陸曉峰，徐永杰

(南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，南京 211816)

0 引言

法蘭密封接頭是一種可拆式連接形式，廣泛用于航空航天動(dòng)力裝置中。作為固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)常用的兩種密封接頭之一[1]，密封墊片是法蘭接頭的關(guān)鍵元件，其性能直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的法蘭密封接頭中，目前采用最廣的一種密封元件是“O”形密封圈[2－3]。為了提高法蘭接頭的密封性能，新型密封結(jié)構(gòu)與元件的研究設(shè)計(jì)是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。國(guó)外某公司提出了一種新型雙楔角環(huán)墊[4]，該雙楔角環(huán)墊采用錐角度不同的主、從密封面分別與主、從法蘭密封面相接觸，形成楔體收斂方式而起到自緊密封效果。Madazhy等[5]對(duì)以雙楔角環(huán)墊為密封元件的法蘭密封接頭進(jìn)行了有限元分析及水壓試驗(yàn)，并與傳統(tǒng)平墊片進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，該新型密封結(jié)構(gòu)的密封效果更好。Gardner等[6]將可拆卸的雙楔角環(huán)墊應(yīng)用于高壓換熱器中，達(dá)到了預(yù)期的密封效果。徐永杰等[7]研究了雙楔角環(huán)墊結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)密封接觸壓力的影響，得到了密封接觸壓力隨環(huán)墊結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化規(guī)律。但未見有文獻(xiàn)對(duì)雙楔角環(huán)墊結(jié)構(gòu)參數(shù)顯著性分析與設(shè)計(jì)方面的研究，因此有必要對(duì)雙楔角環(huán)墊法蘭密封接頭展開深入探討。

本文借助有限元分析軟件ABAQUS，以提高密封接觸壓力為優(yōu)先目標(biāo)，同時(shí)兼顧降低法蘭接頭結(jié)構(gòu)應(yīng)力，對(duì)雙楔角環(huán)墊結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了顯著性分析，并對(duì)雙楔角環(huán)墊高度和小端厚度尺寸的確定進(jìn)行了深入研究。

1 模型的建立及參數(shù)選取

法蘭接頭如圖1所示。由于其整體具有軸對(duì)稱性，故僅選取1/16模型進(jìn)行有限元分析。本文以文獻(xiàn)[7]為基礎(chǔ)進(jìn)行的后續(xù)研究，故在參數(shù)選取、邊界條件設(shè)置及網(wǎng)格劃分上與其保持一致。

圖1 雙楔角環(huán)墊法蘭接頭結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the flange joint w ith a double-tapered gasket

通過顯著性分析，可反映出各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響的顯著性程度。若因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)有高度顯著性影響，用“＊＊”表示;若因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)有較顯著性影響，用“*”表示;若因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)沒有顯著性影響，用“—”表示[9]。

研究表明，預(yù)緊工況對(duì)雙楔角環(huán)墊法蘭接頭應(yīng)力值影響更大，而預(yù)緊工況下雙楔角環(huán)墊和從法蘭應(yīng)力值是需要重點(diǎn)關(guān)注的[10]。因此，選取雙楔角環(huán)墊主、從面最大接觸壓力，預(yù)緊工況下雙楔角環(huán)墊和從法蘭最大應(yīng)力值為衡量指標(biāo)，對(duì)雙楔角環(huán)墊結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行顯著性分析。雙楔角環(huán)墊各參數(shù)對(duì)4個(gè)衡量指標(biāo)的影響情況如表3所示。

由表3可看出，雙楔角環(huán)墊各參數(shù)對(duì)不同的衡量指標(biāo)有不同程度的影響。其中，雙楔角環(huán)墊主從面錐角度對(duì)4個(gè)衡量指標(biāo)均具有顯著性影響。研究發(fā)現(xiàn)，減小主從面錐角度，可增加雙楔角環(huán)墊最大密封接觸壓力，但與此同時(shí)，雙楔角環(huán)墊和從法蘭應(yīng)力值也會(huì)隨之增加。以提高密封性能為優(yōu)先指標(biāo)，同時(shí)兼顧降低法蘭接頭結(jié)構(gòu)應(yīng)力值，主從面錐角度宜選用20°/10°，這與Madazhy發(fā)表的文章中對(duì)雙楔角環(huán)墊主從面錐角度的選取是一致的[5]。

