王立

摘 要：文章對(duì)一波形密封墊片進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。在不改變安裝接口尺寸的前提下，對(duì)原有結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，改變了零件材料及墊片厚度，并采用三維數(shù)值模擬方法對(duì)改進(jìn)設(shè)計(jì)和原設(shè)計(jì)的應(yīng)力水平進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明改進(jìn)后的設(shè)計(jì)與改進(jìn)前相比，墊片被壓后回彈效果好，同樣的密封效果所需的安裝力矩更小。

關(guān)鍵詞：密封墊片；優(yōu)化設(shè)計(jì)；有限元分析

引言

密封技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于航空航天、核能發(fā)電等高新技術(shù)領(lǐng)域，以及石油、化工等國(guó)民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)。密封技術(shù)雖然不是領(lǐng)先性技術(shù)，但往往卻是決定性關(guān)鍵技術(shù)，它決定了機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的安全性、可靠性和耐久性。隨著密封技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的密封技術(shù)不斷地改進(jìn)，新密封技術(shù)不斷推陳出新，密封發(fā)展方向則是零泄漏、高性能、高可靠性以及長(zhǎng)壽命化。

1 應(yīng)用背景

航空發(fā)動(dòng)機(jī)外部管路接口處多數(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的法蘭面接頭，與對(duì)象件之間面對(duì)面接觸，如圖1所示，兩面之間需設(shè)置密封零件來(lái)實(shí)現(xiàn)端面密封。現(xiàn)有用于管接頭密封的零件通常有兩種：一種利用非金屬橡膠良好的彈性實(shí)現(xiàn)密封，但橡膠制品保質(zhì)期短、不耐高溫、易老化、易損壞，每裝配一次都必須更換新件，所以橡膠制品密封件主要用于冷端部件密封；另一種鋁金屬平墊圈利用產(chǎn)品表面受到擠壓時(shí)產(chǎn)生的變形來(lái)實(shí)現(xiàn)密封，鋁平墊圈主要用于熱端部件密封，但受壓變形后回彈性差，無(wú)法實(shí)現(xiàn)二次使用。文章著重介紹用于發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件進(jìn)行端面密封、金屬材質(zhì)的密封墊片，針對(duì)現(xiàn)有的鋁平墊圈進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，從多方面給出改進(jìn)設(shè)計(jì)前后的對(duì)比分析，并對(duì)分析結(jié)果加以計(jì)算驗(yàn)證。

2 原型密封零件簡(jiǎn)介

原型密封墊片（文中提及的鋁平墊圈）目前較多地應(yīng)用于管接頭端面密封，密封效果基本滿足使用要求。其結(jié)構(gòu)形式較為簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)詳情如圖2所示，墊片上開(kāi)有2個(gè)安裝孔，中間開(kāi)有1個(gè)對(duì)接孔，墊片本體上設(shè)有環(huán)狀滾波，且與對(duì)接孔同心。環(huán)形滾波的截面形狀如圖3所示。鋁平墊圈的材料為5A03，零件厚度為1.5mm，使用過(guò)程中的安裝力矩為4.8N·m。其密封原理為當(dāng)密封墊圈在工作過(guò)程中，由于預(yù)加的裝配載荷，密封墊圈上下兩個(gè)面同時(shí)受壓，凸起的滾波首先受壓變形，與待密封件的接觸面緊密貼合，達(dá)到密封效果。

3 改進(jìn)型密封零件結(jié)構(gòu)方案

改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)形式如圖4所示，墊片上開(kāi)有2個(gè)安裝孔，中間開(kāi)有1個(gè)對(duì)接孔，墊片本體上設(shè)有環(huán)狀V型凸槽，且與對(duì)接孔同心。環(huán)狀V型凸槽的截面形狀如圖5所示。改進(jìn)后密封墊片的材料為1Cr18Ni9Ti，零件厚度為0.2mm。使用過(guò)程中的安裝力矩為4.8N·m。其密封原理與原型鋁平墊圈的密封原理相同，當(dāng)密封墊圈在工作過(guò)程中，由于預(yù)加的裝配載荷，密封墊圈上下兩個(gè)面同時(shí)受壓，凸起的V形槽首先受壓變形，與待密封件的接觸面緊密貼合，達(dá)到密封效果?？紤]到材料本身固有特性，在密封墊兩表面增加鍍銀工序。

