王 歡 向 宇 黃 樂(lè)

(1.廣州機(jī)械科學(xué)研究院有限公司 廣東廣州 510700；2.國(guó)家橡塑密封工程技術(shù)中心 廣東廣州 510700)

墊片是一種夾持在兩個(gè)獨(dú)立的連接件之間的材料或材料的組合，其作用是在預(yù)定的使用壽命內(nèi)，保持兩個(gè)連接件間的密封[1-2]。墊片泄漏主要有2種方式：

(1)界面泄漏，即在墊片表面和與其接觸件的表面之間產(chǎn)生的一種泄漏。該種泄漏現(xiàn)象發(fā)生的最多。

(2)滲透泄漏，即介質(zhì)通過(guò)墊片本體毛細(xì)管滲漏出來(lái)，這種泄漏發(fā)生在致密性較差的材料制成的墊片。

墊片密封失效主要表現(xiàn)在密封面間的泄漏，由墊片本身的毛細(xì)管作用而發(fā)生滲漏的可能性很小。墊片靠外力壓緊后，墊片靠本身的回彈性填滿密封面上微小的凸凹不平的間隙，當(dāng)介質(zhì)通過(guò)密封面的阻力(最大接觸壓力)大于密封兩側(cè)的壓差時(shí)，即達(dá)到密封。

老化是影響橡膠密封件使用壽命的主要因素之一，研究者們通常采用加速老化試驗(yàn)的方法來(lái)開(kāi)展橡膠材料老化性能的研究，進(jìn)行預(yù)測(cè)密封件的使用壽命[3-5]。

本文作者以一個(gè)在65 ℃下使用壽命要求10年的密封墊片的壽命預(yù)測(cè)為例，通過(guò)人工加速老化試驗(yàn)和有限元分析相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了墊片老化10年后的接觸壓力預(yù)測(cè)，再結(jié)合靜密封機(jī)制來(lái)評(píng)估墊片能否滿足壽命要求。

1 方案設(shè)計(jì)

方案的實(shí)施分為兩步：第一步是通過(guò)試驗(yàn)確定墊片的仿真失效邊界，為下一步評(píng)估提供判據(jù)；第二步則通過(guò)加速老化試驗(yàn)，擬合得到墊片的老化模型，然后預(yù)測(cè)正常工況下老化10年后的性能，再基于提出的失效判據(jù)評(píng)估墊片壽命。

該評(píng)估方法與文獻(xiàn)[6]的旋轉(zhuǎn)密封壽命測(cè)試方法類似，與國(guó)標(biāo)GB/T 20028和化工行標(biāo)HG/T3087以及GJB中橡膠材料壽命預(yù)測(cè)方法原理相同。

1.1 確定密封墊片性能判定參數(shù)

首先通過(guò)有限元分析和測(cè)試相結(jié)合的方法，確定密封墊片實(shí)現(xiàn)密封功能的臨界接觸壓力(CCP，Critical Contact Pressure)。該臨界接觸壓力(CCP)可作為壽命評(píng)估的判定參數(shù)。

根據(jù)墊片密封機(jī)制，墊片只需滿足密封面上的最大接觸壓力大于密封兩側(cè)的壓差，就能實(shí)現(xiàn)密封。這里的最大接觸壓力指的是墊片密封面上的真實(shí)接觸壓力，但這個(gè)真實(shí)接觸壓力一般比較難獲得，為此常用有限元分析獲得的仿真接觸壓力來(lái)等效替代。但由于有限元分析結(jié)果存在誤差，分析得到的仿真接觸壓力，不一定等于墊片密封面上真實(shí)的接觸壓力。因此不能簡(jiǎn)單地基于現(xiàn)有的密封機(jī)制，用有限元分析得到的仿真接觸壓力與密封兩側(cè)的壓差進(jìn)行比較，來(lái)判斷墊片能否滿足密封要求；而應(yīng)基于密封機(jī)制，通過(guò)有限元分析與墊片試驗(yàn)相結(jié)合來(lái)獲得墊片實(shí)現(xiàn)密封的最小仿真接觸壓力，即臨界接觸壓力(CCP)；然后通過(guò)仿真接觸壓力是否大于臨界接觸壓力(CCP)來(lái)評(píng)估墊片能否實(shí)現(xiàn)密封。獲取臨界接觸壓力(CCP)的技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 臨界接觸壓力獲取技術(shù)路線