分別記高度顯著性影響為“1”分，較顯著性影響為“0.5”分，不顯著影響為“0”分。由表3可得，雙楔角環(huán)墊主從面錐角度總計(jì)為3.5分，高度為2.5分，小端厚度為1分，小端內(nèi)徑為0.5分。雙楔角環(huán)墊4個(gè)參數(shù)顯著性影響主次順序依次為“主從面錐角度＞高度＞小端厚度＞小端內(nèi)徑”。這當(dāng)中小端內(nèi)徑對(duì)雙楔角環(huán)墊主從面接觸壓力和從法蘭應(yīng)力均沒有顯著性影響，即使對(duì)雙楔角環(huán)墊應(yīng)力有較顯著性影響，也只是排在因素順序的第3位，是所有參數(shù)中對(duì)4個(gè)衡量指標(biāo)顯著性影響最小的一個(gè)。

鑒于此，無需對(duì)雙楔角環(huán)墊小端內(nèi)徑尺寸的具體確定進(jìn)行深入研究，其小端內(nèi)徑可參照金屬環(huán)墊標(biāo)準(zhǔn)中的內(nèi)徑執(zhí)行[11]。

2 環(huán)墊結(jié)構(gòu)參數(shù)正交試驗(yàn)與顯著性分析

在保持雙楔角環(huán)墊其他參數(shù)不變的前提下，分析其中一個(gè)參數(shù)變化對(duì)法蘭接頭性能的影響，可得到相關(guān)參數(shù)變化對(duì)法蘭接頭性能的影響規(guī)律，但無法得到這些參數(shù)對(duì)法蘭接頭性能影響的主次順序及程度大小。因此，有必要對(duì)雙楔角環(huán)墊結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行深入研究。選取雙楔角環(huán)墊高度(A)、主從面錐角度(B)、小端內(nèi)徑(C)和小端厚度(D)4個(gè)參數(shù)，每個(gè)參數(shù)選取5個(gè)水平，參數(shù)名稱和水平情況詳見表1所示。

借助L25(56)正交表[8]建立25個(gè)有限元模型，詳見表2。表2中，σmc、σfc分別表示環(huán)墊主、從面最大接觸壓力;SG、SF分別表示環(huán)墊和從法蘭最大Mises應(yīng)力。

表1 正交試驗(yàn)因數(shù)水平Table 1 Factors and levels of orthogonal experiment

表2 正交試驗(yàn)方案Table 2 Scheme of orthogonal experiment

表3 分析結(jié)果匯總Table 3 Summary of the analysis results

同時(shí)，由表3可知，小端厚度僅對(duì)雙楔角環(huán)墊主面接觸壓力有高度顯著性影響，而高度除對(duì)雙楔角環(huán)墊主面接觸壓力沒有顯著性影響外，對(duì)其他3個(gè)衡量指標(biāo)均有顯著性影響。研究表明，雙楔角環(huán)墊小端厚度越薄，主面接觸壓力分布就越理想;增加雙楔角環(huán)墊高度，可有效降低法蘭接頭結(jié)構(gòu)應(yīng)力[10]。但雙楔角環(huán)墊小端厚度和高度的尺寸是相互制約的——“若小端厚度較薄，則高度不能取太高;同理，若高度較高，則小端厚度就不能取太薄”。因此，有必要對(duì)雙楔角環(huán)墊小端厚度和高度尺寸的確定進(jìn)行深入研究。

3 雙楔角環(huán)墊高度和小端厚度設(shè)計(jì)研究

減小環(huán)墊高度和小端厚度，對(duì)提高環(huán)墊密封接觸壓力有利，但環(huán)墊高度減小的同時(shí)，也會(huì)使法蘭接頭產(chǎn)生很大的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。為此，本章重點(diǎn)從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面著手，對(duì)雙楔角環(huán)墊高度和小端厚度分別在螺栓載荷和介質(zhì)壓力作用下進(jìn)行研究。

