CN107218850B - 一种活塞式爆炸作动装置密封方法 - Google Patents

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Abstract

一种活塞式爆炸作动装置密封方法，步骤为：1)采用径向活塞密封形式，在活塞上设计两个相同密封槽；2)在活塞的两个密封槽之间增加一个宽度0.5mm～1mm、深度1mm～2mm的“卸爆槽”；3)依据装置的工作温度选用可耐受的O型密封圈的材料，并在每个密封槽内放置一个O型密封圈；4)在活塞与火炸药之间增加一个非金属垫片，其直径尺寸与活塞外径相同；5)采用GD‑414胶粘剂将非金属垫片与靠近火炸药方向的活塞端面进行贴合粘结。该方法基于爆炸产物预置填充与爆炸泄压的思想，不仅有效提升爆炸作动装置的密封可靠性，还可以提高产品的安全性。

Description

一种活塞式爆炸作动装置密封方法
技术领域
本发明涉及一种活塞式爆炸作动装置密封方法。
背景技术
活塞式爆炸装置是一项重要的航天器技术，主要作为动力源，实现航天器本体和部件之间、舱段之间、航天器与运载火箭之间的分离功能，也可以按特定需求实现载荷或设备的在轨解锁与释放功能。
一般而言，活塞式爆炸装置的基本组成相似，通常由发火组件、主装药和活塞运动部件构成，其中，活塞运动部件通常采用O型密封圈设计，为火炸药爆炸过程建立高压环境提供密封作用，一旦密封圈没有起到密封作用，发生了爆炸燃气泄漏现象，则会严重影响装置的功能，甚至导致作动功能完全丧失，这对航天器系统而言，关系到任务成败，是完全不可接受的。
美国C.J.Moening先生曾对1963年至1984年大约600次世界航天器发射活动进行了调查研究，根据研究结果，有多个航天器故障与活塞式爆炸装置的密封失效有关，最终对航天器飞行任务带来严重影响。此外，1986年1月28日，美国“挑战者”号航天飞机升空后发生了爆炸，7名宇航员在这次事故中丧生。根据调查这一事故的总统委员会的报告，其爆炸原因是一个O型密封环失效所致。这个封环位于右侧固体火箭推进器的两个低层部件之间，失效的密封封环使炽热的气体点燃了外部燃料罐中的燃料。
目前，我国航天器上应用的连接解锁装置多为活塞式爆炸装置，其主要优点是可靠性高、结构简单紧凑、比能量大、作动速度快；不足的地方是密封设计要求高，且只能一次性使用，试验费用昂贵。随着我国航天技术的快速发展，航天器的可靠性问题越来越受到重视，尤其对于爆炸螺栓、切割器、分离螺母、火工锁、火工作动筒、火工作动阀等活塞式爆炸装置，其可靠性要求极高，一般要求不低于0.9995(r＝09.5)。这对活塞式爆炸装置的每个环节设计提出相应的高要求，其中，活塞的密封设计更是至关重要，一直是国内外相关行业研究人员面临的一项共性技术难点。
对于现有活塞式爆炸装置的密封设计方法，基本都是采用行业惯用的双O型橡胶密封圈，并按照企业标准《O形橡胶密封圈的选用和密封腔设计规范QJ1035.2-86》中的径向活塞密封方法，对活塞式爆炸装置的活塞进行设计，然后依靠设计师经验进行装置的密封试验验证。这种方法采用的模式为：即“密封件设计—发火试验验证—密封改进设计—再发火试验验证”，不仅需要消耗大量的试验样品，花费较多的科研经费和较长的设计周期；还会导致设计人员对自己设计的产品的密封特性没有究根揭底的认识；且当产品在实际应用过程中出现密封失效问题后，设计人员都无法判断问题源自何处。
目前，随着火炸药爆炸特性研究的深入，人们逐渐认识到活塞式爆炸装置的密封设计是一个静密封与动密封的交叉融合问题。在火炸药爆炸前，O型密封圈起到的静密封作用，航天器发射过程主要保证活塞部件可承受力学环境条件；在火炸药爆炸时，也需要起到静密封作用，保证密封腔内快速建立爆炸燃气压力，提供强大的动力源；在火炸药爆炸后，起到可靠动密封作用，保证活塞运动过程没有爆炸燃气泄漏，提供稳定的动力源。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种活塞式爆炸作动装置密封方法，解决了活塞式爆炸作动装置密封可靠性不高的问题。
本发明的技术方案是：一种活塞式爆炸作动装置密封方法，步骤如下：
1)采用径向活塞密封形式，在活塞上设两个密封槽，用于安装两个O型密封圈；
2)在活塞的两个密封槽之间增加一个卸爆槽；
3)依据装置的工作温度选用可耐受的O型密封圈的材料，并在每个密封槽内放置一个O型密封圈；
4)在活塞与火炸药之间增加一个非金属垫片；
5)将非金属垫片与靠近火炸药方向的活塞端面进行贴合粘结。
所述卸爆槽的宽度为0.5mm～1mm，深度为1mm～2mm。
将所述O型橡胶圈放入密封槽内进行压缩时的压缩率为15％～25％。
所述非金属垫片的直径尺寸与活塞的外径相同。
所述步骤5)中采用GD-414胶粘剂进行贴合粘结。
本发明与现有技术相比的优点在于：
与传统的活塞式爆炸装置密封方法相比，本发明提出的新方法有以下优势：
(1)在密封圈与壳体动摩擦过程，通过预置非金属垫片，当火炸药爆炸后形成碎屑爆炸产物，填充密封圈与壳体间隙，可以有效增强第一道O型密封圈的抗爆炸密封能力；
(2)在活塞的两个密封槽之间，通过预置“卸爆槽”，当第一道O型密封圈在火炸药爆炸过程中发生了密封失效时，可以起到卸压作用，避免高温高压燃气造成第二道O型密封圈失效，能保证密封冗余设计可靠有效；
(3)通过联合采用非金属垫片及“卸爆槽”设计，可以同步增加两道O型密封圈的密封性能，降低活塞式爆炸装置的泄漏风险，提高装置的功能可靠性；
(4)本发明提出的新方法可以适用于爆炸螺栓、切割器、分离螺母、火工锁、火工作动筒、火工作动阀、火工拔销器等活塞式爆炸装置的密封设计，具有良好的通用性和普适性。
附图说明
图1为本发明提出的新型活塞式爆炸装置作动密封方法原理图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提出的活塞式爆炸作动装置密封方法是：
(1)第一步采用径向活塞密封形式，在活塞上设计两个相同密封槽。活塞作为套装两个O型密封圈的基体，采用的是密封与作动部件一体化设计思想，传统的密封形式是按照《O形橡胶密封圈的选用和密封腔设计规范QJ1035.2-86》，直接在活塞上设计两个密封槽，用于安装两个O型密封圈。
(2)第二步在活塞的两个密封槽之间增加一个宽度0.5mm～1mm、深度1mm～2mm的“卸爆槽”。该步骤的作用是：火炸药爆炸以后，形成高温、高压爆燃气体，如果第一道O型密封圈没有挡住爆燃气体，在冲击第二道O型密封圈前会经过“卸爆槽”，此时，根据气体状态方程PV＝nRT可知，爆燃气体进入到一个相对较大的空间后，爆炸压力则会瞬间大幅下降，例如，对于活塞外径为14mm的爆炸装置，如果初始容腔为100mm3，爆炸压力为100MPa，当设计卸爆槽宽1mm、深度2mm时，卸爆槽的容腔为75.36mm3,火炸药爆炸后经过卸爆槽时，爆炸装置的容腔增大至175.36mm3，根据气体状态方程原理，爆炸压力会下降至57MPa，相对下降43％。因此，在爆燃气体冲击第二道O型密封圈前，“卸爆槽”可以起到卸压作用，瞬间大幅降低爆燃气体的压力，避免对第二道O型密封圈形成强大的冲击力，进一步保证两个O型密封圈的冗余设计可靠有效。
(3)第三步依据装置的工作温度选用可耐受的密封圈材料。例如，某航天活塞式爆炸装置的工作温度范围为-40℃～+100℃，对应选择的密封圈材料的极限低温适应范围应该在-40℃以下，极限高温适应范围应该在+100℃以上。
(4)第四步基于活塞的两个密封槽尺寸进行O型密封圈的冗余密封设计；
(5)第五步设计密封圈压缩率，控制压缩率在15％～25％之间；
(6)第六步在活塞与火炸药之间增加一个非金属垫片，其直径尺寸与活塞外径相同。该步骤的作用是：当火炸药爆炸以后，形成高温、高压爆燃气体，将非金属垫片炸碎，形成细碎的残渣，并同时推动活塞相对壳体开始运动，此时O型密封圈的作用由静密封变成动密封。在活塞运动过程中，密封圈与壳体之间会形成间隙，非金属垫片残渣在高温、高压气体的冲击作用下，会不断填充密封圈与壳体之间的间隙，增强第一道O型密封圈的密封能力。
(7)第七步采用GD-414胶粘剂将非金属垫片与靠近火炸药方向的活塞端面进行贴合粘结。
本发明的创新点如下：
(1)在活塞式爆炸装置的活塞与火炸药之间预置一个非金属垫片，增强第一道O型密封圈的密封能力。
(2)在活塞式爆炸装置的活塞上设计两个密封槽，并在两个密封槽的中间位置预置一个“卸爆槽”，防止爆燃气体冲过第一道O型密封圈后，对第二道O型密封圈形成强大的冲击力，进一步保证两个O型密封圈的冗余设计可靠有效。
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。

