常紅　閆迎亮

摘 ? 要：本文試驗(yàn)了不同密度的石墨烯填料環(huán)的壓縮回彈性能以及軸向力傳遞的特性，將石墨填料環(huán)的側(cè)壓系數(shù)通過(guò)有限元數(shù)值模擬進(jìn)行研究，并將不同密度的雙層石墨填料環(huán)的密封特性通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行研究。由試驗(yàn)可知：石墨填料環(huán)的密度增加壓縮率變小、回彈率會(huì)紙?jiān)龃?加載軸向力增加石墨填料環(huán)側(cè)壓系數(shù)也會(huì)隨之增加，側(cè)壓系數(shù)受密度影響較小;石墨填料環(huán)的密度增大，軸向力的傳遞率也會(huì)增大;40MPa下的不同密度雙層石墨填料環(huán)都低于設(shè)定值，泄漏率受密度很大程度的影響。

關(guān)鍵詞：石墨填料環(huán) ?力學(xué) ?密封性能

中圖分類號(hào)：TH136 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）06（b）-0087-02

以其良好的耐腐蝕性、耐高溫輻射、壓縮回彈性柔軟石墨填料在核工業(yè)、石油化工、航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛的領(lǐng)域。所謂的填料密封就是通過(guò)利用良好壓縮回彈性能的密封材料，填料因壓蓋受到軸向載荷力產(chǎn)生徑向的膨脹，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)足夠的徑向壓力出現(xiàn)在填料環(huán)與軸、填料函表面，從而是流體泄漏受到阻礙的一種密封形式。密封結(jié)構(gòu)的密封性能很大程度上受到石墨填料環(huán)的力學(xué)特性影響，而目前我國(guó)關(guān)于軸向力傳遞以及側(cè)壓系數(shù)的測(cè)試方法在柔性石墨填料環(huán)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中并沒(méi)有表明。因此，本文通過(guò)試驗(yàn)探究出不同密度下石墨填料環(huán)的軸向力傳遞特性以及壓縮回彈性，并在最后試驗(yàn)了是雙層石墨填料環(huán)的泄漏率。

1 ?試驗(yàn)設(shè)計(jì)

模壓成型的高純度柔性石墨填料環(huán)是實(shí)驗(yàn)中使用的主要試件，選取單位規(guī)格為內(nèi)徑120mm乘以外徑130mm乘以6.35mm的石墨填料環(huán)，并且分別選取三種規(guī)格相同密度分別為1.58、1.44、1.30g/cm3石墨填料環(huán)。

1.1 力學(xué)性能試驗(yàn)裝置

通過(guò)靜態(tài)電阻應(yīng)變儀計(jì)算機(jī)相連接對(duì)石墨填料環(huán)力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，該裝置可以完成三項(xiàng)試驗(yàn)，分別為壓縮回彈性能試驗(yàn)、軸向壓力傳遞特性試驗(yàn)、側(cè)壓系數(shù)試驗(yàn)[1]。該裝置有應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)、石墨填料環(huán)安裝系統(tǒng)與軸向載荷施加壓力機(jī)組成。軸向加載時(shí)下套筒變量通過(guò)在進(jìn)行填料環(huán)軸向力傳遞性能測(cè)試時(shí)下套筒上設(shè)置的軸向應(yīng)變片獲取，同時(shí)為了能夠得到填料在軸向加載是所受的側(cè)壓力，以此實(shí)現(xiàn)側(cè)壓系數(shù)的計(jì)算，將應(yīng)變片設(shè)置在填料壓縮后的高度處、內(nèi)筒內(nèi)壁以及外筒外壁處。

1.2 密封性試驗(yàn)裝置

通過(guò)計(jì)算機(jī)、壓力機(jī)、氦質(zhì)譜檢漏儀實(shí)現(xiàn)對(duì)于石墨填料環(huán)密封性能的測(cè)驗(yàn)[2]。檢漏系統(tǒng)、氦氣供給力、石墨填料環(huán)安裝系統(tǒng)與軸向載荷施加壓力機(jī)是該裝置的主要構(gòu)成部分。