3.1 雙楔角環(huán)墊最大應(yīng)力隨高度變化分析

環(huán)墊主從面錐角選取20°/10°，小端內(nèi)徑按照文獻(xiàn)[11]選取 112.71 mm，高度選取 10、11.5、13、14.5、16、17.5、19、20.5、22 mm 這 9 個(gè)參數(shù)。

(1)不同介質(zhì)壓力下，環(huán)墊高度對(duì)環(huán)墊最大應(yīng)力的影響

圖2表示在不同介質(zhì)壓力作用下，環(huán)墊最大應(yīng)力隨環(huán)墊高度的變化。

圖2 不同介質(zhì)壓力下環(huán)墊最大應(yīng)力隨高度的變化Fig.2 Variation of ring gasketmaxim um stress w ith height under differentmedium pressure

由圖2可看出，預(yù)緊工況下，雙楔角環(huán)墊的最大應(yīng)力值大于操作工況下的最大應(yīng)力值;在操作工況下，隨著內(nèi)壓從1 MPa增加到4 MPa，環(huán)墊最大應(yīng)力值明顯在逐級(jí)下降;內(nèi)壓從4 MPa上升到5 MPa時(shí)，環(huán)墊最大應(yīng)力值隨高度的增加交替變化;當(dāng)內(nèi)壓從5 MPa增加到7 MPa時(shí)，環(huán)墊最大應(yīng)力值又開始隨著內(nèi)壓的增加小幅攀升。這主要是因?yàn)榉ㄌm密封面在內(nèi)壓作用下有相互分離的趨勢(shì)，而環(huán)墊最大應(yīng)力出現(xiàn)在其與從法蘭面接觸邊緣不連續(xù)處，相互分離的法蘭使對(duì)環(huán)墊擠壓力下降，而引起環(huán)墊最大應(yīng)力值減小。隨著內(nèi)壓的增加，由螺栓力引起的法蘭偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而對(duì)環(huán)墊局部擠壓力也在增加，當(dāng)超過一定內(nèi)壓后，該擠壓力的作用超過了使法蘭相互分離的作用，從而導(dǎo)致環(huán)墊最大應(yīng)力值隨內(nèi)壓的增加又開始向上攀升。

同時(shí)，由圖2可看出，在預(yù)緊工況和內(nèi)壓小于5 MPa時(shí)的操作工況條件下，環(huán)墊高度在10～16 mm區(qū)間內(nèi)，環(huán)墊最大應(yīng)力值隨著環(huán)墊高度的增加，整體呈線性下降趨勢(shì);環(huán)墊高度在16～22 mm區(qū)間內(nèi)，環(huán)墊最大應(yīng)力值隨著環(huán)墊高度的增加，開始上下波動(dòng)，沒有規(guī)律可循。說明較小的環(huán)墊高度會(huì)導(dǎo)致較大的環(huán)墊應(yīng)力，增加環(huán)墊高度，可有效降低其應(yīng)力值，但增加到一定高度后(超過16 mm)，這種作用效果開始變得不明顯。

(2)不同螺栓載荷下，環(huán)墊高度對(duì)環(huán)墊最大應(yīng)力的影響

圖3表示在不同螺栓載荷作用下，環(huán)墊最大應(yīng)力隨環(huán)墊高度的變化。

由圖3可看出，隨著螺栓預(yù)緊力的增加，環(huán)墊最大應(yīng)力值也在逐級(jí)上升。在不同的螺栓預(yù)緊力作用下，隨著環(huán)墊高度的增加，環(huán)墊最大應(yīng)力值整體均呈先線性減小、后上下波動(dòng)的趨勢(shì)，這一變化趨勢(shì)并未因螺栓預(yù)緊力的增加而發(fā)生改變。環(huán)墊最大應(yīng)力之所以會(huì)出現(xiàn)以上變化趨勢(shì)，是因?yàn)殡S著環(huán)墊高度的增加，環(huán)墊與從法蘭接觸面積也隨之增加，分擔(dān)了部分載荷，而使局部應(yīng)力集中現(xiàn)象得到有效緩解。同時(shí)，由圖3可得，當(dāng)環(huán)墊高度超過16 mm后，環(huán)墊最大應(yīng)力值由線性減小變?yōu)樯舷虏▌?dòng)，說明環(huán)墊高度能有效降低環(huán)墊局部應(yīng)力集中，但超過一定高度后，這種效果變得不明顯。綜合考慮，環(huán)墊高度選取16 mm。

