山東濰坊工程職業(yè)學(xué)院 杜鵬 謝宗華 聶永濤

密封材料力學(xué)性能的研究現(xiàn)狀

山東濰坊工程職業(yè)學(xué)院 杜鵬 謝宗華 聶永濤

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)功率和扭矩的提升，各結(jié)合面對密封材料的使用要求越來越高。評價(jià)密封材料的性能指標(biāo)主要包括力學(xué)和密封兩部分，本文重點(diǎn)以無石棉纖維增強(qiáng)密封材料的力學(xué)性能作為研究對象，介紹該材料的力學(xué)性能研究現(xiàn)狀。

發(fā)動(dòng)機(jī)；密封材料；力學(xué)性能

引言

發(fā)動(dòng)機(jī)不同工作部位密封材料的使用環(huán)境相差較大，使得發(fā)動(dòng)機(jī)密封的材料種類眾多，如純金屬密封、橡膠、纖維增強(qiáng)橡膠以及金屬橡膠復(fù)合材料等。

市場上密封墊片質(zhì)量參差不齊，如何根據(jù)柴油機(jī)工況選擇更加經(jīng)濟(jì)、更加合適的墊片材料就成為我們的當(dāng)務(wù)之急。

1 密封墊片密封特點(diǎn)

墊片一般作用于兩個(gè)分離的法蘭面之間，起到補(bǔ)償螺栓在把緊過程中引起的結(jié)合面變形的作用。一般來講，我們在實(shí)際的使用過程中要求法蘭面盡可能平整，盡可能厚一些，這樣在使用過程中法蘭的變形將較小。實(shí)際使用過程中，由于需要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的使用空間和產(chǎn)品的性價(jià)比，很難使螺栓布置均勻、法蘭厚度最理想化，甚至在一些條件下，法蘭厚度較薄、螺栓布置較不合理，這就需要選擇一款合適的密封材料，彌補(bǔ)安裝過程中產(chǎn)生的法蘭間隙。

密封材料在選擇過程中，由于受到材料本身和性能的制約，主要的評價(jià)指標(biāo)有壓縮回彈率、蠕變松弛率、抗拉強(qiáng)度和密封性能等。如果選用的密封材料厚度較厚，材料的彌補(bǔ)能力將較好，但是相應(yīng)的蠕變松弛率將會降低（即密封面的螺栓扭矩在使用一段時(shí)間以后衰減較大）。

現(xiàn)階段，大多數(shù)的密封理論研究并沒有將螺栓—法蘭—墊片看成一個(gè)整體。當(dāng)遇到密封問題時(shí)，很多情況下會將問題割裂開來，只找某一方面的原因，如選擇不斷地提高螺栓扭矩，這反而會導(dǎo)致更大的密封問題的出現(xiàn)，甚至引起嚴(yán)重的安全事故。螺栓—法蘭—墊片作為一個(gè)整體的密封系統(tǒng)，使用一段時(shí)間以后螺栓載荷發(fā)生衰減，既有螺栓本身的蠕變原因，也有密封材料和法蘭的永久變形等方面的原因。

2 密封材料力學(xué)性能研究現(xiàn)狀

無石棉增強(qiáng)纖維類墊片材料的材料纖維起到了骨架作用，橡膠和填料填充到里面，填料的蠕變較小，密封材料的蠕變主要是由橡膠材料造成的。

現(xiàn)階段，國內(nèi)外對高分子材料的長期蠕變松弛行為的變化有著比較深入和充分的研究。常見的評價(jià)模型如Kelvin、Maxwell等，都對材料蠕變有一定的探討，但更多地局限在線性階段，與實(shí)際材料的性能指標(biāo)還有較大的差距。