圖1中通過(guò)仿真與試驗(yàn)相結(jié)合，確定墊片實(shí)現(xiàn)密封的臨界接觸壓力(CCP)，為墊片后續(xù)的壽命評(píng)估提供判據(jù)。圖1中運(yùn)用有限元仿真分析，一方面可以提出一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)密封功能的臨界理論壓縮量(仿真壓縮量)，然后由臨界理論壓縮量開(kāi)始開(kāi)展墊片密封試驗(yàn)，探索墊片實(shí)現(xiàn)密封功能的臨界真實(shí)壓縮量(試驗(yàn)壓縮量)，縮短試驗(yàn)探索時(shí)間，節(jié)約試驗(yàn)成本；另一方面可以獲得臨界真實(shí)壓縮量下的仿真接觸壓力大小，作為墊片后續(xù)壽命評(píng)估的臨界接觸壓力(CCP)。

該技術(shù)路線的具體實(shí)施過(guò)程為：

(1)結(jié)合密封墊片的工況條件建立其有限元分析模型。在有限元建模過(guò)程中，結(jié)合墊片材料的力學(xué)特性，從工程中常用的Mooney-Rivlin、Yeoh、Ogden等橡膠本構(gòu)模型中，優(yōu)選出一種最適合描述該墊片材料力學(xué)特性的橡膠本構(gòu)模型，作為分析方案的材料模型；對(duì)于墊片的結(jié)構(gòu)形狀，應(yīng)采用永久變形分析建模方法建立墊片的幾何模型，從而可以在后續(xù)的壽命分析中依據(jù)墊片的永久變形量大小獲得墊片發(fā)生永久變形后的幾何模型。

(2)計(jì)算墊片實(shí)現(xiàn)密封的臨界理論壓縮量。結(jié)合靜密封機(jī)制((δx)max≥p，δx是墊片與密封端面間的接觸壓力，p為工作介質(zhì)壓力)，通過(guò)有限元分析模型計(jì)算不同壓縮量下的接觸壓力大小，通過(guò)循環(huán)迭代的方法，獲得墊片實(shí)現(xiàn)密封的臨界理論壓縮量。

(3)試驗(yàn)獲得墊片實(shí)現(xiàn)密封的臨界真實(shí)壓縮量。以臨界理論壓縮量為初始值，開(kāi)展墊片密封性能試驗(yàn)，試驗(yàn)驗(yàn)證墊片在臨界理論壓縮量下能否實(shí)現(xiàn)密封。如不能滿足密封要求則增大壓縮量重新開(kāi)展試驗(yàn)，直至滿足密封性能。此時(shí)的壓縮量即為臨界真實(shí)壓縮量。

(4)計(jì)算臨界接觸壓力。通過(guò)有限元分析模型計(jì)算臨界真實(shí)壓縮量下的接觸壓力大小，定義為臨界接觸壓力(CCP)，作為失效判定參數(shù)來(lái)評(píng)估墊片壽命。

1.2 評(píng)估密封墊片壽命

通過(guò)有限元分析技術(shù)、加速老化試驗(yàn)以及時(shí)溫等效原理，預(yù)測(cè)密封墊片能否滿足十年壽命的要求。密封墊片壽命評(píng)估的具體技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 壽命評(píng)估技術(shù)路線

圖2中將限元分析技術(shù)、加速老化試驗(yàn)以及時(shí)溫等效原理相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)墊片十年后的接觸壓力預(yù)測(cè)；同時(shí)將預(yù)測(cè)結(jié)果與步驟一獲得的臨界接觸壓力進(jìn)行比較，從而判斷密封墊片能否滿足十年壽命要求。如不滿足十年壽命要求，則可依據(jù)實(shí)際情況修改可能完善的設(shè)計(jì)變量(如增大初始?jí)嚎s量，增強(qiáng)材料抗老化性能，改變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等)，繼續(xù)探尋滿足壽命要求的設(shè)計(jì)方案。

該技術(shù)路線的具體實(shí)施過(guò)程為：

(1)擬合墊片材料性能和結(jié)構(gòu)變化的老化動(dòng)力學(xué)模型。依據(jù)時(shí)溫等效原理，設(shè)計(jì)開(kāi)展特定壓縮量下的耐介質(zhì)加速老化試驗(yàn)，獲得墊片材料屬性和結(jié)構(gòu)參數(shù)隨著老化而變化的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過(guò)加速老化試驗(yàn)獲得的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，來(lái)擬合墊片材料性能的老化動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)加速老化試驗(yàn)獲得的壓縮永久變形數(shù)據(jù)，來(lái)擬合墊片結(jié)構(gòu)變化的老化動(dòng)力學(xué)模型。