圖3 不同螺栓力下環(huán)墊最大應(yīng)力隨高度的變化Fig.3 Variation of ring gasketmaximum stress w ith height under different bolt loads

3.2 雙楔角環(huán)墊最大應(yīng)力隨小端厚度變化分析

環(huán)墊主從面錐角和小端內(nèi)徑尺寸與3.1節(jié)相同，環(huán)墊高度按3.1節(jié)分析結(jié)果選取16 mm，環(huán)墊小端厚度選取 3.5、4、4.5、5、5.5、6、6.5、7 mm 這 8 個(gè)參數(shù)。

(1)不同介質(zhì)壓力下，環(huán)墊小端厚度對(duì)環(huán)墊最大應(yīng)力的影響

圖4表示在不同介質(zhì)壓力作用下，環(huán)墊最大應(yīng)力隨環(huán)墊小端厚度的變化。

圖4 不同介質(zhì)壓力下環(huán)墊最大應(yīng)力隨厚度的變化Fig.4 Variation of ring gasketmaximum stressw ith thickness under differentmedium pressure

由圖4可看出，環(huán)墊在預(yù)緊工況下的應(yīng)力值最大。在操作工況下，隨著介質(zhì)壓力由1 MPa增加至4 MPa，環(huán)墊最大應(yīng)力值明顯在逐級(jí)下降;當(dāng)介質(zhì)壓力由4 MPa升至5 MPa時(shí)，環(huán)墊最大應(yīng)力值隨小端厚度的增加交替變化;當(dāng)介質(zhì)壓力超過5 MPa后，隨著介質(zhì)壓力的升高，環(huán)墊最大應(yīng)力值又開始小幅向上攀升。以上現(xiàn)象與改變環(huán)墊高度時(shí)所得模擬結(jié)果變化趨勢(shì)是類似的，究其原因也相同。

在預(yù)緊工況和壓力小于3 MPa的操作工況下，環(huán)墊最大應(yīng)力值在環(huán)墊小端厚度小于5 mm時(shí)，隨著厚度的增加上下波動(dòng)，在厚度為4 mm時(shí)達(dá)到最小值;當(dāng)環(huán)墊小端厚度大于5 mm后，環(huán)墊最大應(yīng)力值出現(xiàn)一段較平緩的變化區(qū)域，而后又開始向上攀升。在壓力大于3 MPa的操作工況下，環(huán)墊最大應(yīng)力值先小幅線性下降，隨后趨于穩(wěn)定。環(huán)墊最大應(yīng)力變化規(guī)律之所以在內(nèi)壓3 MPa前后發(fā)生改變，是因?yàn)榄h(huán)墊在內(nèi)壓作用下會(huì)進(jìn)一步被法蘭夾緊，而法蘭與管道連接處因內(nèi)壓引起的軸向力會(huì)促使法蘭發(fā)生偏轉(zhuǎn)，隨著介質(zhì)內(nèi)壓的升高，因法蘭偏轉(zhuǎn)而導(dǎo)致其與環(huán)墊的主接觸區(qū)域向下偏移，從而改變了環(huán)墊的應(yīng)力分布。當(dāng)介質(zhì)壓力超過3 MPa后，環(huán)墊越薄，所受應(yīng)力值就越大;換言之，隨著環(huán)墊厚度增加，環(huán)墊應(yīng)力值下降，但超過一定厚度后，這種效果會(huì)逐漸變得不明顯。

(2)不同螺栓載荷下，環(huán)墊小端厚度對(duì)環(huán)墊最大應(yīng)力的影響

圖5表示在不同螺栓載荷作用下，環(huán)墊最大應(yīng)力隨環(huán)墊小端厚度的變化。

圖5 不同螺栓力下環(huán)墊最大應(yīng)力隨厚度的變化Fig.5 Variation of ring gasketmaximum stress w ith thickness under different bolt loads