2 ?確定側(cè)壓系數(shù)

2.1 混合標(biāo)定

介于側(cè)壓力無(wú)法通過(guò)填料與筒壁的接觸面軸向應(yīng)變片直接測(cè)量，因此還需要通過(guò)有限元計(jì)算與試驗(yàn)相結(jié)合的混合定標(biāo)方法來(lái)講側(cè)壓系數(shù)確定，并且將單層石墨填料環(huán)的側(cè)壓系數(shù)沿填料厚度的方向假設(shè)為一致的情況[3]。隨后通過(guò)試驗(yàn)，軸向壓力逐級(jí)的施加，統(tǒng)計(jì)每一軸向壓力下測(cè)量對(duì)應(yīng)墊圈位置的外筒外壁與內(nèi)筒內(nèi)壁上的應(yīng)變均值，將軸向壓力以及軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線圖繪制出來(lái)。預(yù)設(shè)壓力為7.6MPa，實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)值是50MPa，0.5MPa每秒的加載以及卸載速度，并且1min以此的壓力逐級(jí)增長(zhǎng)。記錄外筒外壁以及內(nèi)筒內(nèi)壁專注點(diǎn)的軸向應(yīng)變值，實(shí)現(xiàn)加載軸向壓力與外向壓力應(yīng)變兩者之間的具體關(guān)聯(lián)。

隨后，通過(guò)有限元分析并通過(guò)力學(xué)性能試驗(yàn)裝置進(jìn)行分析，由于荷載與結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，因此利用有限元然軟件ANSYS將軸對(duì)稱二維有限元模型建立。底座、外筒與內(nèi)筒共同構(gòu)建出而未有限元模型。開(kāi)始對(duì)模型地面施加固定的壓力，并將不同的側(cè)向壓力對(duì)經(jīng)過(guò)壓縮后單層石墨填料的相對(duì)應(yīng)高度進(jìn)行施加，并提取出相對(duì)應(yīng)的周向應(yīng)變值，分析出周向應(yīng)變與側(cè)向壓力的關(guān)系。最后以周向應(yīng)變值為中間量，計(jì)算出側(cè)向壓力與軸向壓力的關(guān)系曲線，就可以將各軸向壓力下對(duì)應(yīng)的側(cè)壓系數(shù)得出。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以得出，在密度為1.44g/cm3的單層石墨填料環(huán)內(nèi)筒內(nèi)壁以及外筒外壁的周向應(yīng)變力隨著周向軸向壓力的增長(zhǎng)而增長(zhǎng);在1.44g/cm3的單層石墨填料環(huán)的內(nèi)筒內(nèi)壁以及外筒外壁的周向應(yīng)變力隨著側(cè)向壓力的增加而增加。由以上內(nèi)筒內(nèi)壁以及外筒外壁的周向應(yīng)變力與軸向壓力、側(cè)向壓力通過(guò)側(cè)壓系數(shù)等于軸向壓力除以側(cè)向壓力可以算出側(cè)壓系數(shù)。經(jīng)計(jì)算可以得出，內(nèi)筒內(nèi)壁的軸向壓力增加，側(cè)壓系數(shù)也會(huì)隨著增加，但是軸向壓力不斷增加側(cè)壓系數(shù)的增長(zhǎng)速度會(huì)越來(lái)越慢。1.33g/cm3與1.58g/cm3下從單層石墨填料環(huán)的側(cè)壓系數(shù)同樣可以通過(guò)以上這種方式計(jì)算得出。經(jīng)過(guò)對(duì)比我們可知，不同密度下的石墨填料環(huán)的內(nèi)外同側(cè)壓系數(shù)都會(huì)隨著軸向壓力的增加而增加，但是也同樣會(huì)隨著軸向壓力的增加而增長(zhǎng)速率會(huì)慢慢變緩。當(dāng)處在30MPa的軸向壓力時(shí)，各個(gè)密度下的石墨填料環(huán)有非常接近的側(cè)壓系數(shù)值;而在40MPa的軸向壓力下，石墨填料環(huán)的側(cè)壓系數(shù)值會(huì)在0.79～0.89之間。