目前，密封材料的研究重點(diǎn)主要放在橡膠材料的非線性變化規(guī)律上面，其中Leaderman利用不同的原理分析了增強(qiáng)纖維材料的蠕變規(guī)律，與實(shí)際的蠕變曲線有著較好的擬合度；Schapery等將環(huán)境溫度、時(shí)間等因素考慮進(jìn)去，進(jìn)一步完善了蠕變松弛的變化規(guī)律。華東理工大學(xué)的王科利用不同的蠕變模型對其研制的PTFE材料的蠕變行為進(jìn)行模擬，獲得了比較準(zhǔn)確的結(jié)果。Basil A.Housari等［1-3］建議在分析螺栓—法蘭—墊片結(jié)構(gòu)的密封理論時(shí)，將螺栓的參數(shù)（硬度、彈性模量等）、法蘭的參數(shù)（厚度、材料、密封面寬度等）和墊片參數(shù)（厚度、寬度和材料）加入模型當(dāng)中，更加準(zhǔn)確地預(yù)測殘余載荷隨時(shí)間的變化規(guī)律。

密封系統(tǒng)的蠕變松弛規(guī)律試驗(yàn)方面的研究，過去主要集中在對連接件（螺栓和法蘭因素）的研究和模擬，往往忽視了密封墊片對整個(gè)系統(tǒng)的蠕變影響。

Smoley等在分析材料的壓縮回彈性能時(shí)，同時(shí)對墊片的蠕變規(guī)律進(jìn)行了研究，但并沒有將材料的松弛行為考慮進(jìn)去。近期越來越多的研究表明，墊片材料的蠕變對整個(gè)密封系統(tǒng)的影響不僅是不可忽視的，并且是非常重要的。Thorn著重分析了密封墊片的蠕變規(guī)律；Fessler等［4-5］在分析螺栓—法蘭連接過程中將密封墊片對系統(tǒng)的影響考慮了進(jìn)去。

蠕變松弛對整個(gè)密封系統(tǒng)的影響是不可忽視的，現(xiàn)階段越來越多的研究將重點(diǎn)放到了螺栓—法蘭—墊片的蠕變松弛規(guī)律方面，探討更加可靠的密封連接系統(tǒng)。其中Bazergui［5］通過研究不同墊片材料在不同時(shí)間段的蠕變松弛變化規(guī)律，得到了墊片材料的變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果顯示，材料的蠕變松弛主要集中在螺栓把緊初期，在密封系統(tǒng)剛把緊的前半小時(shí)內(nèi)蠕變占50%以上。Bazergui等通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，發(fā)現(xiàn)蠕變與蠕變經(jīng)過的時(shí)間取半對數(shù)后成線性關(guān)系。

Nassar利用兩種不同墊片材料分析了不同因素（墊片密封寬度、厚度、螺栓初始力矩和法蘭結(jié)構(gòu)等）對初始固定載荷的影響。

3 總結(jié)

目前，對無石棉密封墊片材料的力學(xué)性能研究已經(jīng)取得了一定的成果。下一步研究重點(diǎn)：結(jié)合螺栓和墊片材料的蠕變松弛，對無石棉墊片的蠕變松弛現(xiàn)象進(jìn)行試驗(yàn)研究和理論分析，建立合適的蠕變、松弛和蠕變松弛模型。

［1］R.Bailey.Flanged Pipe Jointsfor High Pressure and Temperature-s［R］.Engineering.1937，144：364-365.

［2］J.Martin.Stresses and Deformations in Pipe Flanges Subjected to Creep at High Temperatures ［J］.J.Franklin Inst.1938，226：645-657.

［3］E.Water.Analysis of Bolted Joints at High Temperatures ［S］.ASME.1938，60：83-86.

［4］H.Kraus，W.Rosenkrans.Creep of Bolted Flanged Connections［J］.Welding Research Bulletin No 294.1984.

［5］A.Bazergui.ShortTerm Creep Relaxation Behaviorof Gaskets［J］.Welding Research Council Bulletin.1984，294：9-22.

杜鵬，1984年出生，山東濰坊人，碩士，講師，研究方向：工程機(jī)械的密封技術(shù)。