劉宏超，任建民

（遼寧石油化工大學(xué)機械工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001）

柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片金屬骨架結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究

劉宏超，任建民

（遼寧石油化工大學(xué)機械工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001）

在金屬波齒復(fù)合墊片的金屬骨架上，施加一定的壓緊應(yīng)力（45 MPa）。在三組的不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下，采用有限元法對三種不同齒尖厚度做對比分析，了解它的密封性能。分析結(jié)果表明，在齒尖部位，隨著其厚度的增加，波齒環(huán)上的應(yīng)力出現(xiàn)迅速均化的現(xiàn)象，整體變形減小。可知，適當(dāng)?shù)凝X尖厚度，能夠使波齒墊片的承載能力得到極大的提高。

金屬骨架；結(jié)構(gòu)參數(shù)；有限元應(yīng)力分析

墊片密封是過程工業(yè)裝置中壓力容器、工藝設(shè)備、動力機器和連接管道等可拆連接處最主要的靜密封型式。目前常用的一些墊片如橡膠板墊、纏繞墊、包覆墊和金屬齒形墊等存在易散架、易壓潰和預(yù)壓緊力較高等缺陷［1］，基本上難以滿足各種各樣的密封要求。

波齒復(fù)合墊片是近年來在石油化工等過程工業(yè)中應(yīng)用較廣泛的靜密封元件之一，其主體是由帶多道同心圓波齒的金屬骨架和兩側(cè)的柔性石墨覆層復(fù)合而成。具有密封性能優(yōu)異、回彈性能好、使用壽命長、安全可靠性高、適應(yīng)性廣等一系列優(yōu)點，已廣泛用于石油化工等行業(yè)的法蘭連接設(shè)備和管道靜密封上［2］。然而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)計骨架的波齒結(jié)構(gòu)是非常必要的。

1 墊片結(jié)構(gòu)型式與密封原理

1.1 結(jié)構(gòu)型式

柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片的結(jié)構(gòu)型式分為基本型、帶定位環(huán)型和帶隔條型［3］。金屬波齒墊片骨架結(jié)構(gòu)分為“V”形槽、梯形槽和圓弧形槽，齒型分為對齒和錯齒兩種形式［4］。金屬骨架材料有08(10)或類似低碳鋼、1Crl3、0Crl8Ni9或類似奧氏體不銹鋼、蒙奈爾合金或其他特殊材料。基本型墊片的結(jié)構(gòu)及組成如圖1所示，墊片整體厚度為T, 圓弧半徑為R，齒間距為P，齒深為h，齒厚度為t，D2為內(nèi)徑，D3為外徑，網(wǎng)格處為柔性石墨層。

圖1 基本型柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片F(xiàn)ig.1 Basic type of flexible graphite metal toothed compound gasket

1.2 密封原理

柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片的金屬骨架具有良好的壓縮性和回彈性，使用時在螺栓法蘭上施加一定的預(yù)緊應(yīng)力，將柔性石墨材料壓入骨架和法蘭的溝槽中，金屬骨架上下表面的環(huán)形齒尖和法蘭緊密接觸。當(dāng)法蘭被進一步加大應(yīng)力時金屬骨架產(chǎn)生彈性變形，會使膨脹石墨受到壓縮，使其封閉在金屬骨架和法蘭面之間形成的環(huán)形密閉空間里［5］。于此，整個波齒復(fù)合墊片就形成了多道的金屬材料和膨脹石墨材料相結(jié)合的雙重密封。

2 波齒墊片金屬骨架的性能研究

2.1 數(shù)值模擬計算

根據(jù)我國2003年12月出版發(fā)行的中華人民共和國國家試驗標(biāo)準(zhǔn)，波齒墊片骨架的試樣規(guī)格是φ 120.5 mm×φ84 mm×3.0 mm［6］。本文作者主要研究基本型墊片，其內(nèi)徑D2=84 mm、外徑D3=120.5 mm、骨架厚度t=3 mm、齒尖厚度分別為0 mm、0.05 mm和0.1 mm。金屬波齒復(fù)合墊片的骨架結(jié)構(gòu)，其具體結(jié)構(gòu)尺寸如表1。

