石墨填料環的力學和密封性能分析

常紅　閆迎亮

摘 ? 要：本文試驗了不同密度的石墨烯填料環的壓縮回彈性能以及軸向力傳遞的特性，將石墨填料環的側壓系數通過有限元數值模擬進行研究，并將不同密度的雙層石墨填料環的密封特性通過試驗進行研究。由試驗可知：石墨填料環的密度增加壓縮率變小、回彈率會紙增大;加載軸向力增加石墨填料環側壓系數也會隨之增加，側壓系數受密度影響較小;石墨填料環的密度增大，軸向力的傳遞率也會增大;40MPa下的不同密度雙層石墨填料環都低于設定值，泄漏率受密度很大程度的影響。

關鍵詞：石墨填料環 ?力學 ?密封性能

中圖分類號：TH136 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：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、石油化工、航空航天等領域得到了廣泛的領域。所謂的填料密封就是通過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生徑向的膨脹，以此來實現足夠的徑向壓力出現在填料環與軸、填料函表面，從而是流體泄漏受到阻礙的一種密封形式。密封結構的密封性能很大程度上受到石墨填料環的力學特性影響，而目前我國關于軸向力傳遞以及側壓系數的測試方法在柔性石墨填料環的試驗標準中并沒有表明。因此，本文通過試驗探究出不同密度下石墨填料環的軸向力傳遞特性以及壓縮回彈性，并在最后試驗了是雙層石墨填料環的泄漏率。

1 ?試驗設計

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

1.1 力學性能試驗裝置

通過靜態電阻應變儀計算機相連接對石墨填料環力學性能進行測試，該裝置可以完成三項試驗，分別為壓縮回彈性能試驗、軸向壓力傳遞特性試驗、側壓系數試驗[1]。該裝置有應變測量系統、石墨填料環安裝系統與軸向載荷施加壓力機組成。軸向加載時下套筒變量通過在進行填料環軸向力傳遞性能測試時下套筒上設置的軸向應變片獲取，同時為了能夠得到填料在軸向加載是所受的側壓力，以此實現側壓系數的計算，將應變片設置在填料壓縮后的高度處、內筒內壁以及外筒外壁處。

1.2 密封性試驗裝置

通過計算機、壓力機、氦質譜檢漏儀實現對于石墨填料環密封性能的測驗[2]。檢漏系統、氦氣供給力、石墨填料環安裝系統與軸向載荷施加壓力機是該裝置的主要構成部分。

2 ?確定側壓系數

2.1 混合標定

介于側壓力無法通過填料與筒壁的接觸面軸向應變片直接測量，因此還需要通過有限元計算與試驗相結合的混合定標方法來講側壓系數確定，并且將單層石墨填料環的側壓系數沿填料厚度的方向假設為一致的情況[3]。隨后通過試驗，軸向壓力逐級的施加，統計每一軸向壓力下測量對應墊圈位置的外筒外壁與內筒內壁上的應變均值，將軸向壓力以及軸向應變的關系曲線圖繪制出來。預設壓力為7.6MPa，實驗目標值是50MPa，0.5MPa每秒的加載以及卸載速度，并且1min以此的壓力逐級增長。記錄外筒外壁以及內筒內壁專注點的軸向應變值，實現加載軸向壓力與外向壓力應變兩者之間的具體關聯。

隨后，通過有限元分析并通過力學性能試驗裝置進行分析，由于荷載與結構的對稱性，因此利用有限元然軟件ANSYS將軸對稱二維有限元模型建立。底座、外筒與內筒共同構建出而未有限元模型。開始對模型地面施加固定的壓力，并將不同的側向壓力對經過壓縮后單層石墨填料的相對應高度進行施加，并提取出相對應的周向應變值，分析出周向應變與側向壓力的關系。最后以周向應變值為中間量，計算出側向壓力與軸向壓力的關系曲線，就可以將各軸向壓力下對應的側壓系數得出。

