劉 華，任建民

（遼寧石油化工大學(xué)機(jī)械學(xué)院， 遼寧 撫順 113001）

波齒復(fù)合墊片骨架結(jié)構(gòu)及壓縮回彈性能的研究

劉 華，任建民

（遼寧石油化工大學(xué)機(jī)械學(xué)院， 遼寧 撫順 113001）

通過有限元分析和模擬，在不同的骨架結(jié)構(gòu)參數(shù)下，對波齒復(fù)合墊片的壓縮回彈性能進(jìn)行測試。從而得到不同狀態(tài)下的應(yīng)力分布、壓縮回彈性能和結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系，進(jìn)而用于優(yōu)化波齒復(fù)合墊片的結(jié)構(gòu)性能。分析結(jié)果表明：在相同波深的條件下，隨著波齒距的增大，壓縮率相應(yīng)增大，而回彈率卻相應(yīng)減小。

結(jié)構(gòu)參數(shù)； 壓縮回彈性能； 有限元分析

波齒復(fù)合墊片是通過模壓、滾壓或車削等工藝在密封表面上加工出同心的波形圈，密封面上粘貼柔性石墨，構(gòu)成組合式靜密封墊片。柔性石墨波齒復(fù)合墊片有墊片壓縮回彈性好，熱傳導(dǎo)好等優(yōu)點。多應(yīng)用于高溫、高壓及易腐蝕的場合，如換熱器、閥門、管道等法蘭聯(lián)接的密封件。波齒復(fù)合墊片在一般應(yīng)用場合可再生使用，相當(dāng)經(jīng)濟(jì)有效。

波齒復(fù)合墊片是線接觸靜密封墊片，其金屬骨架提供機(jī)械支撐，根據(jù)采用的墊片型式、金屬厚度、波齒距及波深決定其壓縮回彈性能。在波齒墊片金屬骨架表面粘貼石墨層，適用于不太平整的密封面。

壓縮率和回彈率是測試波齒復(fù)合墊片性能的重要指標(biāo)。壓縮率代表墊片的承載能力，回彈率則代表墊片的回彈能力，波齒復(fù)合墊片的壓縮回彈性能對墊片的密封性能有很大的影響，主要體現(xiàn)在墊片對載荷波動情況下的補(bǔ)償適應(yīng)能力，因此就要求墊片既要具有一定的壓縮率，更要保證有一定的回彈率[1]。同時對墊片性能起決定作用的金屬骨架結(jié)構(gòu)，絕大多數(shù)廠家僅憑經(jīng)驗生產(chǎn)，缺乏科學(xué)的理論分析，致使墊片性能差異很大，安全可靠性得不到保證。因此，合理設(shè)計骨架的結(jié)構(gòu)是非常必要的[2]。

1 基本結(jié)構(gòu)和密封特點

1.1 基本結(jié)構(gòu)

波齒復(fù)合墊片的結(jié)構(gòu)型式分為基本型、帶定位環(huán)型和帶定位耳型[3]。波齒復(fù)合墊片的基本型結(jié)構(gòu)如圖1所示，基本參數(shù)包括墊片厚度T、波深h、齒距P、金屬骨架厚度t、外徑D3及內(nèi)徑D2等。本文主要研究骨架圓弧半徑、波齒距、及齒數(shù)對波齒復(fù)合墊片性能的影響。

圖1 波齒復(fù)合墊片結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of corrugated composite gasket

1.2 密封特點

石墨波齒復(fù)合墊片金屬骨架具有良好的彈性,使用時螺栓法蘭上緊,將石墨材料壓人溝槽,金屬骨架上下表面的環(huán)形波峰與法蘭緊密接觸。當(dāng)法蘭被進(jìn)一步壓緊時金屬骨架產(chǎn)生彈性變形,并使膨脹石墨受到壓縮,被封閉在金屬骨架與法蘭面之間形成的環(huán)形密閉空間里。這樣,整個復(fù)合墊片就產(chǎn)生了多道金屬密封和膨脹石墨材料的雙重密封[4]。

2 波齒復(fù)合墊片的性能研究

2.1 模型計算

本文中用于模擬計算的波齒復(fù)合墊片的規(guī)格為?120.5 mm × ?88.5 mm×3.0 mm (符合GB/ T 19066.1-2008)，即墊片的內(nèi)徑D2=88.5 mm，外徑D3=120.5 mm，厚度T = 3.0 mm。

2.1.1 模型的建立

波齒復(fù)合墊片的幾何結(jié)構(gòu)和載荷均有軸對稱性，建立二維軸對稱模型。金屬骨架采用奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9T，彈性模量2.06el1，泊松比為 0.3。柔性石墨的彈塑性數(shù)據(jù)由文獻(xiàn)查找得到[5]。

墊片應(yīng)用平面應(yīng)力分析單元類型plane182?？紤]到金屬骨架和石墨層的接觸情況，在金屬骨架和石墨層之間設(shè)置兩個面-面接觸對。網(wǎng)格劃分使用四邊形單元，自由化網(wǎng)格劃分技術(shù)。假設(shè)上下法蘭為剛性平板，限制墊片兩端x軸方向的移動，并延y軸方向固定其上表面，下表面施加軸向載荷45 MPa[6]。通過施加若干載荷步來模擬墊片的加載和卸載過程。

2.1.2 骨架結(jié)構(gòu)

本文將主要研究波深分別為0.5 mm和1 mm時，波齒復(fù)合墊片性能與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系（表1，2）。

表2 1 mm波深骨架結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Structure parameters of 1 mm depth of tooth