(2)預(yù)測(cè)墊片十年后的材料性能和結(jié)構(gòu)形狀。依據(jù)擬合的老化動(dòng)力學(xué)模型，結(jié)合墊片的實(shí)際使用工況，預(yù)測(cè)墊片使用十年后的材料性能和結(jié)構(gòu)形狀。

(3)計(jì)算墊片十年后的介質(zhì)老化接觸壓力(ACP，Aging Contact Pressure)。將預(yù)測(cè)得到的墊片使用十年后的材料性能和結(jié)構(gòu)形狀，輸入到有限元模型中，計(jì)算墊片的介質(zhì)老化接觸壓力(ACP)。

(4)十年壽命評(píng)估。將介質(zhì)老化接觸壓力與步驟一獲得的臨界接觸壓力進(jìn)行比較，評(píng)估墊片能否滿足十年壽命的要求，如果介質(zhì)老化接觸壓力大于臨界接觸壓力，則墊片可以滿足十年壽命的要求，反之則需對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化。

(5)設(shè)計(jì)方案優(yōu)化。如果墊片無(wú)法滿足壽命要求，可依據(jù)實(shí)際情況調(diào)整初始設(shè)計(jì)變量(如改變壓縮量，更換材料，改進(jìn)結(jié)構(gòu)等)重新進(jìn)行分析，從而最終找到一種能滿足壽命要求的設(shè)計(jì)方案。

從整體方案中可以看出，提出的評(píng)估方案的實(shí)施按研究?jī)?nèi)容的不同，可大致分為4個(gè)子模塊，分別是墊片的有限元分析模塊，墊片密封性能的測(cè)試模塊，耐介質(zhì)老化試驗(yàn)?zāi)K，老化性能預(yù)測(cè)模塊。各模塊相對(duì)獨(dú)立又相互支持，最終實(shí)現(xiàn)墊片壽命評(píng)估。

2 老化試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)密封材料按照GB/T 2941《材料物理試驗(yàn)方法試樣的制備和調(diào)節(jié)通用程序》進(jìn)行制樣，按照GB/T 7759 《硫化橡膠或熱塑性橡膠壓縮永久變形的測(cè)定》，對(duì)材料耐介質(zhì)老化后壓縮永久變形性能進(jìn)行測(cè)試，得到的數(shù)據(jù)用于老化性能預(yù)測(cè)。

將試樣先安裝在壓縮永久變形器中，通過(guò)限位塊來(lái)限制壓縮量，然后將壓縮永久變形器放置在模擬工況的介質(zhì)環(huán)境中，經(jīng)過(guò)不同溫度和時(shí)間的老化，最終得到壓縮永久變形老化數(shù)據(jù)。如表1所示。

表1 加速老化試驗(yàn)壓縮永久變形率

壓縮永久變形率ε定義為

ε=h0-h1h0-hs×100%

式中：ε為壓縮永久變形率；h0為試件的初始高度(mm)；hs為夾具內(nèi)限制高度(mm) ；h1為試件恢復(fù)后的高度(mm)。

3 性能預(yù)測(cè)

3.1 建立有限元分析模型

有限元分析的作用在于獲得墊片密封性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)——接觸壓力。選用大型商用有限元分析軟件ANSYS，依據(jù)經(jīng)典的有限元分析步驟開(kāi)展密封墊片的性能分析。

3.1.1 幾何模型

墊片結(jié)構(gòu)如圖3所示。由于墊片的結(jié)構(gòu)、材料、約束和載荷都具有軸對(duì)稱特征(如圖4所示)，為提高有限元計(jì)算效率，將模型簡(jiǎn)化為二維軸對(duì)稱模型[7]。

圖3 墊片結(jié)構(gòu)

圖4 分析用軸對(duì)稱模型

3.1.2 材料屬性

通過(guò)單軸壓縮試驗(yàn)測(cè)得常溫時(shí)材料的彈性模量為10.53 MPa，材料的泊松比為0.495。

3.1.3 接觸對(duì)

通過(guò)命令流方式創(chuàng)建了兩對(duì)接觸對(duì)(如圖5所示)，分別是墊片與底座的接觸對(duì)和墊片與頂蓋的接觸對(duì)，都選擇墊片作為“接觸面”，以底座和頂蓋作為“目標(biāo)面”。

圖5 接觸對(duì)

3.1.4 網(wǎng)格劃分

通過(guò)四邊形網(wǎng)格對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選用的分析單元是PLANE182單元(如圖6所示)。

