波形密封墊片結構優化設計與有限元分析

王立

摘 要：文章對一波形密封墊片進行了優化設計。在不改變安裝接口尺寸的前提下，對原有結構形式進行了優化設計，改變了零件材料及墊片厚度，并采用三維數值模擬方法對改進設計和原設計的應力水平進行對比分析，結果表明改進后的設計與改進前相比，墊片被壓后回彈效果好，同樣的密封效果所需的安裝力矩更小。

關鍵詞：密封墊片；優化設計；有限元分析

引言

密封技術被廣泛地應用于航空航天、核能發電等高新技術領域，以及石油、化工等國民經濟各行業。密封技術雖然不是領先性技術，但往往卻是決定性關鍵技術，它決定了機械設備運行的安全性、可靠性和耐久性。隨著密封技術的發展，傳統的密封技術不斷地改進，新密封技術不斷推陳出新，密封發展方向則是零泄漏、高性能、高可靠性以及長壽命化。

1 應用背景

航空發動機外部管路接口處多數采用標準結構的法蘭面接頭，與對象件之間面對面接觸，如圖1所示，兩面之間需設置密封零件來實現端面密封。現有用于管接頭密封的零件通常有兩種：一種利用非金屬橡膠良好的彈性實現密封，但橡膠制品保質期短、不耐高溫、易老化、易損壞，每裝配一次都必須更換新件，所以橡膠制品密封件主要用于冷端部件密封；另一種鋁金屬平墊圈利用產品表面受到擠壓時產生的變形來實現密封，鋁平墊圈主要用于熱端部件密封，但受壓變形后回彈性差，無法實現二次使用。文章著重介紹用于發動機熱端部件進行端面密封、金屬材質的密封墊片，針對現有的鋁平墊圈進行改進設計，從多方面給出改進設計前后的對比分析，并對分析結果加以計算驗證。

2 原型密封零件簡介

原型密封墊片（文中提及的鋁平墊圈）目前較多地應用于管接頭端面密封，密封效果基本滿足使用要求。其結構形式較為簡單，結構詳情如圖2所示，墊片上開有2個安裝孔，中間開有1個對接孔，墊片本體上設有環狀滾波，且與對接孔同心。環形滾波的截面形狀如圖3所示。鋁平墊圈的材料為5A03，零件厚度為1.5mm，使用過程中的安裝力矩為4.8N·m。其密封原理為當密封墊圈在工作過程中，由于預加的裝配載荷，密封墊圈上下兩個面同時受壓，凸起的滾波首先受壓變形，與待密封件的接觸面緊密貼合，達到密封效果。

3 改進型密封零件結構方案

改進后的結構形式如圖4所示，墊片上開有2個安裝孔，中間開有1個對接孔，墊片本體上設有環狀V型凸槽，且與對接孔同心。環狀V型凸槽的截面形狀如圖5所示。改進后密封墊片的材料為1Cr18Ni9Ti，零件厚度為0.2mm。使用過程中的安裝力矩為4.8N·m。其密封原理與原型鋁平墊圈的密封原理相同，當密封墊圈在工作過程中，由于預加的裝配載荷，密封墊圈上下兩個面同時受壓，凸起的V形槽首先受壓變形，與待密封件的接觸面緊密貼合，達到密封效果。考慮到材料本身固有特性，在密封墊兩表面增加鍍銀工序。

4 改進后結構設計分析

改進后的密封墊片相較于原型鋁平墊片大致結構形式相近，安裝使用時的機械接口尺寸未改變，這確保了改進后密封墊片在安裝使用時的繼承性。與此同時改進后的密封墊片的結構設計新穎實用，工作過程中受壓時與原型密封墊片一樣，都是通過墊片上的凸起部分受壓變形達到密封效果，但改進后的密封墊片凸起的V型槽受壓變形，與待密封件的接觸面緊密貼合，形成了一圈無間斷帶狀密封空間，且待密封件與密封墊圈接觸時是線接觸，故用同樣的安裝力矩就能將密封墊圈壓緊，從而起到較好的密封效果，工作時的安裝力矩對密封墊片本身的損害小，可重復使用。故改進后密封墊片能達到良好的密封效果，且節約裝配時間。可靠性高、密封效果好。

由于改進后的密封墊片采用不銹鋼材料，較原型鋁制墊片強度要高，耐磨耐用；拉伸率較低，受壓后不容易產生永久變形且容易恢復，同時，其材料介質性好，耐油、耐高低溫、工藝性高。 產品使用后體積磨損變化量小，重復使用率高，損耗小，節約了生產成本，提高了使用質量和延長使用壽命。同時，改進后的密封墊片表面鍍銀層，保護密封墊片本身免受腐蝕，同時防止金屬密封墊與上下兩端面間材料的咬合，保證了面面接觸良好性和密封可靠性。

5 計算驗證及結論

根據密封墊片在安裝使用過程中的力矩值，密封墊片安裝孔處的安裝螺栓的擰緊力矩約為4.8N.m。據此計算對應的管接頭與機匣之間密封墊片所受的預載為500N，計算采用公式：

式中：φ-螺紋升角；ρ'-螺紋副當量摩擦角；d2-螺紋中徑，mm；fc-螺母與被連接件或墊圈接觸互壓面組合的摩擦系數；D1-螺母支撐面外徑，mm；D0-被連接件或墊圈孔直徑，mm。

有限元計算分析時按照上式計算所得載荷500N對原型密封墊片和改進后密封墊片加載，采用二十節點六面體單元劃分有限元網格，有限元模型見圖6。密封墊改進前共分1776個單元，9226個節點，改進后共分390個單元，3114個節點。

對改進前和改進后的模型按500N的載荷予以加載，加載情況如圖7所示。

改進前原型密封墊片和改進后密封墊片加載500N時的最大應力區都在凸起滾波根部位置，最大應力值分別為改進前498MPa，改進后174MPa，計算結果參照圖8和圖9。材料5A03（改進前）的壓縮屈服強度為98MPa，材料1Cr18Ni9Ti（改進后）的壓縮屈服強度為196MPa。由上述數據得出，改進前鋁平墊片工作狀態受壓后已發生塑性變形，改進后密封墊片工作狀態受壓后可實現回彈。目前，此改進后的密封墊片已經隨某型發動機在試車臺進行了驗證試驗，試驗順利開車至發動機最大工作狀態轉速，墊片密封處未出現漏氣或漏油現象。分解后檢查計量，密封墊片的V形槽高度變化量為0.08mm，未超出重復使用要求。

上述情況表明，本研究中，密封墊片的結構改進有效，計算及試驗結果與設計預期吻合，延長了密封件的使用壽命，密封有效可靠。

參考文獻

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