-中心筒限位端面，301-外针阀密封锥面，302-外针阀下端面，303-外针阀上端面，304-外针阀内端面，401-内针阀下端面，402-内针阀配合面，403-内针阀上端面，404-内针阀内端面。
具体实施方式
46.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。
47.在栓式喷注器研制中，关键部件之一可移动针阀的运动灵活性和双路密封结构可靠性对于发动机工作极为重要，对于各零件加工尺寸、配合体系及密封面状态等要求严格，栓式喷注器尤其是双路面关机结构喷注器的装配步骤、方法和流程是比较关键的。为了规范和提高喷注器装配可靠度，本发明提供了一种双路密封栓式喷注器装配测试方法，该方法保证了栓式喷注器运动特性(灵活性及响应)、密封特性及喷注特性(工作开度、喷注压降)满足设计要求，快速实现喷注器装配测试合格和交付使用，已应用于多个工程型号产品研制生产。
48.如图1所示，现有的双针阀栓式喷注器采用“液(气)压打开+弹簧关闭”方案，由壳体1、中心筒2、外针阀3、内针阀4、主弹簧5、副弹簧6、垫环7、中心杆8、弹垫9、自锁螺母10、密封圈11、调整垫片12、针栓头13等组成，一路推进剂由第二进口15进入，内针阀4在副弹簧6预紧作用力下，在内针阀4 端头处保持密封；另一种推进剂由第一进口14进入，外针阀3在主弹簧5预紧作用力下，在壳体密封锥面101保持密封，从而最终实现两路同时面关机。开机时，由第一进口14进入高压液体，推动外针阀3、带动内针阀4向上运动，打开两路推进剂进行推进剂喷注和燃烧。该面关机栓式喷注器采用双路密封结构，双路密封结构栓式喷注器的优点主要是结构灵活性高，双路密封的可靠性较高，通过内针阀4、外针阀3与中心筒2的组合，可形成不同的喷注方案；通过内针阀4、外针阀3实现面关机功能，同时内针阀4、外针阀3的开度决定了两路推进剂喷注压降。
49.为实现栓式喷注器较高的装配精度和可靠性，本发明提供一种双路密封栓式喷注
器装配测试方法，其主要包括以下步骤：
50.步骤一、试装配及配合尺寸检查
51.检查配套零件尺寸和外观质量后，进行主要零件试装，即进行壳体1、中心筒2、外针阀3、内针阀4、中心杆8的试装，检查壳体1与中心筒2、外针阀3 与内针阀4、内针阀4与中心筒2、中心筒2和中心杆8的导向配合情况，要求各零件运动灵活，各径向配合尺寸(即各零件的轴孔径向配合尺寸，推荐轴孔径向配合间隙为中等级精密配合副)、外针阀与壳体的轴向自由间隙
△
h满足设计要求；
52.如图2、图5、图6和图7所示，外针阀与壳体的轴向自由间隙
△
h＝(lw-lk)，其中，lk为外针阀3的喷注直径df与壳体内侧端面102的高度，lw为外针阀3 喷注直径df与外针阀下端面302的高度；若各径向配合尺寸及外针阀与壳体的轴向自由间隙
△
h不满足设计要求，对中心杆8的b面和g面、内针阀下端面 401、中心筒下端面201进行研磨，要求单独研磨后两者适当对研；壳体密封锥面101和外针阀密封锥面301对研，要求研磨面周向连续、宽度均匀，表面光洁度要求ra0.8；
53.步骤二、初步确定垫环7的尺寸
54.如图2所示，垫环7的尺寸包括垫环7的外侧厚度hdw和内侧厚度hdn；
55.2.1)如图3、图5、图8所示，将外针阀3自由放入壳体1中，压紧至壳体1 上，测量壳体上端面103距外针阀上端面303的高度l1、壳体上端面103与外针阀内端面304(调整垫片12端面处)的高度l3；测量主弹簧的自由高度htz、中心筒外端面202距中心筒内端面203(放置垫环7)的高度l2；
56.2.2)根据壳体1和外针阀3密封面的开度(通过液流试验喷注压降换算) 要求，获取主弹簧预压缩量
△
htz(预调值)，根据主弹簧预压缩量
△
htz确定垫环7外侧厚度hdw，
△
htz＝l1-(l2+htz+hdw)，此时，垫环外侧厚度hdw 满足设计预紧力保证外圈(外圈即为壳体1和外针阀3密封面)密封，同时确保了主弹簧5和中心杆8的密封面喷注压降1～1.2mpa时外圈的开度；