3 ?軸向力傳遞特性

3.1 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

對(duì)不設(shè)置石墨填料換的力學(xué)裝置進(jìn)行軸向力直接施加，得出標(biāo)定曲線;隨后對(duì)設(shè)置石墨填料環(huán)的力學(xué)裝置施加軸向力得出標(biāo)定曲線，并比對(duì)兩者之間的關(guān)系可以得出石墨填料環(huán)的軸向力傳遞特性[4]。試驗(yàn)時(shí)設(shè)置40MPa的軸向壓力，0.2MPa每秒的加載速度，并且每次保持15s的軸向力，將中間變量設(shè)置為以下套筒軸向應(yīng)變力，可以將試驗(yàn)機(jī)加載軸向力與下套筒上的軸向力關(guān)系得出，以此來(lái)計(jì)算出軸向力傳遞率的大小。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由以上實(shí)驗(yàn)我們可以得出下套筒的軸向力增加，而軸向應(yīng)變力也隨著增加，用一次函數(shù)進(jìn)行線性化擬合可以得到下套筒的軸向應(yīng)變力。而通過(guò)力學(xué)試驗(yàn)裝置設(shè)置單層石墨填料環(huán)地進(jìn)行軸向力施加可以得知加載軸向力增加，周向應(yīng)變力也會(huì)隨著增加。由中間量下套筒首相應(yīng)變歷可以通過(guò)計(jì)算的出試驗(yàn)機(jī)的加載軸向力以及軸向力傳遞率。

由上述試驗(yàn)計(jì)算我們可以知道，在不同密度下的石墨填料環(huán)的加載軸向力增加，軸向傳遞率也會(huì)隨著減小，導(dǎo)致對(duì)個(gè)現(xiàn)象的主要原因就是側(cè)向壓力會(huì)隨著加載軸向力的增加而增加，從而增加了摩擦損失，減小了傳遞的下套筒軸向力。石墨填料環(huán)的密度增加軸向傳遞率的會(huì)隨之增加，各個(gè)密度之間的石墨填料環(huán)中更好的軸向力傳遞特性是1.58g/cm3下的石墨填料環(huán)。

4 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)論

首先，加載軸向力增加都會(huì)導(dǎo)致內(nèi)筒內(nèi)壁以及外筒外壁的側(cè)壓系數(shù)增加，但是增加速率都會(huì)隨著加載系數(shù)的增加而減弱;當(dāng)處在大于30MPa的軸向壓力時(shí)，會(huì)呈現(xiàn)出趨于穩(wěn)定的側(cè)壓系數(shù)，并且側(cè)壓系數(shù)不太受密度的影響;而當(dāng)處于40MPa的目標(biāo)軸向壓力是，會(huì)出現(xiàn)0.79～0.89之間的側(cè)壓系數(shù)值。

其次，石墨填料環(huán)的軸向力傳遞率會(huì)隨著加載軸向載荷的增加而逐漸減小;并且隨著石墨填料環(huán)的密度增加，軸向力傳遞率也會(huì)增加，所以，石墨填料環(huán)中各個(gè)密度下的軸向力傳遞特性中，1.58g/cm3的密度石墨填料環(huán)最好。

最后，通過(guò)以上的試驗(yàn)可以分析出，各個(gè)密度下的石墨填料環(huán)在40MPa的目標(biāo)軸向壓力下，就有很好的防泄漏性能，以此可見(jiàn)，泄漏率并不受密度的影響。

5 ?結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)石墨填料環(huán)進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)，分析出各個(gè)密度下石墨填料環(huán)側(cè)壓系數(shù)、加載軸向力、軸向傳遞率以及軸向荷載之間的關(guān)系，分析出，石墨填料環(huán)能夠起到很好的防泄漏作用，并且防泄漏性能不受密度的影響。

參考文獻(xiàn)

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