密封材料力學(xué)性能的研究現(xiàn)狀

山東濰坊工程職業(yè)學(xué)院 杜鵬 謝宗華 聶永濤

密封材料力學(xué)性能的研究現(xiàn)狀

山東濰坊工程職業(yè)學(xué)院 杜鵬 謝宗華 聶永濤

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)功率和扭矩的提升，各結(jié)合面對(duì)密封材料的使用要求越來(lái)越高。評(píng)價(jià)密封材料的性能指標(biāo)主要包括力學(xué)和密封兩部分，本文重點(diǎn)以無(wú)石棉纖維增強(qiáng)密封材料的力學(xué)性能作為研究對(duì)象，介紹該材料的力學(xué)性能研究現(xiàn)狀。

發(fā)動(dòng)機(jī)；密封材料；力學(xué)性能

引言

發(fā)動(dòng)機(jī)不同工作部位密封材料的使用環(huán)境相差較大，使得發(fā)動(dòng)機(jī)密封的材料種類眾多，如純金屬密封、橡膠、纖維增強(qiáng)橡膠以及金屬橡膠復(fù)合材料等。

市場(chǎng)上密封墊片質(zhì)量參差不齊，如何根據(jù)柴油機(jī)工況選擇更加經(jīng)濟(jì)、更加合適的墊片材料就成為我們的當(dāng)務(wù)之急。

1 密封墊片密封特點(diǎn)

墊片一般作用于兩個(gè)分離的法蘭面之間，起到補(bǔ)償螺栓在把緊過(guò)程中引起的結(jié)合面變形的作用。一般來(lái)講，我們?cè)趯?shí)際的使用過(guò)程中要求法蘭面盡可能平整，盡可能厚一些，這樣在使用過(guò)程中法蘭的變形將較小。實(shí)際使用過(guò)程中，由于需要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的使用空間和產(chǎn)品的性價(jià)比，很難使螺栓布置均勻、法蘭厚度最理想化，甚至在一些條件下，法蘭厚度較薄、螺栓布置較不合理，這就需要選擇一款合適的密封材料，彌補(bǔ)安裝過(guò)程中產(chǎn)生的法蘭間隙。

密封材料在選擇過(guò)程中，由于受到材料本身和性能的制約，主要的評(píng)價(jià)指標(biāo)有壓縮回彈率、蠕變松弛率、抗拉強(qiáng)度和密封性能等。如果選用的密封材料厚度較厚，材料的彌補(bǔ)能力將較好，但是相應(yīng)的蠕變松弛率將會(huì)降低（即密封面的螺栓扭矩在使用一段時(shí)間以后衰減較大）。

現(xiàn)階段，大多數(shù)的密封理論研究并沒(méi)有將螺栓—法蘭—墊片看成一個(gè)整體。當(dāng)遇到密封問(wèn)題時(shí)，很多情況下會(huì)將問(wèn)題割裂開(kāi)來(lái)，只找某一方面的原因，如選擇不斷地提高螺栓扭矩，這反而會(huì)導(dǎo)致更大的密封問(wèn)題的出現(xiàn)，甚至引起嚴(yán)重的安全事故。螺栓—法蘭—墊片作為一個(gè)整體的密封系統(tǒng)，使用一段時(shí)間以后螺栓載荷發(fā)生衰減，既有螺栓本身的蠕變?cè)颍灿忻芊獠牧虾头ㄌm的永久變形等方面的原因。

2 密封材料力學(xué)性能研究現(xiàn)狀

無(wú)石棉增強(qiáng)纖維類墊片材料的材料纖維起到了骨架作用，橡膠和填料填充到里面，填料的蠕變較小，密封材料的蠕變主要是由橡膠材料造成的。

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外對(duì)高分子材料的長(zhǎng)期蠕變松弛行為的變化有著比較深入和充分的研究。常見(jiàn)的評(píng)價(jià)模型如Kelvin、Maxwell等，都對(duì)材料蠕變有一定的探討，但更多地局限在線性階段，與實(shí)際材料的性能指標(biāo)還有較大的差距。

