金屬C形環(huán)力學性能及密封特性分析

2014-12-23 賈曉紅清華大學摩擦學國家重點實驗室

　　彈簧加強金屬C 形環(huán)是一種性能優(yōu)良的靜密封元件，為研究結構對C 形環(huán)力學性能以及密封面接觸特性的影響，建立彈簧加強金屬C 形環(huán)三維仿真模型，采用有限元方法分析C 形環(huán)的壓縮回彈特性。仿真結果與壓縮回彈實驗結果一致，驗證了理論模型的正確性。分析C 形環(huán)密封面上接觸區(qū)域和接觸壓力的變化規(guī)律，討論C 形環(huán)結構對密封特性的影響。真空技術網(wǎng)(http://genius-power.com/)認為：在相同的載荷下，C 形環(huán)卸載時的接觸區(qū)域比加載時的大，表明在卸載階段C 形環(huán)在更低載荷下即可維持同等密封效果; 螺旋彈簧使C 形環(huán)具備良好的回彈性能，能更好地應對使用工況的波動; 銀層使法蘭與密封環(huán)的接觸界面實現(xiàn)良好密封，合金層起保護銀層和平穩(wěn)傳遞接觸力的作用。

　　金屬C形環(huán)因其在高溫高壓下具有優(yōu)越的密封性能而被廣泛應用于核工業(yè)、火電、石化、冶金等行業(yè)，常見的C 形環(huán)截面結構包括兩大部分：內(nèi)部是由絲材繞制而成的螺旋彈簧，作為彈性主體；外部是C 形包覆層，由里層的合金包覆層和外層的軟金屬包覆層組成，軟金屬包覆層材料具有良好的延展性，其塑性變形能充分彌補法蘭密封面的缺陷，通常采用銀或鋁等材料。

　　目前關于C 形環(huán)的研究還較為少見，早期有日本和以色列學者研究了不含螺旋彈簧的金屬C 形環(huán)的壓縮回彈特性以及密封性能，近幾年來，有德國學者將螺旋彈簧近似為等效的O 形環(huán)，建立C形環(huán)的二維軸對稱模型，研究了包覆層松弛和蠕變對密封比壓的影響；國內(nèi)有學者將螺旋彈簧近似成一系列緊密并排的O 形圈，討論了結構對C 形環(huán)的壓縮回彈特性的影響。

　　綜上所述，關于彈簧加強的金屬C 形環(huán)的研究很少，相關的仿真和分析不夠完善，關于結構對密封面接觸和變形特性影響的研究還處于空白。因此，本文作者針對C 形環(huán)的結構特點，建立三維模型，運用有限元方法分析其壓縮回彈特性，并與實驗結果進行比較；進一步分析密封面上接觸區(qū)域和接觸壓力隨載荷的變化規(guī)律，闡述C 形環(huán)的密封機制，討論結構對C 形環(huán)密封特性的影響，為C 形環(huán)的選用和優(yōu)化設計提供理論參考。

1、有限元模型

　　以外徑尺寸D = 318 mm 的C 形環(huán)為算例進行分析，其結構如圖1 所示，相關參數(shù)如下: 螺旋彈簧的材料為Inconel-X750，匝數(shù)N = 507，線徑Ds = 1.8mm，合金層的材料為Inconel600，厚度t1 = 0.5 mm，軟金屬層的材料為銀，厚度t2 = 0.3 mm。

C 形環(huán)結構示意圖

圖1 C 形環(huán)結構示意圖

　　C 形環(huán)的結構沿周向具有周期性，每半匝彈簧所對應的C 形環(huán)片段即構成一個周期，但彈簧的螺旋性導致相鄰周期片段之間并不是對稱的，如果只取一個周期進行分析，邊界條件難以準確模擬。此外，彈簧之間的接觸以及材料的非線性給分析帶來了很大的困難，之前有學者將螺旋彈簧簡化成O 形管或者一匝匝緊密并排的O 形圈，這樣會增大結構的剛度和彈簧之間的接觸，使分析結果不準確，也無法獲得接觸壓力的真實分布情況�？紤]到C 形環(huán)結構的周期性，為盡可能減少計算量，本文作者選取三匝彈簧所對應的C 形環(huán)片段建模，在周向邊界上近似地施加面對稱約束，得到計算結果后只選取中間的一段進行分析，以便排除邊界效應的影響。

　　用剛性平面模擬實驗臺壓縮C 形環(huán)所用的厚法蘭，有限元幾何模型如圖2(a) 所示。考慮到金屬C形環(huán)變形時材料發(fā)生塑性流動和塑性強化，采用多線性等向強化材料模型模擬材料的彈塑性。在保證計算精度的前提下劃分網(wǎng)格，為減小計算量，選用三維八節(jié)點六面體單元模擬包覆層，用三維十節(jié)點四面體單元模擬螺旋彈簧，用三維接觸單元模擬剛性平面與銀層之間、合金層與螺旋彈簧之間、螺旋彈簧內(nèi)側之間的接觸對，在周期片段的斷面處施加面對稱約束。有限元網(wǎng)格模型如圖2(b) 所示，單元總數(shù)168 725，節(jié)點總數(shù)162 506。

C 形環(huán)有限元模型