2.1.3 壓縮率與回彈率的計算

壓縮性指初始壓縮后墊片厚度的改變量,表征了墊片柔軟性的大小。回彈性指卸載后墊片厚度的回復(fù)量，表征對密封面分離后的補(bǔ)償能力。墊片的壓縮率和回彈率可分別按照公式(1)和公式(2)進(jìn)行計算[7]。

（1）壓縮率

式中:0δ為墊片在總載荷下的壓縮量,mm; t為墊片的厚度,mm。

（2）回彈率

式中:0δ為墊片在總載荷下的壓縮量,mm;1δ為墊片在卸載后的壓縮量,mm; t0為墊片的初始厚度,mm。

2.2 計算結(jié)果與處理

根據(jù)有限元模型計算出波齒復(fù)合墊片在施加壓縮載荷為45 MPa,加載、卸載速度為0.5 MPa/s時的壓縮回彈曲線，如圖3、圖4。圖中SG為墊片壓緊應(yīng)力，MPa;DG為墊片壓縮量,即沿墊片壓緊應(yīng)力SG方向的變化量,mm。圖2為1號墊片的Mises應(yīng)力分布。

圖2 1#墊片Mises應(yīng)力分布Fig.2 Mises stress distribution of the gasket 1

圖3 0.5 mm波深墊片壓縮回彈特性曲線Fig.3 Compressibility and resilience curve of 0.5 mm depth of tooth

圖4 1 mm波深墊片壓縮回彈特性曲線Fig.4 Compressibility and resilience curve of 1 mm depth of tooth

表1 0.5 mm波深骨架結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structure parameters of 0.5 mm depth of tooth

從圖3和圖4可以看出, 波齒復(fù)合墊壓縮回彈曲線具有非線性和非保守性特征。墊片的彈性和塑性變形量均隨墊片應(yīng)力的增大而增大, 其壓縮和回彈時的彈性模量不同。不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的墊片壓縮回彈曲線形狀較為相似。墊片卸載過程中的變形量小于加載過程的變形量, 這與大多數(shù)墊片的壓縮回彈特性類似[8]。

通過模擬收集重要數(shù)據(jù)，包括加載后DG的最大值，即0δ；卸載完成后的壓縮量1δ。結(jié)合上文中公式(1)和公式(2)計算出墊片的壓縮量，回彈量，壓縮率和回彈率，如表3所示。

3 結(jié)果分析與討論

（1） 當(dāng)波深h相同時，隨著波齒距P和圓弧半徑R的增大，壓縮率逐步增大，回彈率卻逐步減小。當(dāng)墊片有較大的波齒距和圓弧半徑時，有較好的壓縮率，此時墊片柔性增大,塑性變形增加,回彈能力弱。

（2） 當(dāng)圓弧半徑R相同時，隨著波深h和波齒距P增大，壓縮率逐步增大，回彈率逐步減小。說明當(dāng)墊片有較大的波深和波齒距時，柔性增大,塑性變形增加,回彈能力弱。

（3）當(dāng)波齒距P和齒數(shù)N相同時， 圓弧半徑R變小，回彈率也變小，壓縮率卻增大。

（4）波峰處應(yīng)力較大，應(yīng)力極值出現(xiàn)在墊片內(nèi)徑和外徑處。

結(jié)合以上分析，波深對波齒復(fù)合墊片的壓縮回彈性能影響最大，其次為波齒距和圓弧半徑。1號墊片有最好的回彈率，4號墊片有最好的壓縮率。參照國家標(biāo)準(zhǔn)，1號墊片綜合性能最優(yōu)。

4 結(jié)束語

通過有限元模擬,本文分析了波深、波齒距、圓弧半徑及齒數(shù)對墊片性能的影響，以及對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的波齒復(fù)合墊片進(jìn)行壓縮回彈性能測試。分析結(jié)果表明，通過合理的分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計,波齒復(fù)合墊片具有優(yōu)良密封性能。接下來的任務(wù)需要通過選用不同參數(shù)的一系列墊片，在試驗的基礎(chǔ)上加以進(jìn)一步比對分析，從而得到最優(yōu)解。

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［5］賴盛剛，奚縢． 膨脹石墨密封材料及其制品[M]．北京: 中國石化出版社，1994．

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［7］蔡仁良，顧伯勤，宋鵬云．過程裝備密封技術(shù)[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社，2006．

［8］朱瑞松, 周寒秋, 黃星路, 顧伯勤，劉麟．金屬橢圓環(huán)墊壓縮回彈特性的數(shù)值分析[J]. 壓力容器，2010, 27 (1): 27-30．

Study on the Compressibility and Resilience and Skeleton Structural Parameters of Corrugated Composite Gaskets

LIU Hua，REN Jian-min
（School of Mechanical Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

With the finite element analysis and simulation, the compressibility and resilience of corrugated composite gaskets under the different skeleton structure parameters were tested. Then the relationship between the structural parameters and the stress distribution, compressibility resilience under different conditions was obtained. And the structure and performance of corrugated composite gasket were optimized. The analysis results show that, under the same wave deep, with the tooth pitch increasing, the compressibility rate increases, but the resilience rate reduces.

structural parameter; compressibility and resilience; finite element stress analysis

表3 墊片的壓縮率和回彈率Table 3 Gasket compression and resilience rate

TQ 051

： A

： 1671-0460（2015）02-0366-03

2014-09-01

劉華（1989-），男，山西長治人，遼寧石油化工大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向：密封技術(shù)。E-mail：850692954@qq.com。