(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)機(jī)電與信息工程學(xué)院 北京 100083;2.清華大學(xué)機(jī)械工程系 北京 100084)
密封圈是許多高科技領(lǐng)域(如航空工業(yè)、人體工程工業(yè)等)的關(guān)鍵基礎(chǔ)零部件[1-2]。進(jìn)入21世紀(jì),國(guó)家已將研究密封件在內(nèi)的關(guān)鍵基礎(chǔ)零部件作為研究航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的重點(diǎn)[3]。航空發(fā)動(dòng)機(jī)密封圈的工作環(huán)境兼具高溫、高介質(zhì)壓力,同時(shí)還有交變載荷。傳統(tǒng)密封件在如此嚴(yán)苛的條件下難以表現(xiàn)出良好的工作性能,并且在不斷承受法蘭間的交變載荷后難以補(bǔ)償自身與法蘭之間產(chǎn)生的間隙而造成泄漏。彈性金屬密封應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì),其各種不同截面形狀的產(chǎn)品如O形密封圈、C形密封圈、W形密封圈等已經(jīng)投入市場(chǎng),并被稱為是傳統(tǒng)密封的更新?lián)Q代產(chǎn)品[4]。C形密封圈的性能與其獨(dú)特的截面形狀息息相關(guān)。在C形密封圈工作時(shí),其開(kāi)口處往往朝向密封氣體的高壓處,這使得C形密封圈具有優(yōu)秀的自緊能力;同時(shí)在交變載荷的循環(huán)作用下,密封氣體的壓力可以幫助其進(jìn)行回彈,以彌補(bǔ)密封圈與法蘭之間的間隙,防止泄漏的發(fā)生[5]。
目前,國(guó)外對(duì)彈性金屬密封圈研究已經(jīng)較成熟。由于彈性金屬密封件性能優(yōu)良,除了航空航天領(lǐng)域之外,該技術(shù)在國(guó)外開(kāi)始廣泛應(yīng)用于核工業(yè)、化工業(yè)、醫(yī)藥行業(yè)等[6]。在國(guó)內(nèi),彈性金屬密封技術(shù)起步較晚。由于國(guó)外的技術(shù)封鎖,有關(guān)國(guó)外彈性金屬密封技術(shù)的研究資料十分有限,僅可通過(guò)產(chǎn)品手冊(cè)了解彈性金屬密封件的部分性能信息。關(guān)于C形彈性金屬密封圈的研究,國(guó)內(nèi)多以性能研究為主[7-8],已經(jīng)具備較為扎實(shí)的理論研究水平和與國(guó)際水平較為接近的制造水平。但在C形密封圈的實(shí)驗(yàn)研究當(dāng)中,多以壓縮回彈測(cè)定為主,對(duì)于其接觸應(yīng)力的測(cè)試,尚無(wú)成熟的實(shí)驗(yàn)方法。
本文作者提出一種測(cè)量彈性金屬密封圈接觸應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)方法,即應(yīng)用萬(wàn)能電子試驗(yàn)機(jī)對(duì)C形密封圈加壓,通過(guò)墊在C形密封圈下的薄膜壓力敏感紙測(cè)量得到C形密封圈的接觸應(yīng)力。同時(shí)采用有限元分析方法對(duì)彈性金屬密封圈接觸應(yīng)力進(jìn)行分析,有限元分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果高度吻合,驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)方法的可行性與科學(xué)性。
1.1.1 接觸應(yīng)力測(cè)量裝置
實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用富士(FUJIFLIM)公司的壓感紙作為接觸應(yīng)力測(cè)量設(shè)備。根據(jù)C形密封圈模型仿真結(jié)果,實(shí)驗(yàn)用壓感紙選擇HS型號(hào)。
如圖1所示,是壓感紙的微觀結(jié)構(gòu)示意圖。壓感紙結(jié)構(gòu)分為3層,分別是聚酯片基層、顯色薄層和微膠囊顏色形成薄層。這種結(jié)構(gòu)會(huì)在受不同壓力的情況下顯現(xiàn)出不同的顏色。
圖1 壓感紙結(jié)構(gòu)圖
圖2所示為壓感紙說(shuō)明書(shū)中給出的顏色-接觸壓力參考曲線。當(dāng)壓感紙?jiān)谝欢ǖ慕佑|壓力作用下變色后,與標(biāo)準(zhǔn)色卡進(jìn)行對(duì)照,選擇其顏色系數(shù),并對(duì)應(yīng)顏色-接觸壓力曲線圖可讀出接觸壓力值。
圖2 壓感紙顏色-接觸壓力圖
1.1.2 壓縮力施加裝置
實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的壓縮力施加設(shè)備是WDW-100/E型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),該試驗(yàn)機(jī)可以進(jìn)行大載荷、多種溫度條件下的壓縮、拉伸、彎曲實(shí)驗(yàn)。該試驗(yàn)機(jī)配備有計(jì)算機(jī)軟件,該計(jì)算機(jī)軟件可導(dǎo)出壓縮回彈測(cè)量數(shù)據(jù),可對(duì)壓縮力和位移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),可對(duì)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行控制。
1.1.3 輔助墊片裝置
接觸應(yīng)力的測(cè)量受平整度影響較大,而萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的壓縮平臺(tái)并非完全平整,因此選用耐壓氧化鋯瓷塊作為實(shí)驗(yàn)墊片。實(shí)驗(yàn)時(shí),將壓感紙和密封圈放置在兩塊氧化鋯瓷片之間,使密封圈能夠在完全平整的狀態(tài)下承壓。氧化鋯瓷片的受壓強(qiáng)度為最高1 200 MPa,預(yù)估實(shí)驗(yàn)的最大受壓強(qiáng)度為800 MPa,安全系數(shù)為1.5。
