介質(zhì)壓力對卡套式管路連接副密封性能的影響

閆國華,張澤恩,劉 勇,陳志英

(1. 中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院,天津 300300;2. 北京航空航天大學(xué)航空發(fā)動機研究院,北京 100191)

1 引言

航空發(fā)動機外部管路系統(tǒng)是其外部結(jié)構(gòu)的重要組成部分,主要用于燃油、滑油、液壓油、空氣等介質(zhì)的傳輸,實現(xiàn)燃油供給、附件動作、軸承及齒輪箱潤滑、部件壓力調(diào)節(jié)、葉片冷卻等功能。外部管路數(shù)量多、分布廣[1],管路與管路之間、管路與機匣本體之間、管路與外部附件之間往往通過各種連接副或者法蘭結(jié)構(gòu)進行連接。管路系統(tǒng)連接部位通常是其密封性能的薄弱環(huán)節(jié)。具不完全統(tǒng)計,航空發(fā)動機故障中約50%為管路系統(tǒng)故障,除了一定數(shù)量的管路斷裂故障外,有很多故障體現(xiàn)為管路連接副的“跑、冒、滴、漏”問題[2-4]。因此,管路連接副密封可靠性問題是我國自主發(fā)展高性能航空發(fā)動機必須要面對的問題,直接影響了發(fā)動機的可靠性[5-7]。

目前針對連接副密封性能的研究可分為兩個方面,一是連接副的自身屬性(如結(jié)構(gòu)、材料等)對其密封性能的影響,比如,Wink[8]利用三維多尺度模型分析了徑向唇式密封結(jié)構(gòu)的接觸和變形特性;王小剛[9]利用有限元的方法分析了錐形管路連接副結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)對密封性能的影響;另一個方面是連接副的工況環(huán)境(如介質(zhì)條件,外界激勵等)對其密封性能的影響,比如,王振興[2]分析了拉伸載荷對連接副密封性能的影響;呂堃博[10]模擬了管路連接副內(nèi)流體的運動狀態(tài),分析了流體運動狀態(tài)對連接副密封性能的影響;閆洋洋等人[11]基于逆向建模的方法得到了密封區(qū)域多尺度接觸模型,并分析了流體溫度對連接副密封性能的影響。以上這些研究進一步揭示了連接副的泄漏故障機理,對研制新型高性能連接副具有良好的促進作用。

在眾多連接副結(jié)構(gòu)中,卡套式無擴口管路連接副憑借其良好的承壓能力,安裝方便、易于維護的特性獲得了廣泛的應(yīng)用。但是目前已有的研究中,針對這一連接形式的研究仍不夠深入,對其密封失效機理并沒有完全吃透,特別是其在循環(huán)介質(zhì)壓力下的密封特性尚不明晰。

有鑒于此,論文將密封面寬和接觸壓力作為評價連接副密封性能的指標(biāo),基于有限元方法,在對連接副施加預(yù)緊力矩的基礎(chǔ)上,模擬不同大小的介質(zhì)壓力和循環(huán)介質(zhì)壓力對連接副密封性能的影響,最后分析了上述載荷對連接副密封性能的影響規(guī)律。

2 物理條件

2.1 連接副種類

卡套式無擴口管路連接副由導(dǎo)管接頭,外套螺母,卡套構(gòu)成,圖1是卡套式無擴口管路連接副的實物剖視圖。

圖1 卡套式無擴口管路連接副實物[12]

2.2 密封條件

當(dāng)卡套式管路連接副工作時,卡套將被提前安裝在管道上,然后將卡套插入導(dǎo)管接頭并用外套螺母擰緊,通過卡套外表面與接頭內(nèi)表面之間的緊密接觸對管路中的介質(zhì)進行密封。連接副密封區(qū)域的結(jié)構(gòu)如圖2所示,最先發(fā)生接觸的位置如紅圈所示,隨著預(yù)緊力的加大將在紅圈位置形成密封條帶,完成對介質(zhì)的密封。

圖2 連接副密封區(qū)域二維模型

金屬工件的表面并不是絕對光滑的[13],圖3展示了微觀尺度下密封面的形成過程,即隨著接觸壓力的增加,金屬材料變形封堵介質(zhì)泄漏通道的過程。接觸面上的接觸壓力越大,兩個粗糙表面之間的配合程度就越好,工程上認(rèn)為,接觸壓力大于密封介質(zhì)壓力的三倍便可形成可靠的密封[14];將能夠達到對介質(zhì)進行良好密封狀態(tài)的接觸面寬度稱為密封面寬,這個面寬的大小決定了連接副密封界面抵抗介質(zhì)侵入的能力。因此,接觸壓力和密封面寬可共同作為評價密封性能的標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 密封面的形成過程