57.2.3)如图8和图9所示，测量副弹簧6的自由高度htf、内针阀上端面403与内针阀配合面402(放置调整垫片12)的高度h1、内针阀配合面402(放置调整垫片12)与内针阀下端面401的高度h2、中心筒限位端面204距中心筒下端面201的高度h4、中心筒外端面202距中心筒限位端面204的高度h5、中心杆8 台阶高度差
△
h1，如图7所示；
58.2.4)根据副弹簧预压缩量的设计值
△
htf1，计算得到实际所用的垫环7内侧厚度hdn，
△
htf1＝(h5+h4+
△
h1)-(l2+hdn+htf+h1+h2)；
59.步骤三、装配
60.3.1)将垫环7、副弹簧6、内针阀4安装在中心筒2上，确保自由接触；
61.3.2)测量内针阀下端面401距中心筒下端面201的高度差
△
h2，并根据该高度差
△
h2计算副弹簧预压缩量
△
htf，
△
htf＝
△
h2
‑△
h1，将该计算结果与步骤二中的副弹簧预压缩量的设计值
△
htf1进行对比，若两者偏差在
±
0.02mm 范围内，则执行下一步，若偏差超过该范围值，则返回步骤二，调整垫环7的尺寸；
62.步骤四、精修内针阀4限位尺寸h3
63.计算内针阀内端面404与内针阀上端面403的高度h3，h3＝(h5+hy1)
‑ꢀ
(l2+hdn+htf+h1
‑△
htf)，根据计算后的高度h3对内针阀4进行精修车加工，使得精修车加工后的高
度h3尺寸偏差在
±
0.01mm内，精修车加工时保持内针阀4总高h不变，hy1为氧化剂开度设计值，
△
htf为副弹簧预压缩量，如图9 所示；
64.步骤五、计算氧化剂开度hy
65.5.1)将内针阀4安装至中心筒2上(确保限位处接触上)，不安装橡胶密封圈11，采用三坐标计量测量内针阀下端面401距中心筒下端面201的高度差
△
h2；内针阀下端面401距中心筒2槽顶端的高度差
△
h3(额定工况限位后不遮槽余量设计0.12mm～0.15mm)；
66.5.2)计算氧化剂开度hy，hy＝
△
h2+
△
h1，将该计算值与氧化剂开度设计值hy1进行比较，若偏差
±
0.02mm之内，则满足要求，若偏差在
±
0.02之外，那么修磨内针阀下端面401；
67.步骤六、确定调整垫片12的厚度δ1
68.如图4所示，计算获取调整垫片12的厚度δ1，δ1＝l3-(l2+hdn+htf
‑△
htf)
ꢀ‑
h1，按照内针阀4、外针阀3之间轴向预留间隙尽可能小的原则(保证内针阀 4、外针阀3密封不干涉)，选取实际调整垫片12厚度为δ1s＝δ1-(0.02～0.05)；
69.步骤七、喷注器装配；
70.经过上述装配步骤选出调整垫片12、垫环7，以及确定了内针阀4限位尺寸，喷注器各主要零件装配尺寸已确定；
71.7.1)安装中心杆8与中心筒2、弹垫9、自锁螺母10等，按力矩设计要求校核自锁螺母10拧紧力矩；
72.7.2)将垫环7、主弹簧5、副弹簧6、内针阀4、外针阀3依次安装于中心筒 2上，并安装各部位的密封圈11；
73.7.3)将上述装配件安置于壳体1上，并用螺栓、平垫将中心筒2、壳体1 固定，按力矩设计要求校核螺栓拧紧力矩；
74.步骤八、喷注器气密性测试和针阀动作检查；
75.8.1)喷注器气密性试验，在8mpa(表压)下检查4处胶圈的密封性；双路面关机密封性检查，分别从燃料入口和氧化剂入口通气或通液，逐渐增加气(液)压力检测喷孔密封性，逐渐增压至8mpa，不允许渗漏；密封性检查合格后，安装针栓头13，按力矩设计要求校核针栓头13拧紧力矩，为防止螺纹松动可以在中心杆8和针栓头13之间的螺纹连接处注入适量螺纹锁固剂；
76.8.4)进行喷注器液流试验。
77.表1栓式喷注器装配及尺寸链计算汇总
78.[0079][0080]
两路密封采用金属硬密封，设计比压比(n＝q/pmax)定义为密封比压与密封腔最高压力的比值，选取3.5确保密封。为确保内圈面可靠密封，设计时尽量增大弹簧预紧力及减小密封面积，受限于内针阀厚度保持不变形，密封面宽度设计为0.8～1.0mm，如本案例密封力3000n。外圈密封锥面宽度1.5～2.0mm，如本案例密封力5000n。