裁剪符合實(shí)驗(yàn)規(guī)格大小的壓敏紙,將壓敏紙放置在兩塊氧化鋯瓷片之間,將氧化鋯瓷片放置在上下壓頭之間,保持同心對(duì)正,確保受力均勻。將壓頭移動(dòng)到與上瓷片接近但未接觸的地方,選擇速度為0.2 mm/min,控制壓頭自動(dòng)向下移動(dòng),直到通過(guò)計(jì)算機(jī)能夠觀察到力傳感器示數(shù)不為0時(shí)停止;當(dāng)力傳感器初次產(chǎn)生示數(shù)后,在計(jì)算機(jī)上選擇壓縮回彈實(shí)驗(yàn)?zāi)K,選擇下壓速度為0.02 mm/min,當(dāng)壓縮量達(dá)到0.24 mm時(shí)暫停壓縮;在達(dá)到最大壓縮量時(shí)保持衡力2 min,讓壓敏紙充分受壓變色。
改變壓頭位移方向,選擇速度為0.4 mm/min使其上移;當(dāng)壓頭回到位移原點(diǎn)時(shí),保存壓縮回彈實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。將壓敏紙與色卡一并掃描,用于分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。
表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)
將壓敏紙與色卡掃描在同一個(gè)文件中,以避免掃描設(shè)備對(duì)顏色分析結(jié)果的干擾。
圖3所示為實(shí)驗(yàn)壓痕掃描放大圖,在實(shí)驗(yàn)結(jié)果中尋找壓痕最粗、顏色最深的一段,壓痕對(duì)應(yīng)的色卡系數(shù)為1.1。根據(jù)圖2中的色卡系數(shù)與接觸壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系,求得此段壓痕的接觸應(yīng)力為140 MPa。
圖3 實(shí)驗(yàn)壓痕掃描放大圖
對(duì)上海某公司生產(chǎn)的C形金屬密封圈建立有限元模型,結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)如表2所示。
表2 C形圈幾何參數(shù)
Table 2 Geometric parameters of C-ring mm
幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值密封圈外徑D40.6密封圈自由高度HF2.39彈性金屬壁厚T0.25鍍層金屬厚度 B0.03
在C形密封圈的有限元模型計(jì)算過(guò)程中,選擇整個(gè)截面及上下法蘭作為建模對(duì)象。在計(jì)算單元的選取中,選擇Plane182單元作為C形密封圈的計(jì)算單元。同時(shí)考慮要進(jìn)行接觸應(yīng)力的計(jì)算,選擇Contact172與Target169作為接觸對(duì),Contact172為C形密封圈鍍層接觸面,Target169為上下法蘭接觸面。
選取BISO材料本構(gòu)模型,即雙線性等向強(qiáng)化材料模型,在材料的選取上,合金機(jī)體材料選取Inconel718,鍍層材料選取銀。具體材料參數(shù)參見(jiàn)表3[9-10]。
表3 C形圈ANSYS建模材料參數(shù)
搭建C形密封圈幾何模型,完成單元選擇、材料模型搭建、網(wǎng)格劃分。此時(shí)C形密封圈與法蘭處于接觸的臨界狀態(tài),也是初始狀態(tài)。然后對(duì)上法蘭施加位移,使其下壓預(yù)設(shè)的壓縮量(0.24 mm)。此時(shí)C形密封圈與法蘭之間發(fā)生力的作用,產(chǎn)生變形,這是計(jì)算的最終狀態(tài)。在該狀態(tài)下讀取C形密封圈的接觸應(yīng)力分布,作為其在工作條件下的力學(xué)性能計(jì)算結(jié)果,如圖4所示。
圖4 C形密封圈Von-mises應(yīng)力分布
圖5所示為C形密封圈工作條件下接觸面接觸應(yīng)力分布情況。可知:接觸應(yīng)力呈現(xiàn)兩邊上升(下降)快,中間平穩(wěn)的分布狀況。圖5中輔助線為銀層屈服強(qiáng)度,由此可知絕大部分接觸寬度對(duì)應(yīng)的接觸應(yīng)力均在銀層屈服強(qiáng)度之上,這使得銀層能夠充分變形、延展,填補(bǔ)密封面與法蘭之間的泄漏通道。
圖5 C形密封圈接觸應(yīng)力分布
通過(guò)C形密封圈模型進(jìn)行有限元計(jì)算,得出的接觸應(yīng)力分布結(jié)果如圖6所示。最大接觸應(yīng)力為133.57 MPa,與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的140 MPa十分接近,誤差為4.8%。既證明了理論模型的正確性,也印證了實(shí)驗(yàn)方法的科學(xué)性。
圖6 C形密封圈模型應(yīng)力計(jì)算結(jié)果
通過(guò)ANSYS軟件對(duì)C形彈性金屬密封圈進(jìn)行有限元建模并分析,創(chuàng)新性地應(yīng)用萬(wàn)能電子試驗(yàn)機(jī)和薄膜壓力敏感紙,對(duì)C形彈性金屬密封圈的接觸應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與有限元建模計(jì)算結(jié)果吻合度高,誤差僅為4.8%。既證明了理論模型的正確性,也驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)方法的可行性與科學(xué)性,為彈性金屬密封圈接觸應(yīng)力的測(cè)量提供了一種新的實(shí)驗(yàn)方法。