2.2 試驗結果

通過實驗可以得出，在密度為1.44g/cm3的單層石墨填料環內筒內壁以及外筒外壁的周向應變力隨著周向軸向壓力的增長而增長;在1.44g/cm3的單層石墨填料環的內筒內壁以及外筒外壁的周向應變力隨著側向壓力的增加而增加。由以上內筒內壁以及外筒外壁的周向應變力與軸向壓力、側向壓力通過側壓系數等于軸向壓力除以側向壓力可以算出側壓系數。經計算可以得出，內筒內壁的軸向壓力增加，側壓系數也會隨著增加，但是軸向壓力不斷增加側壓系數的增長速度會越來越慢。1.33g/cm3與1.58g/cm3下從單層石墨填料環的側壓系數同樣可以通過以上這種方式計算得出。經過對比我們可知，不同密度下的石墨填料環的內外同側壓系數都會隨著軸向壓力的增加而增加，但是也同樣會隨著軸向壓力的增加而增長速率會慢慢變緩。當處在30MPa的軸向壓力時，各個密度下的石墨填料環有非常接近的側壓系數值;而在40MPa的軸向壓力下，石墨填料環的側壓系數值會在0.79～0.89之間。

3 ?軸向力傳遞特性

3.1 設計實驗

對不設置石墨填料換的力學裝置進行軸向力直接施加，得出標定曲線;隨后對設置石墨填料環的力學裝置施加軸向力得出標定曲線，并比對兩者之間的關系可以得出石墨填料環的軸向力傳遞特性[4]。試驗時設置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，將中間變量設置為以下套筒軸向應變力，可以將試驗機加載軸向力與下套筒上的軸向力關系得出，以此來計算出軸向力傳遞率的大小。

3.2 實驗結果

由以上實驗我們可以得出下套筒的軸向力增加，而軸向應變力也隨著增加，用一次函數進行線性化擬合可以得到下套筒的軸向應變力。而通過力學試驗裝置設置單層石墨填料環地進行軸向力施加可以得知加載軸向力增加，周向應變力也會隨著增加。由中間量下套筒首相應變歷可以通過計算的出試驗機的加載軸向力以及軸向力傳遞率。

由上述試驗計算我們可以知道，在不同密度下的石墨填料環的加載軸向力增加，軸向傳遞率也會隨著減小，導致對個現象的主要原因就是側向壓力會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。石墨填料環的密度增加軸向傳遞率的會隨之增加，各個密度之間的石墨填料環中更好的軸向力傳遞特性是1.58g/cm3下的石墨填料環。

4 ?實驗結論

首先，加載軸向力增加都會導致內筒內壁以及外筒外壁的側壓系數增加，但是增加速率都會隨著加載系數的增加而減弱;當處在大于30MPa的軸向壓力時，會呈現出趨于穩定的側壓系數，并且側壓系數不太受密度的影響;而當處于40MPa的目標軸向壓力是，會出現0.79～0.89之間的側壓系數值。

其次，石墨填料環的軸向力傳遞率會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的密度增加，軸向力傳遞率也會增加，所以，石墨填料環中各個密度下的軸向力傳遞特性中，1.58g/cm3的密度石墨填料環最好。

最后，通過以上的試驗可以分析出，各個密度下的石墨填料環在40MPa的目標軸向壓力下，就有很好的防泄漏性能，以此可見，泄漏率并不受密度的影響。

5 ?結語

本文通過對石墨填料環進行實際實驗，分析出各個密度下石墨填料環側壓系數、加載軸向力、軸向傳遞率以及軸向荷載之間的關系，分析出，石墨填料環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

[1] 肖光凱，章蘭珠， 王夫清，等. 石墨填料環力學和密封性能試驗研究[J]. 潤滑與密封， 2016， 41（11）：10-14.

[2] 朱維兵， 晏靜江， 王和順. 流體靜壓機械密封動力學性能分析[J]. 機械設計與制造， 2017（4）：131-135.

[3] 卡壓式海底管道連接器臨界密封條件力學分析及密封性能優化[D]. 哈爾濱工程大學， 2017.

[4] 涂霆， 何立東， 李寬，等. 渦輪泵密封動力學特性和封嚴性能的分析與優化[J]. 中國科技論文， 2016， 11（22）：53-59.