2.3 預(yù)緊力計算

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[15]中推薦的卡套式無擴口連接副(管路外徑為10mm)的預(yù)緊力矩范圍為12.2N·m-27.2N·m。這一數(shù)據(jù)無法直接用于有限元分析,需要將預(yù)緊力矩?fù)Q算成軸向預(yù)緊力F。預(yù)緊力矩T等于外套螺母與卡套之間的摩擦力矩T1和外套螺母與管接頭螺紋之間的摩擦力矩T2的和,即

T=T1+T2

(1)

其中T1和T2均可由軸向預(yù)緊力F通過計算得出,計算等式如下[16]

(2)

(3)

(4)

式中使用的具體數(shù)據(jù)為[17-19]:f=0.2;d1=6.285mm;θ=45°;d2=7.165mm;P=1.5mm;β=30°。通過計算得到軸向預(yù)緊力F的范圍為6.19kN-13.80kN。

3 有限元模擬

3.1 材料屬性

連接副所有零件均使用TC4鈦合金,其力學(xué)屬性如表1所示。在連接副安裝的過程中,會涉及到材料的彈塑性變形,單一的彈性模量無法滿足模擬的需求,還需引入TC4的應(yīng)力應(yīng)變曲線,如圖4所示。

表1 TC4材料參數(shù)

圖4 TC4的應(yīng)力應(yīng)變曲線

3.2 實體模型與邊界條件

在工程實際中,泄漏主要發(fā)生在導(dǎo)管接頭和卡套接觸的界面上,為了提高計算效率,將卡套與管路視為一體,這一簡化方式的合理性在相關(guān)文獻中得到了驗證[20],并在保留接觸面物理特征的前提下簡化模型,簡化后的模型橫截面如圖5所示。通過旋轉(zhuǎn)操作獲得用于模擬的三維模型,為了提高計算效率,選擇四分之一模型進行計算,如圖6所示。同時需要利用邊界條件對模型進行約束。具體的約束如圖7所示,在管路接頭的外表面施加對所有自由度的約束;在管路接頭的端面及兩個側(cè)面施加垂直方向的位移約束;卡套端的兩個側(cè)面施加垂直方向的位移約束;卡套端面則通過施加均布載荷或位移來模擬預(yù)緊力。

圖5 連接副的橫截面

圖6 四分之一的連接副3D模型

圖7 邊界條件與加載

將模型導(dǎo)入有限元分析軟件Ansys,劃分好網(wǎng)格的有限元模型如圖8所示,網(wǎng)格大小為0.1mm,模型共包含308625個節(jié)點,299868個單元。同時為了模擬卡套與導(dǎo)管接頭的接觸行為,在模型上建立對應(yīng)的接觸對,對三維模型來說,接觸單元為CONTA174和TARGE170[21],建立好的接觸對如圖9所示。

圖8 劃分好網(wǎng)格的有限元模型

圖9 接觸面的有限元模型

3.3 預(yù)緊載荷的影響

根據(jù)推薦預(yù)緊力的范圍計算出施加在卡套端頭的壓力大小為70MPa到157MPa。為了明晰密封面寬和接觸壓力隨預(yù)緊載荷變化的變化規(guī)律,在卡套端頭施加200MPa的均布壓力并設(shè)置載荷步,載荷步大小為2.5MPa,一共80個載荷步。

有限元模擬的結(jié)果表明:接觸壓力在卡套表面呈均勻的帶狀分布,如圖10所示;隨著預(yù)緊力的增大,接觸區(qū)域逐漸從初始的接觸點向卡套的兩端擴展,接觸應(yīng)力最大的區(qū)域始終為初始接觸位置;而整個部件上的最大應(yīng)力點出現(xiàn)在管路的內(nèi)表面,如圖11所示。

圖10 接觸壓力的分布(預(yù)緊力為115MPa)

圖11 連接副的von Mises應(yīng)力云圖(預(yù)緊力為115MPa)

由于本文研究對象的工作壓力是28MPa,工程上認(rèn)為只要接觸壓力達到84MPa便可對介質(zhì)進行有效密封,即接觸壓力大于等于84MPa的密封條帶的寬度便是有效的密封面寬。圖12展示了115MPa預(yù)緊力下,卡套表面接觸壓力達到84MPa的區(qū)域分布。圖13展示了隨著預(yù)緊力的增大(70MPa-157MPa),密封面寬和最大接觸壓力的變化趨勢。

