楊卓然 張亮亮 孫明艷 周英平 黃姝珂 蔣 晗

(1. 西南交通大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院 四川成都 610031;2.中國工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所四川綿陽 621900;3.綿陽第一軍事代表室 四川綿陽 621900)

密封的可靠性對整體結(jié)構(gòu)服役的安全性有著決定性的作用。錐面密封是工程機(jī)械流體系統(tǒng)的常用密封形式，具有結(jié)構(gòu)小巧、易加工等特點，在航空航天、國防工程有非常廣泛的運用[1-3]。其密封原理是通過密封件與被密封件之間的相互擠壓形成密封面，以阻止氣液外溢。常見的錐面密封形式有堵頭和管接頭2種形式。在實際運用中發(fā)現(xiàn)，錐面堵頭系統(tǒng)的密封性能往往強(qiáng)于錐面管接頭密封性能，表現(xiàn)出更為均勻規(guī)整的密封圈，密封性能更為穩(wěn)定(見圖1)。為了滿足日益復(fù)雜的氣液密性性能的要求，提升錐面密封整體系統(tǒng)潛在的可靠性和安全性是非常重要的工程問題。

圖1 錐面密封系統(tǒng)墊片密封圈

錐面密封系統(tǒng)由套筒、密封構(gòu)件(壓頭)、墊片和被密封構(gòu)件(堵頭、管接頭)組成(如圖2所示為管接頭密封系統(tǒng))。通過在套筒外部施加扭矩,對錐面密封系統(tǒng)提供預(yù)緊力。密封的機(jī)制是在預(yù)緊力作用下，墊片受到擠壓產(chǎn)生塑性流動，與密封構(gòu)件完全接觸形成有效的密封環(huán)。研究表明，錐形接頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)對系統(tǒng)的密封性能影響明顯，可通過控制配合內(nèi)錐角差、錐面形狀等途徑來優(yōu)化系統(tǒng)密封性能[4-7]。傳統(tǒng)的“硬-硬”接觸密封結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在服役過程中會出現(xiàn)構(gòu)件的塑性變形、表面損傷等現(xiàn)象，降低密封系統(tǒng)整體在長期多次使用情況下的可靠性和安全性。在密封件與被密封件之間加入較軟的墊片(如銅墊)所形成的“硬-軟-硬”密封系統(tǒng)，通過墊片的塑性變形產(chǎn)生了具有一定接觸面寬和接觸比壓的密封環(huán)，可在較好地滿足密封可靠性的同時，保護(hù)密封構(gòu)件的表面完整性[8-10]。智友海等[11]采用有限元的方法分析出不同荷載形式管接頭處的應(yīng)力分布，證明墊片可以提升密封系統(tǒng)的連接能力。閔冬翌[1]通過有限元模擬的方法探究了配合內(nèi)錐角差對預(yù)緊力、最大等效應(yīng)力和接觸面寬的影響，針對其結(jié)構(gòu)工藝選取了合適的工藝參數(shù)。

圖2 管接頭密封系統(tǒng)

為提升管接頭的密封性能并探究其結(jié)構(gòu)影響機(jī)制，本文作者基于工程實際問題，建立錐面密封系統(tǒng)的有限元數(shù)值模型。以堵頭為研究對象，探究決定錐面系統(tǒng)密封性能的主要因素；對比分析堵頭和管接頭密封性能的差異，并探討結(jié)構(gòu)參數(shù)對管接頭錐面系統(tǒng)密封性能的影響。

1 錐面密封系統(tǒng)的研究方法

1.1 錐面密封性能評判指標(biāo)

錐面密封的可靠性主要由墊片與密封構(gòu)件的接觸面寬和壓力共同決定，可通過墊片的塑性流動程度以及與密封構(gòu)件之間的接觸壓力來進(jìn)行定性半定量表征[12]?；贐uchter實驗結(jié)果，為了滿足密封可靠性需要，密封面上接觸壓力至少達(dá)到較軟材料(墊片)屈服強(qiáng)度的2倍[13]。因此，針對文中的錐面密封系統(tǒng)，選取接觸面寬大于0.5 mm[1]及接觸應(yīng)力大于400 MPa作為密封性能的基準(zhǔn)評判要求。其中壓頭的內(nèi)錐角為60°，銅墊片厚度為0.5 mm，高度為3 mm，堵頭和標(biāo)準(zhǔn)管接頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，與密封性能相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表1 堵頭和標(biāo)準(zhǔn)管接頭工藝參數(shù)

表2 密封性能相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 堵頭和管接頭有限元模型

考慮軟質(zhì)銅墊的局部大變形和復(fù)雜的接觸狀態(tài)，采用Abaqus/Explicit模塊開展錐面密封性能的數(shù)值分析。由于影響因素眾多，為提升計算研究效率，建立錐面密封軸對稱模型對其密封性能進(jìn)行研究(如圖3所示)。為確保計算準(zhǔn)確性，對密封構(gòu)件的接觸區(qū)域和銅墊片進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，單元類型為CAX4R。堵頭和管接頭下端約束，在壓頭上方施加相應(yīng)的預(yù)緊力。

