彈性金屬密封圈接觸應(yīng)力實(shí)驗(yàn)測量及有限元分析*

(1.中國礦業(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，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，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)在國外開始廣泛應(yīng)用于核工業(yè)、化工業(yè)、醫(yī)藥行業(yè)等[6]。在國內(nèi)，彈性金屬密封技術(shù)起步較晚。由于國外的技術(shù)封鎖，有關(guān)國外彈性金屬密封技術(shù)的研究資料十分有限，僅可通過產(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，多以壓縮回彈測定為主，對(duì)于其接觸應(yīng)力的測試，尚無成熟的實(shí)驗(yàn)方法。

本文作者提出一種測量彈性金屬密封圈接觸應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)方法，即應(yīng)用萬能電子試驗(yàn)機(jī)對(duì)C形密封圈加壓，通過墊在C形密封圈下的薄膜壓力敏感紙測量得到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 C形圈接觸應(yīng)力實(shí)驗(yàn)測量方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1.1 接觸應(yīng)力測量裝置

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所示為壓感紙說明書中給出的顏色-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)出壓縮回彈測量數(shù)據(jù)，可對(duì)壓縮力和位移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，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)力的測量受平整度影響較大，而萬能試驗(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。

1.2 實(shí)驗(yàn)操作及參數(shù)

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)

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及比較

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

2 C形密封圈有限元分析

2.1 模型建立

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

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

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?？芍航佑|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

3 結(jié)論

通過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)行測量。實(shí)驗(yàn)測量結(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)力的測量提供了一種新的實(shí)驗(yàn)方法。