圖6 PLANE182單元幾何形狀

需要注意的是PLANE182單元必須位于X-Y平面中，且對(duì)于軸對(duì)稱分析Y軸必須是對(duì)稱軸，且模型的橫坐標(biāo)必須滿足X≥0。所以在分析建模時(shí)，或者是從其他CAD軟件將模型導(dǎo)入到ANSYS中時(shí)，需注意確保模型是關(guān)于Y軸對(duì)稱，且模型的各關(guān)鍵點(diǎn)的X軸坐標(biāo)值不能為負(fù)。

3.1.5 邊界條件與載荷

墊片的是壓縮裝配的來(lái)工作的，所以分析時(shí)的邊界條件是將墊片安裝所在的底座與頂蓋X方向的自由度也設(shè)置為0，將底座Y方向自由度也設(shè)置為0，然后給頂蓋Y方向一個(gè)位移，模擬墊片壓縮工作狀態(tài)，具體如圖7所示。

圖7 網(wǎng)格劃分及邊界條件定義

3.1.6 求解

選用static analysis中的直接解法進(jìn)行求解。

3.2 計(jì)算失效準(zhǔn)則3.2.1 確定臨界壓縮量

墊片密封性能測(cè)試主要用于評(píng)價(jià)特定壓縮量下墊片密封性能的好壞，并通過(guò)依次嘗試不同的壓縮量，得到墊片滿足密封功能的臨界壓縮量，然后由臨界壓縮量結(jié)合有限元分析模型獲得臨界接觸壓力，作為密封墊片壽命評(píng)估中的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3.2.2 計(jì)算臨界接觸壓力

以壓縮10%作為邊界條件，代入到上述有限元分析模型中，計(jì)算墊片受壓后的接觸壓力情況，以最大接觸壓力作為評(píng)價(jià)墊片密封失效的指標(biāo)，稱之為臨界接觸壓力。密封墊片壓縮10%的接觸壓力計(jì)算結(jié)果如表2所示，通過(guò)計(jì)算確定評(píng)價(jià)指標(biāo)為最大接觸壓力應(yīng)大于3.71 MPa，用于老化后的性能評(píng)價(jià)。

表2 壓縮10%的墊片性能計(jì)算結(jié)果

3.3 擬合老化經(jīng)驗(yàn)公式3.3.1 擬合用試驗(yàn)數(shù)據(jù)

對(duì)文中第2節(jié)的老化試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得壓縮永久變形保留率(1-ε)，如表3所示。同時(shí)擬合了老化經(jīng)驗(yàn)公式，從而可預(yù)測(cè)墊片老化后的性能。

表3 壓縮永久變形保留率數(shù)據(jù)

3.3.2 老化經(jīng)驗(yàn)公式

老化經(jīng)驗(yàn)公式的通用形式[8-9]為

P=Ae-kτα

式中：P為性能變化指標(biāo)，對(duì)壓縮永久變形為1-ε(又稱為壓縮永久變形保留率)；A為試驗(yàn)常數(shù)；k為老化速度常數(shù)(d-1)；τ為老化時(shí)間(d)；α為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

其中，α取值一般在0～1之間，α的最優(yōu)值通過(guò)嘗試法獲得，α優(yōu)選的原則是使擬合誤差I(lǐng)的值最小。

I=∑mi=1∑nj=1(Pij-P︿ij)2

式中：P︿ij為第i個(gè)老化試驗(yàn)溫度下，第j個(gè)測(cè)試點(diǎn)的性能指標(biāo)預(yù)測(cè)值；Pij為第i個(gè)老化試驗(yàn)溫度下，第j個(gè)測(cè)試點(diǎn)的性能指標(biāo)試驗(yàn)值。

通過(guò)MatLab軟件編寫α值求解程序，設(shè)置取值間隔為0.001，記錄值I最小時(shí)的α取值作為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，計(jì)算流程如圖8所示。

圖8 α值計(jì)算流程

其中老化速度系數(shù)K與老化溫度T服從 Arrhenius 公式

k=Ze-E/(RT)

式中：T為絕對(duì)溫度(K)；Z為頻率因子(d-1)；R為氣體常數(shù)(R=8.314 J/(K·mol))；E為表觀活化能(J/mol)。

3.3.3 材料老化性能預(yù)測(cè)

通過(guò)計(jì)算擬合獲得的老化經(jīng)驗(yàn)公式如下：

P=1.19exp(-k*τ)

k=1.70×109exp(-10 044.12/T)