圖12 接觸壓力達到84MPa的區(qū)域分布(預(yù)緊力為115MPa)

圖13 密封面寬與最大接觸壓力隨預(yù)緊力變化曲線

從圖13上可以看出,隨著預(yù)緊力的加大,密封面寬與最大接觸壓力基本呈線性上升,即預(yù)緊力越大,連接副的密封性能越好,這符合一般規(guī)律。但是當(dāng)預(yù)緊力從145MPa增加到150MPa時,最大接觸壓力幾乎不變;當(dāng)預(yù)緊力超過150MPa后,最大接觸壓力隨預(yù)緊力的加大而減小。這是由于當(dāng)預(yù)緊力達到145MPa時,發(fā)源于卡套材料內(nèi)部的塑性變形區(qū)域擴展到了接觸面上,如圖14、圖15所示。塑性變形的部分發(fā)揮了“吸能結(jié)構(gòu)”的作用,預(yù)緊力的加大導(dǎo)致了塑性變形區(qū)域的擴大,這部分材料發(fā)生塑性變形“吸收”了原本用于使接觸壓力增大的能量,當(dāng)這樣的塑性變形區(qū)域擴展到卡套表面并在卡套表面擴大的時候,宏觀的體現(xiàn)便是最大接觸壓力下降。

圖14 連接副塑性變形云圖(預(yù)緊力為145MPa)

圖15 表面塑性變形分布(預(yù)緊力為145MPa)

3.4 介質(zhì)壓力的影響

我國目前主流的液壓系統(tǒng)工作壓力為28MPa,這落后于美國等航空發(fā)達國家的先進液壓系統(tǒng)(工作壓力最高為56MPa)。分析高介質(zhì)壓力對現(xiàn)有連接副的影響,將對我國自行設(shè)計高性能連接副有一定的參考價值。

將介質(zhì)壓力等效為均布載荷,施加在管路的內(nèi)表面,以探究介質(zhì)壓力對連接副密封性能的影響,加載方式為0MPa到56MPa再到0MPa,每7MPa設(shè)置一個載荷步,共17個載荷步,模擬一個壓力循環(huán)對預(yù)緊狀態(tài)下連接副密封性能的影響。初始預(yù)緊力為115MPa,加載方式如圖16所示。

圖16 介質(zhì)壓力加載方式

連接副密封性能隨介質(zhì)壓力變化的變化曲線如圖17、圖18所示。為了更清晰的描述介質(zhì)壓力變化對連接副密封性能的影響,兩張圖中密封面寬的選取標(biāo)準(zhǔn)略有不同。其中圖17密封面寬的選取標(biāo)準(zhǔn)為接觸面上接觸壓力大于84MPa的部分;而圖18的選取標(biāo)準(zhǔn)為接觸壓力大于等于三倍介質(zhì)壓力。

圖17 密封面寬與最大接觸壓力隨介質(zhì)壓力變化(標(biāo)準(zhǔn)為84MPa)

圖18 密封面寬與最大接觸壓力隨介質(zhì)壓力變化(標(biāo)準(zhǔn)為三倍介質(zhì)壓力)

從圖17和圖18可以看出,隨著密封介質(zhì)壓力的上升,接觸面上的最大接觸壓力也上升,當(dāng)介質(zhì)壓力達到最大時(56MPa),最大接觸壓力達到最大值,為1529.09MPa。而不同標(biāo)準(zhǔn)下的密封面寬卻呈現(xiàn)不同的趨勢,從圖17上可以看出隨著介質(zhì)壓力的上升,接觸面上的高應(yīng)力區(qū)域擴大;而圖18則表示隨著介質(zhì)壓力的上升,符合密封要求的密封面寬的寬度在減少。這說明雖然介質(zhì)壓力的上升可以促進接觸面間的配合程度,提升連接副的密封性能,然而這種提升無法消除壓力介質(zhì)對連接副密封界面的侵入作用。

從兩張圖上均可以看出,在經(jīng)歷一次介質(zhì)壓力峰值后,連接副的密封性能發(fā)生了退化。如第5個載荷步與第13個載荷步,二者的介質(zhì)壓力均為28MPa,而接觸面寬卻從0.9202mm下降到了0.9182mm,接觸壓力也從1487.5MPa下降到了1482.84MPa。這是因為介質(zhì)壓力的施加使連接副內(nèi)部積累了塑性變形,卡套內(nèi)部的材料性質(zhì)發(fā)生變化,因此在同樣的載荷水平下連接副的密封性能會下降。圖19、圖20分別展示了第5載荷步步,第13載荷步連接副內(nèi)部的塑性變形區(qū)域,可以看出塑性變形量與發(fā)生塑性變形的區(qū)域均有擴大。這可能導(dǎo)致原本密封性能良好的連接副在經(jīng)歷高介質(zhì)壓力加載-卸載后這一過程后發(fā)生泄漏,即“高壓不漏低壓漏”。