4 改進(jìn)后結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

改進(jìn)后的密封墊片相較于原型鋁平墊片大致結(jié)構(gòu)形式相近，安裝使用時(shí)的機(jī)械接口尺寸未改變，這確保了改進(jìn)后密封墊片在安裝使用時(shí)的繼承性。與此同時(shí)改進(jìn)后的密封墊片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎實(shí)用，工作過(guò)程中受壓時(shí)與原型密封墊片一樣，都是通過(guò)墊片上的凸起部分受壓變形達(dá)到密封效果，但改進(jìn)后的密封墊片凸起的V型槽受壓變形，與待密封件的接觸面緊密貼合，形成了一圈無(wú)間斷帶狀密封空間，且待密封件與密封墊圈接觸時(shí)是線接觸，故用同樣的安裝力矩就能將密封墊圈壓緊，從而起到較好的密封效果，工作時(shí)的安裝力矩對(duì)密封墊片本身的損害小，可重復(fù)使用。故改進(jìn)后密封墊片能達(dá)到良好的密封效果，且節(jié)約裝配時(shí)間?？煽啃愿?、密封效果好。

由于改進(jìn)后的密封墊片采用不銹鋼材料，較原型鋁制墊片強(qiáng)度要高，耐磨耐用；拉伸率較低，受壓后不容易產(chǎn)生永久變形且容易恢復(fù)，同時(shí)，其材料介質(zhì)性好，耐油、耐高低溫、工藝性高。 產(chǎn)品使用后體積磨損變化量小，重復(fù)使用率高，損耗小，節(jié)約了生產(chǎn)成本，提高了使用質(zhì)量和延長(zhǎng)使用壽命。同時(shí)，改進(jìn)后的密封墊片表面鍍銀層，保護(hù)密封墊片本身免受腐蝕，同時(shí)防止金屬密封墊與上下兩端面間材料的咬合，保證了面面接觸良好性和密封可靠性。

5 計(jì)算驗(yàn)證及結(jié)論

根據(jù)密封墊片在安裝使用過(guò)程中的力矩值，密封墊片安裝孔處的安裝螺栓的擰緊力矩約為4.8N.m。據(jù)此計(jì)算對(duì)應(yīng)的管接頭與機(jī)匣之間密封墊片所受的預(yù)載為500N，計(jì)算采用公式：

式中：φ-螺紋升角；ρ'-螺紋副當(dāng)量摩擦角；d2-螺紋中徑，mm；fc-螺母與被連接件或墊圈接觸互壓面組合的摩擦系數(shù)；D1-螺母支撐面外徑，mm；D0-被連接件或墊圈孔直徑，mm。

有限元計(jì)算分析時(shí)按照上式計(jì)算所得載荷500N對(duì)原型密封墊片和改進(jìn)后密封墊片加載，采用二十節(jié)點(diǎn)六面體單元?jiǎng)澐钟邢拊W(wǎng)格，有限元模型見(jiàn)圖6。密封墊改進(jìn)前共分1776個(gè)單元，9226個(gè)節(jié)點(diǎn)，改進(jìn)后共分390個(gè)單元，3114個(gè)節(jié)點(diǎn)。

對(duì)改進(jìn)前和改進(jìn)后的模型按500N的載荷予以加載，加載情況如圖7所示。

改進(jìn)前原型密封墊片和改進(jìn)后密封墊片加載500N時(shí)的最大應(yīng)力區(qū)都在凸起滾波根部位置，最大應(yīng)力值分別為改進(jìn)前498MPa，改進(jìn)后174MPa，計(jì)算結(jié)果參照?qǐng)D8和圖9。材料5A03（改進(jìn)前）的壓縮屈服強(qiáng)度為98MPa，材料1Cr18Ni9Ti（改進(jìn)后）的壓縮屈服強(qiáng)度為196MPa。由上述數(shù)據(jù)得出，改進(jìn)前鋁平墊片工作狀態(tài)受壓后已發(fā)生塑性變形，改進(jìn)后密封墊片工作狀態(tài)受壓后可實(shí)現(xiàn)回彈。目前，此改進(jìn)后的密封墊片已經(jīng)隨某型發(fā)動(dòng)機(jī)在試車臺(tái)進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)順利開(kāi)車至發(fā)動(dòng)機(jī)最大工作狀態(tài)轉(zhuǎn)速，墊片密封處未出現(xiàn)漏氣或漏油現(xiàn)象。分解后檢查計(jì)量，密封墊片的V形槽高度變化量為0.08mm，未超出重復(fù)使用要求。

上述情況表明，本研究中，密封墊片的結(jié)構(gòu)改進(jìn)有效，計(jì)算及試驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)預(yù)期吻合，延長(zhǎng)了密封件的使用壽命，密封有效可靠。

參考文獻(xiàn)

[1]胡亞杰，王志強(qiáng)，趙永極.機(jī)械密封失效原因分析[J].橡塑技術(shù)與裝備，2002（8）.

[2]緊固件連接設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫(xiě)委員會(huì).緊固件連接設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].國(guó)防工業(yè)出版社，1999，12.

[3]陳德才，崔德榮.機(jī)械密封設(shè)計(jì)制造與使用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1986.

[4]中國(guó)航空材料手冊(cè)編委會(huì).中國(guó)航空材料手冊(cè)[M].2001.