由圖5可看出，環(huán)墊最大應(yīng)力值隨著螺栓載荷的增加而增加。隨著環(huán)墊小端厚度的增加，環(huán)墊最大應(yīng)力值的變化趨勢(shì)并未因螺栓載荷的改變而發(fā)生改變，均呈先上下波動(dòng)、然后變化趨于平緩、最后又上升的趨勢(shì)。這是因?yàn)楫?dāng)環(huán)墊較厚時(shí)，隨著環(huán)墊厚度的增加，法蘭與管道連接處因內(nèi)壓引起的軸向力產(chǎn)生的力矩，使法蘭偏轉(zhuǎn)也在增加，致使對(duì)環(huán)墊局部擠壓加劇而引起環(huán)墊應(yīng)力上升，且此時(shí)從法蘭與環(huán)墊接觸邊緣處的局部應(yīng)力無法傳遞到環(huán)墊主面上。隨著環(huán)墊厚度的減薄，局部應(yīng)力范圍開始傳遞到環(huán)墊主面上，且該應(yīng)力范圍隨著環(huán)墊厚度的減薄而在逐步擴(kuò)大，環(huán)墊與從法蘭接觸邊緣應(yīng)力集中得到了緩解。因此，環(huán)墊應(yīng)力出現(xiàn)了一段較平緩的區(qū)域。隨著環(huán)墊厚度繼續(xù)減薄，局部應(yīng)力范圍已經(jīng)完全傳遞到環(huán)墊主面上，夾緊的螺栓載荷使薄的環(huán)墊沿接觸面開始有運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，而在接觸表面摩擦屬性的影響下，形成了沿接觸面方向的應(yīng)力，該應(yīng)力改變了垂直于環(huán)墊接觸表面的應(yīng)力分布，從而形成上下波動(dòng)的現(xiàn)象。綜合考慮，環(huán)墊小端厚度選取4 mm。

4 結(jié)論

(1)雙楔角環(huán)墊結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)衡量指標(biāo)影響的顯著性主次順序?yàn)椤爸鲝拿驽F角度＞環(huán)墊高度＞小端厚度＞小端內(nèi)徑”。主從面錐角度對(duì)4個(gè)指標(biāo)均有顯著性影響，高度對(duì)除主面接觸壓力外的其余3個(gè)指標(biāo)影響均顯著，而小端厚度僅對(duì)主面接觸壓力影響有顯著性。

(2)預(yù)緊和介質(zhì)壓力小于5 MPa工況下，環(huán)墊最大應(yīng)力值隨其高度增加，整體呈線性下降趨勢(shì)，在高度大于16 mm后，環(huán)墊最大應(yīng)力值開始上下波動(dòng)。

(3)預(yù)緊和介質(zhì)壓力小于3 MPa工況下，雙楔角環(huán)墊最大應(yīng)力值在小端厚度為4 mm時(shí)取得最小值;當(dāng)小端厚度大于5 mm后，環(huán)墊最大應(yīng)力值出現(xiàn)一段較平緩的變化區(qū)域，而后開始向上攀升。當(dāng)介質(zhì)壓力大于3 MPa后，環(huán)墊最大應(yīng)力值先小幅線性下降、后趨于穩(wěn)定。

(4)預(yù)緊工況下，雙楔角環(huán)墊最大應(yīng)力值隨螺栓預(yù)緊力增加逐級(jí)上升，其變化規(guī)律不因環(huán)墊高度和小端厚度變化而改變;操作工況下，雙楔角環(huán)墊最大應(yīng)力值隨介質(zhì)壓力增加，呈先下降、后上升趨勢(shì)，該轉(zhuǎn)變是在壓力從4 MPa升至5 MPa時(shí)出現(xiàn)的。

(5)以提高密封性能為優(yōu)先指標(biāo)，同時(shí)兼顧降低法蘭接頭結(jié)構(gòu)應(yīng)力，環(huán)墊主從面錐角度宜選用20°/10°，高度選取16 mm，小端厚度選取4 mm。

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