表1 本研究中的波齒復(fù)合墊片結(jié)構(gòu)尺寸Table 1 Structure size of the wave tooth composite gasket

ANSYS結(jié)構(gòu)分析是有限元分析中最常用的一個應(yīng)用領(lǐng)域，主要用于確定結(jié)構(gòu)或部件上引起的位移、應(yīng)力、應(yīng)變、變形和力等，正符合研究墊片的形變和應(yīng)力分布情況。由于墊片只承受軸向載荷力的作用，而在幾何和載荷方面均屬于軸對稱，所以可以看作平面問題分析，齒尖寬為0.1 mm波齒墊片骨架橫截面示意圖如圖 2。前期處理中，單元類型采用“plane42”，材料的彈性模量為 2.06el1，泊松比為0.3［7］。邊界條件和載荷方面，在模型兩端沿x方向固定、上表面限制y方向移動、下表面y向施加軸向載荷45 MPa［8］。劃分可采用自由網(wǎng)格劃分方法，單元采用四邊形單元，由于各種墊片在結(jié)構(gòu)參數(shù)上的差異，各個墊片骨架模型網(wǎng)格劃分后，節(jié)點數(shù)1 000左右，四邊形單元數(shù)在900左右，齒尖寬為0.1 mm波齒墊片骨架單元網(wǎng)格劃分情況見圖3。

圖2 波齒墊片骨架橫截面示意圖Fig.2 Corrugated gasket skeleton cross-sectional schematic

圖3 波齒墊片骨架單元網(wǎng)格劃分Fig.3 Corrugated gasket skeleton unit mesh

2.3 加載求解

計算模型所加的載荷和邊界條件，0.1 mm 齒尖寬波齒墊片骨架承載見圖4，3種規(guī)格墊片其邊界條件是相同的。

圖4 波齒墊片骨架承載Fig.4 Corrugated gasket skeleton carrying

3 波齒墊片骨架數(shù)值分析結(jié)果

通過對墊片金屬骨架進行數(shù)值模擬得出金屬骨架受力后的軸向應(yīng)力分布和變形，由此分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對墊片金屬骨架力學(xué)性能的影響，圖5是齒尖寬為0.1 mm波齒復(fù)合墊片骨架變形圖；圖6-14分別是齒尖寬為0 mm、0.05 mm和0.1 mm波齒復(fù)合墊片骨架沿墊片骨架下表面(加載面)節(jié)點的軸向應(yīng)力分布等值線圖。

圖5 墊片骨架變形圖Fig.5 Gasket skeleton deformation Figure

3.1 0 mm齒尖寬結(jié)構(gòu)

圖6 R=2 mm軸向應(yīng)力等值線圖Fig.6 R = 2 mm axial stress contour map

圖7 R=2.5mm軸向應(yīng)力等值線圖Fig.7 R = 2.5 mm axial stress contour map

圖8 R=3 mm軸向應(yīng)力等值線圖Fig.8 R = 3 mm axial stress contour map

3.2 0.05 mm齒尖寬結(jié)構(gòu)

圖9 R=2 mm軸向應(yīng)力等值線圖Fig.9 R = 2 mm axial stress contour map

圖10 R=2.5 mm軸向應(yīng)力等值線圖Fig.10 R = 2. mm axial stress contour map

圖11 R=3mm軸向應(yīng)力等值線圖Fig.11 R = 3mm axial stress contour map

3.3 0.1 mm齒尖寬結(jié)構(gòu)

圖12 R=2 mm軸向應(yīng)力等值線圖Fig.12 R = 2 mm axial stress contour map

圖13 R=2.5 mm軸向應(yīng)力等值線圖Fig.13 R = 2.5 mm axial stress contour map

圖14 R=3 mm軸向應(yīng)力等值線圖Fig.14 R = 3 mm axial stress contour map

4 結(jié)果分析

（1）從圖6-8中可以看出，在齒尖厚度為0 mm時，在齒距比較小的時候，整個波齒環(huán)上的受力分布比較均勻，且齒尖應(yīng)力比較集中，最大應(yīng)力很小，可以看出，整體的受載變形不大，整個波齒環(huán)的剛度比較大。當(dāng)齒距增大的時候，齒峰的應(yīng)力增加比較迅速，整個波齒環(huán)上的應(yīng)力分布趨于分散，受載變形趨于增大，整個波齒環(huán)上的剛度變小。