由上述公式計(jì)算65 ℃下材料老化后的壓縮永久變形保留率，結(jié)果如表4所示。

表4 老化后壓縮永久變形保留率

從預(yù)測(cè)結(jié)果可見(jiàn)，老化10年后，壓縮永久變形保留率明顯下降。

3.4 墊片老化性能預(yù)測(cè)3.4.1 老化后的結(jié)構(gòu)形狀(永久變形結(jié)構(gòu))

依據(jù)上述的預(yù)測(cè)結(jié)果，借助有限元分析工具ANSYS，結(jié)合結(jié)構(gòu)永久變形仿真方法，對(duì)墊片老化10年后的永久變形后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3.4.1.1 結(jié)構(gòu)永久變形仿真方法

借助有限元分析方法，分析特定壓縮永久變形值下的密封結(jié)構(gòu)變化，獲得發(fā)生壓縮永久變形后的密封件結(jié)構(gòu)。計(jì)算仿真流程如圖9所示，首先由老化工況獲得密封件的壓縮永久變形值，然后借助有限元分析方法得到發(fā)生老化永久變形后的密封件結(jié)構(gòu)。

圖9 老化后結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)流程

為了驗(yàn)證此方法的可行性，截取發(fā)生永久變形后的Y形圈斷面，通過(guò)影像測(cè)量?jī)x對(duì)斷面輪廓進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)量結(jié)果與相同永久變形值的有限元仿真預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖10所示。通過(guò)對(duì)比結(jié)果可以看出，通過(guò)仿真方法獲得的密封件結(jié)構(gòu)與試驗(yàn)測(cè)量的結(jié)構(gòu)非常接近，證明此預(yù)測(cè)方法是可行的。

圖10 老化后結(jié)構(gòu)仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3.4.1.2 墊片永久變形結(jié)構(gòu)

依據(jù)上述方法，對(duì)密封墊片在不同壓縮率下的永久變形結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真預(yù)測(cè)。老化溫度為65 ℃，老化時(shí)間為10年。具體預(yù)測(cè)結(jié)果如表5所示。

表5 永久變形結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)結(jié)果

3.4.2 老化后的材料性能

經(jīng)過(guò)老化試驗(yàn)后的試樣彈性模量會(huì)迅速減小，然后在特定數(shù)值范圍內(nèi)上下波動(dòng)，不再顯著降低。為此選擇試驗(yàn)時(shí)平均模量值分別作為老化后材料性能參數(shù)，代入到有限元模型中進(jìn)行計(jì)算。

3.4.3 65 ℃老化10年后的性能預(yù)測(cè)

試驗(yàn)測(cè)得的老化后平均彈性模量值為5.13 MPa，預(yù)測(cè)的老化后結(jié)構(gòu)永久變形值為0.243 mm。將以上參數(shù)代入到有限元模型中，計(jì)算得到墊片65 ℃老化10年后性能如表6所示。

表6 30%壓縮率下墊片老化性能預(yù)測(cè)結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果可知，墊片老化后的最大接觸壓力為3.922 MPa，略大于其能實(shí)現(xiàn)密封的接觸壓力3.71 MPa；按試驗(yàn)時(shí)的平均彈性模量來(lái)計(jì)算，30%的壓縮率下，墊片十年后的最大接觸壓力略大于其能實(shí)現(xiàn)密封的臨界接觸壓力3.71 MPa，可以滿足密封要求。

4 結(jié)論

(1)基于靜密封機(jī)制，結(jié)合有限元分析方法、加速老化試驗(yàn)以及時(shí)溫等效原理，以最大接觸壓力是否大于臨界接觸壓力為失效評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，可以評(píng)估墊片的密封壽命。但是基于此方法預(yù)測(cè)時(shí)應(yīng)注意，失效準(zhǔn)則的選取非常關(guān)鍵，而臨界壓縮率的選擇直接相關(guān)于臨界接觸壓力，進(jìn)而直接影響老化后壽命的判定。

(2)該方法在材料壽命預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，考慮具體的密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測(cè)，且在往復(fù)密封件臺(tái)架試驗(yàn)中已得到驗(yàn)證，通過(guò)老化前后的材料性能測(cè)試結(jié)果，經(jīng)過(guò)軟件模擬預(yù)測(cè)使用壽命，與臺(tái)架模擬的結(jié)果基本相符。

(3)通過(guò)該壽命預(yù)測(cè)方法，可以充分地利用短時(shí)間多條件的實(shí)驗(yàn)，對(duì)密封件長(zhǎng)時(shí)間壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，甚至可以預(yù)測(cè)經(jīng)過(guò)一定時(shí)限后密封件性能情況，對(duì)長(zhǎng)壽命要求或更換不便的密封件維護(hù)有非常重要的指導(dǎo)作用。