圖3 錐面密封有限元網(wǎng)格模型

由于密封系統(tǒng)中鋼和鎳鈦合金的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于無氧銅，鋼和鎳鈦合金采用線彈性模型，無氧銅采用理想彈塑性模型進(jìn)行描述。材料參數(shù)如表3所示。

表3 材料參數(shù)

1.3 外荷載計算

在實際應(yīng)用中，密封系統(tǒng)中的預(yù)緊力是由外加載扭矩通過螺紋施加，外加載扭矩與預(yù)緊力存在對應(yīng)的關(guān)系。如圖4所示，扭矩作用分為螺紋之間的摩擦阻力矩T1和螺母與支撐面之間的摩擦力矩T2[14]。其中，

圖4 預(yù)緊力和外扭矩示意

(1)

其中，ft=Ftan(ψ+ρv)為有效摩擦力，可進(jìn)一步將公式(1)化為

(2)

式中：Di為螺紋內(nèi)直徑；F為預(yù)緊力;ψ和ρv為螺紋系數(shù)。

螺母與支撐面之間的摩擦力矩可寫為

(3)

式中：Do為螺紋外直徑；μ為摩擦因數(shù)。

若將螺紋外直徑和內(nèi)直徑簡化為同一直徑大小Deff，則總扭矩為

T=T1+T2=ktFDeff

(4)

式中：kt為摩擦相關(guān)系數(shù)。因此外加載扭矩與預(yù)緊力關(guān)系如表4所示。

表4 預(yù)緊力和外扭矩關(guān)系

2 結(jié)果與討論

2.1 堵頭與管接頭的密封性能對比

如前所述，決定錐面密封系統(tǒng)的主要影響因素為接觸面寬和接觸應(yīng)力。且對于“硬-軟-硬”系統(tǒng)，較軟銅墊片的塑性變形能較好地描述系統(tǒng)整體的密封程度，因此重點探究銅墊片的塑性變形程度和密封構(gòu)件之間的接觸應(yīng)力分布情況。為探究決定密封系統(tǒng)性能的主要因素，以堵頭為例，對密封后的銅墊片進(jìn)行分析。如圖5所示為堵頭系統(tǒng)密封狀態(tài)下的銅墊片等效塑性變形情況?？梢钥闯?，在預(yù)緊力作用下，銅墊片主要存在三處明顯的塑性變形區(qū)。其中，塑性區(qū)1在倒角處形成了接觸面寬較小的區(qū)域，而塑性區(qū)2和3由于接觸更為充分，在摩擦力和擠壓的作用下接觸面寬較大。對于整體密封系統(tǒng)，這三處的接觸應(yīng)力大小和接觸面寬是決定密封性能的主要因素。在實際工程應(yīng)用中，塑性區(qū)1由于受倒角影響其接觸面寬過小，而密封系統(tǒng)的保障主要來源于塑性區(qū)2、3處提供的接觸應(yīng)力。

圖5 銅墊片等效塑性應(yīng)變云圖

圖6所示為堵頭和管接頭的法向預(yù)緊力與位移之間的關(guān)系曲線?？擅黠@看出，堵頭系統(tǒng)剛度更大，在相同預(yù)緊力作用下具有更好的穩(wěn)定性。對于堵頭與管接頭這2種密封系統(tǒng)，當(dāng)銅墊片的塑性區(qū)充分連接時，宏觀載荷發(fā)生改變，此時銅墊片的塑性流動更為明顯，密封構(gòu)件和銅墊片接觸更加充分，系統(tǒng)的密封性能明顯提升。

圖6 堵頭和管接頭的力位移曲線

圖7所示為堵頭和管接頭系統(tǒng)中銅墊片的等效塑性應(yīng)變隨預(yù)緊力增大的響應(yīng)?？芍?，由于受到摩擦力和預(yù)緊力的共同作用，銅墊片中存在三處非對稱的塑性變形區(qū);隨著荷載增加，塑性變形區(qū)穩(wěn)定擴(kuò)展并最終相互連接，銅墊片明顯的塑性流動使得密封件充分接觸，保證了密封結(jié)構(gòu)的可靠性。管接頭相較于堵頭具有更小的接觸面積和更小的倒角半徑，在相同的預(yù)緊力作用下，倒角處的接觸應(yīng)力明顯大于堵頭，銅墊片塑性變形更明顯，能提升局部的密封性能。

圖7 不同預(yù)緊力下等效塑性應(yīng)變分布

圖8所示為堵頭和管接頭密封系統(tǒng)中接觸狀態(tài)隨預(yù)緊力增大的響應(yīng)結(jié)果。接觸應(yīng)力分布在2個接觸面上，均滿足安全設(shè)計值(>0.5 mm)，且堵頭相對于管接頭接觸面寬更大。隨著預(yù)緊力的增加，銅墊與密封構(gòu)件的接觸更加充分，密封接觸狀態(tài)更加安全。