（2）從圖9-14中可以看出，在齒尖部位，隨著厚度的增加，齒環(huán)上的應(yīng)力出現(xiàn)了迅速均化現(xiàn)象，整體變形減小，可知，適當(dāng)?shù)凝X尖厚度在某種程度上可以提高墊片的承載能力。同時，隨著半徑圓弧的R值的增大，相應(yīng)點的最大應(yīng)力值也增大，說明大圓弧條件下的承載能力削弱，柔性增大，有利于形成預(yù)緊密封，可知，小圓弧多齒數(shù)的波齒復(fù)合墊片具有更好的承載能力，且最大應(yīng)力均作用在齒尖部。

（3）應(yīng)用 ansys軟件對波齒環(huán)進行數(shù)值模擬的分析結(jié)果來看，波齒墊片的受力狀況隨著齒尖厚度、圓弧半徑、齒距和齒數(shù)的變化而變化，所以在生產(chǎn)制造時，對于波齒環(huán)結(jié)構(gòu)的具體尺寸必須進行嚴(yán)格的控制。

5 結(jié) 論

運用有限元軟件對波齒環(huán)進行數(shù)值模擬計算，根據(jù)應(yīng)力的分布情況，可知波齒環(huán)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，對波齒復(fù)合墊片的性能有直接的影響，結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化和新型墊片的開發(fā)需要通過實驗進一步論證。下一步的主要任務(wù)就是在金屬骨架方面，選用各種不同的齒尖厚度、圓弧半徑、金屬骨架厚度及齒深，在標(biāo)準(zhǔn)的實驗壓緊應(yīng)力條件下進行對比分析，從而獲得最佳結(jié)論。

［1］ 顧伯勤. 靜密封設(shè)計技術(shù)[M]. 北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2004.

［2］ 劉宗良，劉東. 金屬波紋墊片及其發(fā)展[J]. 石油化工設(shè)備技術(shù), 2001, 22(5): 39-40.

［3］ GB/T 19066.1-2003柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片分類[S]. 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局, 2003-12.

［4］ 張文娟，段茲華. 石墨波齒復(fù)合墊片的密封性能[J].化工進展，2006，25：625-627.

［5］ 李多民，段茲華，仇性啟.波齒復(fù)合墊片常溫壓縮回彈性能實驗研究[J].潤滑與密封，2009，34（3）：91-93．

［6］ GB/T 19066.3-2003柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片技術(shù)條件[S]. 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局, 2003-12.

［7］ 李多民．石墨金屬波齒復(fù)合墊片力學(xué)性能的有限元分析[J].潤滑與密封，2009，34(11)：64-67．

［8］ 尚慶軍，周先軍．波齒復(fù)合墊片結(jié)構(gòu)參數(shù)研究[J].壓力容器，2003，20（7）：13-15．

Study on Metal Skeleton Structural
Parameters of Flexible Graphite Corrugated Metal Gaskets

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

Exerting a certain degree of compression stress（45 MPa）on metal skeleton of the composite corrugated metal gasket，under three groups of different structural parameters,three different tooth tip thicknesses were compared and analyzed by the finite element method to understand the sealing performance. The analysis results show that at the tooth tip site, with the increase of its thickness, the stress on the wave gear ring appears the phenomenon of rapid homogenization, the overall deformation decreases. The results show that suitable tooth tip thickness can increase the carrying capacity of the corrugated gasket.

Metal skeleton；Structural parameter；Finite element stress analysis

TB 42

A

1671-0460（2012）06-0617-03

2012-03-17

劉宏超（1984-），男，遼寧凌源人，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：13842357469@163.com。