圖19 卡套塑性變形分布(第5載荷步)

圖20 卡套塑性變形分布(第13載荷步)

3.5 循環(huán)介質(zhì)壓力的影響

連接副在其生命周期里要經(jīng)歷多個介質(zhì)壓力循環(huán),將這些壓力循環(huán)簡化為循環(huán)載荷施加在預(yù)緊狀態(tài)下的連接副管路內(nèi)表面,載荷譜如圖21所示。40個載荷循環(huán)下,連接副的密封面寬和最大接觸壓力的變化規(guī)律如圖22、圖23、圖24所示。僅統(tǒng)計處于壓力峰值下的參數(shù),密封面寬的選取標(biāo)準(zhǔn)為密封壓力達到三倍介質(zhì)壓力。

圖21 介質(zhì)壓力載荷譜

圖22 密封面寬與最大接觸壓力隨循環(huán)數(shù)變化曲線(壓力峰值為28MPa)

圖23 密封面寬與最大接觸壓力隨循環(huán)數(shù)變化曲線(壓力峰值為42MPa)

圖24 密封面寬與最大接觸壓力隨循環(huán)數(shù)變化曲線(壓力峰值為56MPa)

結(jié)果顯示,無論壓力峰值是多少,接觸面上的最大接觸壓力均在第二次壓力循環(huán)時快速下降,隨后基本呈現(xiàn)線性下降的趨勢。壓力峰值越高,下降的速度越快,從第2次壓力循環(huán)到第40次壓力循環(huán),最大接觸壓力分別下降了0.29MPa(壓力峰值為28MPa),0.46MPa(壓力峰值為42MPa),0.64MPa(壓力峰值為56MPa)。

雖然不同壓力峰值下的密封面寬大體上都隨循環(huán)數(shù)的增加而下降,但是具體的趨勢有所不同。當(dāng)壓力峰值為28MPa時,密封面寬基本隨循環(huán)數(shù)的增加呈現(xiàn)線性下降的趨勢,變化較為平穩(wěn);壓力峰值為42MPa時,前幾個循環(huán)對密封面寬的影響較大,從第10次循環(huán)后,密封面寬下降的趨勢也趨于平緩,但是也基本呈現(xiàn)下降的趨勢;壓力峰值為52MPa時,密封面寬的變化與前兩種有較大不同,先是隨著循環(huán)數(shù)的增加快速下降,然后在第10個循環(huán)迅速放緩,在此之后密封面寬甚至保持了長時間的穩(wěn)定。

4 結(jié)論

本文先分析了預(yù)緊載荷對卡套式管路連接副密封性能的影響,并在其基礎(chǔ)上進一步研究了介質(zhì)壓力對卡套式管路連接副密封性能的影響,得到以下結(jié)論:

1)連接副的密封性能隨著預(yù)緊載荷的增大而上升,然而過大的預(yù)緊載荷會導(dǎo)致連接副的密封狀態(tài)受到卡套與管路內(nèi)部材料塑性變形的影響,且塑性變形過多也會對管接頭的重復(fù)裝配性產(chǎn)生負(fù)面影響。

2)對預(yù)緊狀態(tài)下的連接副來說,密封界面上的最大接觸壓力會隨著介質(zhì)壓力的升高而升高,接觸的區(qū)域也會擴大,但是密封面寬卻會下降。且壓力峰值前后同一介質(zhì)壓力下連接副的密封性能不同,壓力會導(dǎo)致連接副的密封性能下降。

3)循環(huán)介質(zhì)壓力的循環(huán)數(shù)和最大介質(zhì)壓力均會影響連接副的密封性能。具體的規(guī)律為:無論壓力峰值是多少,最大接觸壓力均會在第2次壓力循環(huán)迅速下降,之后呈線性下降的趨勢,壓力峰值越高,最大接觸壓力下降的越快;密封面寬會隨著循環(huán)數(shù)的增加而下降,壓力峰值越高,密封面寬下降越快,然而密封面寬不會一直下降,在達到一定值后,密封面寬會保持平穩(wěn),介質(zhì)壓力峰值越高,密封面寬達到平穩(wěn)狀態(tài)所需的循環(huán)數(shù)就越少。