目前，密封材料的研究重點(diǎn)主要放在橡膠材料的非線性變化規(guī)律上面，其中Leaderman利用不同的原理分析了增強(qiáng)纖維材料的蠕變規(guī)律，與實(shí)際的蠕變曲線有著較好的擬合度；Schapery等將環(huán)境溫度、時(shí)間等因素考慮進(jìn)去，進(jìn)一步完善了蠕變松弛的變化規(guī)律。華東理工大學(xué)的王科利用不同的蠕變模型對(duì)其研制的PTFE材料的蠕變行為進(jìn)行模擬，獲得了比較準(zhǔn)確的結(jié)果。Basil A.Housari等［1-3］建議在分析螺栓—法蘭—墊片結(jié)構(gòu)的密封理論時(shí)，將螺栓的參數(shù)（硬度、彈性模量等）、法蘭的參數(shù)（厚度、材料、密封面寬度等）和墊片參數(shù)（厚度、寬度和材料）加入模型當(dāng)中，更加準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)殘余載荷隨時(shí)間的變化規(guī)律。

密封系統(tǒng)的蠕變松弛規(guī)律試驗(yàn)方面的研究，過(guò)去主要集中在對(duì)連接件（螺栓和法蘭因素）的研究和模擬，往往忽視了密封墊片對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的蠕變影響。

Smoley等在分析材料的壓縮回彈性能時(shí)，同時(shí)對(duì)墊片的蠕變規(guī)律進(jìn)行了研究，但并沒(méi)有將材料的松弛行為考慮進(jìn)去。近期越來(lái)越多的研究表明，墊片材料的蠕變對(duì)整個(gè)密封系統(tǒng)的影響不僅是不可忽視的，并且是非常重要的。Thorn著重分析了密封墊片的蠕變規(guī)律；Fessler等［4-5］在分析螺栓—法蘭連接過(guò)程中將密封墊片對(duì)系統(tǒng)的影響考慮了進(jìn)去。

蠕變松弛對(duì)整個(gè)密封系統(tǒng)的影響是不可忽視的，現(xiàn)階段越來(lái)越多的研究將重點(diǎn)放到了螺栓—法蘭—墊片的蠕變松弛規(guī)律方面，探討更加可靠的密封連接系統(tǒng)。其中Bazergui［5］通過(guò)研究不同墊片材料在不同時(shí)間段的蠕變松弛變化規(guī)律，得到了墊片材料的變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果顯示，材料的蠕變松弛主要集中在螺栓把緊初期，在密封系統(tǒng)剛把緊的前半小時(shí)內(nèi)蠕變占50%以上。Bazergui等通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，發(fā)現(xiàn)蠕變與蠕變經(jīng)過(guò)的時(shí)間取半對(duì)數(shù)后成線性關(guān)系。

Nassar利用兩種不同墊片材料分析了不同因素（墊片密封寬度、厚度、螺栓初始力矩和法蘭結(jié)構(gòu)等）對(duì)初始固定載荷的影響。

3 總結(jié)

目前，對(duì)無(wú)石棉密封墊片材料的力學(xué)性能研究已經(jīng)取得了一定的成果。下一步研究重點(diǎn)：結(jié)合螺栓和墊片材料的蠕變松弛，對(duì)無(wú)石棉墊片的蠕變松弛現(xiàn)象進(jìn)行試驗(yàn)研究和理論分析，建立合適的蠕變、松弛和蠕變松弛模型。

［1］R.Bailey.Flanged Pipe Jointsfor High Pressure and Temperature-s［R］.Engineering.1937，144：364-365.

［2］J.Martin.Stresses and Deformations in Pipe Flanges Subjected to Creep at High Temperatures ［J］.J.Franklin Inst.1938，226：645-657.

［3］E.Water.Analysis of Bolted Joints at High Temperatures ［S］.ASME.1938，60：83-86.

［4］H.Kraus，W.Rosenkrans.Creep of Bolted Flanged Connections［J］.Welding Research Bulletin No 294.1984.

［5］A.Bazergui.ShortTerm Creep Relaxation Behaviorof Gaskets［J］.Welding Research Council Bulletin.1984，294：9-22.

杜鵬，1984年出生，山東濰坊人，碩士，講師，研究方向：工程機(jī)械的密封技術(shù)。