Claims (5)

1.一种活塞式爆炸作动装置密封方法，其特征在于步骤如下：
1)采用径向活塞密封形式，在活塞(2)上设两个密封槽，用于安装两个O型密封圈(1)；
2)在活塞(2)的两个密封槽之间增加一个卸爆槽(6)；
3)依据装置的工作温度选用可耐受的O型密封圈(1)的材料，并在每个密封槽内放置一个O型密封圈(1)；
4)在活塞(2)与火炸药(4)之间增加一个非金属垫片(5)；
5)将非金属垫片(5)与靠近火炸药(4)方向的活塞(2)端面进行贴合粘结。
2.根据权利要求1所述的一种活塞式爆炸作动装置密封方法，其特征在于：所述卸爆槽(6)的宽度为0.5mm～1mm，深度为1mm～2mm。
3.根据权利要求1所述的一种活塞式爆炸作动装置密封方法，其特征在于：将所述O型密封圈(1)放入密封槽内进行压缩时的压缩率为15％～25％。
4.根据权利要求1所述的一种活塞式爆炸作动装置密封方法，其特征在于：所述非金属垫片(5)的直径尺寸与活塞(2)的外径相同。
5.根据权利要求1所述的一种活塞式爆炸作动装置密封方法，其特征在于：所述步骤5)中采用GD-414胶粘剂进行贴合粘结。
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