圖8 接觸狀態(tài)分析

綜上所述，在密封系統(tǒng)中銅墊片上形成了三處明顯的塑性區(qū)，該處的接觸面寬和接觸應(yīng)力決定了密封系統(tǒng)密封性能。隨著預(yù)緊力的增加，堵頭和管接頭密封系統(tǒng)構(gòu)件間的接觸更為充分，都能產(chǎn)生更大的接觸壓力。對比管接頭和堵頭的數(shù)值模擬結(jié)果。管接頭由于錐面較小，在局部的接觸應(yīng)力數(shù)值較大，但整體的滿足接觸應(yīng)力大于400 MPa的接觸面寬小于堵頭，且堵頭由于剛度較高，具有更好的密封穩(wěn)定性，因此在實際密封過程中堵頭密封性能更佳。

2.2 管接頭結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

雖然預(yù)緊力越大密封性能越好，但是較大的預(yù)緊力會損傷螺紋并增加拆卸難度。因此在一定的預(yù)緊力作用下，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)來提升密封性能是非常必要的。文中選用配合內(nèi)錐角差、倒角半徑和接觸面積作為主要影響結(jié)構(gòu)參數(shù)，加載工況采用最小的15 N·m外扭矩，研究管接頭結(jié)構(gòu)參數(shù)對錐面密封性能的影響。

2.2.1 倒角半徑的影響

圖9所示為倒角半徑為0.1和0.5 mm時管接頭密封的等效塑性應(yīng)變和接觸應(yīng)力的分布?？芍?，減小倒角半徑能使倒角處的局部接觸應(yīng)力和塑性變形增大。但錐面系統(tǒng)整體密封性能不足以達(dá)到需求，減小倒角雖能部分提升端部密封接觸應(yīng)力，但提升的接觸面寬較小，仍難以保證錐面整體長期使用的可靠性。

圖9 倒角半徑對管接頭密封性能影響

2.2.2 配合內(nèi)錐角差的影響

圖10所示為不同配合內(nèi)錐角差對管接頭密封等效塑性應(yīng)變和接觸狀態(tài)的影響。從等效塑性應(yīng)變圖中可以看到，增大配合內(nèi)錐角差可在倒角處產(chǎn)生進(jìn)一步的局部塑性變形，保證倒角處充分接觸，從而一定程度上提升密封性能。配合內(nèi)錐角差繼續(xù)增大，倒角處的作用進(jìn)一步增強(qiáng)，反而會導(dǎo)致塑性區(qū)2、3的接觸面寬的下降，從而造成整體密封性能降低[6]。

圖10 配合內(nèi)錐角差對密封性能的影響

2.2.3 接觸面積的影響

圖11所示為接觸面積對等效塑性應(yīng)變和接觸應(yīng)力的影響。由于預(yù)緊力保持不變，減小接觸面積能明顯增加接觸面上的名義壓力，銅墊片會形成劇烈的塑性變形，管接頭錐面充分密封且接觸應(yīng)力也有較大的提升。雖然接觸面積減小了，但能提升有效的接觸面寬，相較于減小倒角和增大配合內(nèi)錐角差，適當(dāng)?shù)販p小接觸面積是提升密封性能最有效的方法。

圖11 接觸面積對密封性能的影響

2.3 實驗結(jié)果驗證

為探究減小接觸面積能有效提升錐面管接頭密封性能這一結(jié)果，開展對不同接觸面積的錐面密封系統(tǒng)的氣密性測量以及對其裝配后的銅墊片進(jìn)行實驗觀察。如表5所示為不同接觸面寬下的氣密性數(shù)值，為了便于實驗，通過調(diào)整高度實現(xiàn)減小接觸面積，其中銅片高度越小接觸面積越小。結(jié)果顯示,減小接觸面積可有效提升氣密性，且其提升程度呈量級式的增長。如圖12所示為裝配后的銅墊片的顯微觀察圖片，可知隨著接觸面積減小，倒角處形成明顯的閉環(huán)，使得倒角處的密封性能明顯增加。由于接觸面積的減小提升了密封圈的接觸應(yīng)力，其銅墊片上的壓痕在密封圈處表現(xiàn)更為規(guī)整緊實，能有效阻止氣體的穿透。因此，減小接觸面積能有效地提升錐面管接頭的密封性能。

表5 接觸面積對氣密性的影響

圖12 不同高度的銅墊片的壓痕圖片

3 結(jié)論

(1)錐面密封系統(tǒng)在裝配過程中會在墊片處形成三處明顯的塑性區(qū)，其整體的密封性能主要受這三處的接觸應(yīng)力和接觸面寬影響。

(2)堵頭相較于管接頭由于其剛度更高，在預(yù)緊力較大的情況下系統(tǒng)變形較小，具有較好的穩(wěn)定性。

(3)減小倒角半徑以及增加配合內(nèi)錐角差能有效提升局部區(qū)域的接觸應(yīng)力，但難以有效提升接觸面寬。

(4)相較于倒角和配合內(nèi)錐角差的影響，減小接觸面積能同時提升接觸應(yīng)力和接觸面寬，能夠更為有效地提升整體密封性能。為錐面密封系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了指導(dǎo)性的建議。