無(wú)石棉墊片壓縮回彈性能分析及密封設(shè)計(jì)改進(jìn)

(內(nèi)燃機(jī)可靠性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濰坊 261061；濰柴動(dòng)力股份有限公司，濰坊 261061)

0前言

密封結(jié)構(gòu)的可靠性直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀況[1]。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)密封墊片的研究，主要集中在以氣缸墊為典型的金屬墊片上[2-3]，文獻(xiàn)[4]研究了粗糙表面干接觸氣體靜密封問(wèn)題，文獻(xiàn)[5]建立了金屬O形環(huán)密封結(jié)構(gòu)的泄漏模型，文獻(xiàn)[6]優(yōu)化了發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋墊片壓紋結(jié)構(gòu)和螺栓的預(yù)緊力，文獻(xiàn)[7-9]討論了熱負(fù)荷、摩擦系數(shù)、密封介質(zhì)壓力、螺栓預(yù)緊順序、預(yù)緊力等因素對(duì)氣缸蓋墊片密封的影響。但是對(duì)于無(wú)石棉墊片的研究較少。本文通過(guò)測(cè)試得到無(wú)石棉墊片的壓縮回彈特性曲線，應(yīng)用GASKET單元復(fù)現(xiàn)墊片加載和卸載過(guò)程，并分析壓縮回彈特性曲線參數(shù)對(duì)密封性能的影響。應(yīng)用仿真計(jì)算和試驗(yàn)方法，分析并解決了某發(fā)動(dòng)機(jī)密封漏油問(wèn)題，從而提高了產(chǎn)品的可靠性。

1 墊片密封仿真方法

1.1 GASKET單元模型屬性

有限元分析軟件Abaqus應(yīng)用GASKET單元來(lái)模擬密封墊片的壓縮回彈過(guò)程，可對(duì)墊片密封進(jìn)行仿真分析和評(píng)估。GASKET單元可以處理非線性的彈性和彈塑性問(wèn)題，同時(shí)考慮了結(jié)構(gòu)損傷、熱蠕變效應(yīng)等因素。應(yīng)用GASKET單元需要通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試墊片的加載和卸載數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通常為壓力、力或單位力隨變形量的變化關(guān)系，稱為墊片的壓縮回彈特性曲線，作為仿真分析的輸入數(shù)據(jù)。其中，形變量是彈性變形、塑性變形、蠕變形、熱變形及厚度方向上初始間隙的總和。輸出參數(shù)為平均接觸壓力，用以評(píng)估密封性能。

GASKET單元的非線性彈塑性模型如圖所示1，圖1中箭頭表示載荷的加載和卸載路徑。曲線ABCEM為加載曲線，曲線CD、EF和MN為卸載曲線；B點(diǎn)為墊片的屈服點(diǎn)，可通過(guò)相對(duì)斜率降進(jìn)行判斷，默認(rèn)為10%；B點(diǎn)之前為非線性彈性曲線，加載和卸載將沿著初始加載曲線進(jìn)行；B點(diǎn)之后為非線性塑性曲線，如果卸載發(fā)生在B之后，卸載將沿卸載曲線進(jìn)行，卸載過(guò)程在分析中被定義為完全的彈性過(guò)程。例如曲線CD，D點(diǎn)變形量為卸載曲線的塑性變形量，卸荷后如再次加載，則先沿曲線DC加載直到墊片屈服為止，再沿著曲線CEM繼續(xù)加載，載荷超過(guò)M點(diǎn)，代表墊片被壓碎。

圖1 GASKET單元的非線性彈塑性模型

1.2 壓縮回彈特性曲線測(cè)試

壓縮回彈特性曲線是評(píng)估墊片密封性能的重要數(shù)據(jù)，反映墊片在加載、卸載過(guò)程中載荷與變形量的變化關(guān)系，參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T12622-2008《管法蘭用墊片壓縮率和回彈率試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)施加集中力，控制壓板的上、下移動(dòng)，模擬實(shí)際工作中法蘭對(duì)墊片進(jìn)行加載和卸載的過(guò)程，采集位移和力的數(shù)據(jù)，得到被測(cè)墊片試樣的壓縮回彈特性曲線。

每個(gè)墊片試樣隨機(jī)抽取4個(gè)，墊片壓縮回彈性能測(cè)試具體步驟如下：(1)用丙酮溶劑擦拭壓板和模擬法蘭面，試樣對(duì)中安裝；(2)施加載荷至初始載荷，保持10 s，記錄試樣初始厚度，再將位移傳感器調(diào)零；(3)以0.5 MPa/s加載速度對(duì)試樣施加載荷至總載荷，保持10 s，記錄試樣壓縮量，再以同樣的卸載速度，卸載至初始載荷，保持10 s，記錄試樣未回復(fù)的壓縮量。

典型的無(wú)石棉墊片壓縮回彈特性曲線如圖2所示，包括一條加載曲線和卸載曲線。這里討論的僅是壓縮回彈曲線中最大形變量、最大面壓和回彈量。實(shí)際加載曲線的彈性部分具有局部斜率變化，需要對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化，使彈性部分的斜率下降不超過(guò)10%。

圖2 無(wú)石棉墊片的壓縮回彈特性曲線

2 墊片密封性能參數(shù)仿真分析

2.1 法蘭密封的有限元模型

典型的金屬對(duì)金屬法蘭密封結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化模型如圖3a)所示。模型包括基座、法蘭、螺栓和墊片，采用1/2軸對(duì)稱模型。法蘭內(nèi)徑和外徑分別為45 mm和30 mm，法蘭密封面厚度為5 mm，基座和法蘭材料為HT250，基座和法蘭之間采用無(wú)石棉墊片密封，螺栓等級(jí)為M8/8.8級(jí)。有限元分析中，使用庫(kù)倫摩擦模型，摩擦因子為0.13，接觸關(guān)系為“硬接觸”，并采用有限滑移模型；螺栓預(yù)緊力采用扭矩法控制，約束基座6個(gè)方向自由度，并施加6個(gè)方向沖擊，以模擬發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)載荷。有限元模型中，墊片網(wǎng)格使用GK3D6，賦予墊片壓縮回彈特性屬性；其他零件網(wǎng)格使用四面體。

墊片對(duì)流體的密封作用，主要取決于墊片與法蘭密封面的接觸壓力大小。在一定范圍內(nèi)，接觸壓力越大，密封效果越好。因此，有限元分析中，接觸壓力的大小是評(píng)價(jià)墊片密封的重要指標(biāo)。墊片接觸壓力分布如圖3b)所示。

2.2 壓縮回彈曲線參數(shù)對(duì)接觸壓力的影響

回彈量對(duì)墊片密封的影響如圖4所示。如圖4a)所示，5個(gè)不同的墊片樣件經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試得到壓縮回彈曲線。5組曲線的加載路徑一致，卸載曲線卻依次變化。墊片的最大面壓和最大變形量相同，回彈量依次為0.026 mm、0.060 mm、0.106 mm、0.166 mm和0.186 mm。通過(guò)計(jì)算，得到接觸面上的最小接觸壓力，如圖4b)所示。隨著回彈量的增加，接觸壓力有少許增加，但增大幅度較小。這是因?yàn)榛貜椓恐饕糜谘a(bǔ)償接觸兩側(cè)的變形差，而本例忽略了熱載荷的影響，導(dǎo)致墊片兩側(cè)的法蘭密封面變形差小，因此接觸壓力增大幅度較小[10]。

最大面壓對(duì)墊片密封的影響如圖5所示。由圖5a)可見(jiàn)，5組壓縮回彈曲線的回彈量和最大變形量相同，最大面壓依次為180 MPa、200 MPa、240 MPa、270 MPa和300 MPa。如圖5b)所示，隨著最大面壓的依次增加，最小接觸壓力依次減小。

圖3 法蘭密封結(jié)構(gòu)模型及接觸壓力分布

圖4 回彈量對(duì)墊片密封的影響

最大形變量對(duì)墊片密封的影響如圖6所示。由圖6a)可見(jiàn)，5組壓縮回彈曲線的回彈量和最大面壓相同，最大形變量依次為0.20 mm、0.25 mm、0.30 mm、0.35 mm和0.40 mm。如圖6b)所示，隨著最大形變量的依次增加，最小接觸壓力依次增大。

圖5 最大面壓對(duì)墊片密封的影響

圖6 最大形變量對(duì)墊片密封的影響

通過(guò)建立墊片的3維有限元接觸分析模型，分析了最大變形量、最大面壓和回彈量對(duì)墊片密封性能的影響，并且得到法蘭密封面上的接觸壓力分布和壓縮回彈曲線參數(shù)對(duì)接觸壓力的影響規(guī)律。這可為墊片的設(shè)計(jì)選型和優(yōu)化改進(jìn)提供參考和依據(jù)。

3 某發(fā)動(dòng)機(jī)液壓泵蓋板密封改進(jìn)設(shè)計(jì)

3.1 問(wèn)題描述

某型發(fā)動(dòng)機(jī)試車過(guò)程中，其液壓泵蓋板出現(xiàn)漏油問(wèn)題。液壓泵座材料為HT250，液壓泵蓋板材料為HT200，液壓泵蓋板密封面法蘭厚為8 mm。根據(jù)故障情況進(jìn)行液壓泵蓋板接觸壓力分布仿真計(jì)算，液壓泵內(nèi)油壓較小，仿真計(jì)算中不予考慮。仿真計(jì)算結(jié)果如圖所示7a)所示。以最小接觸壓力2.5 MPa過(guò)濾壓力分布云圖，小于2.5 MPa的區(qū)域顯示為白色。從圖中可以看出，在螺栓孔之間的接觸壓力分布出現(xiàn)間斷，斷帶長(zhǎng)度為約為54 mm，而且存在0壓力區(qū)域，其位置如圖7b)所示。0接觸壓力是因?yàn)樯w板受螺栓預(yù)緊力后出現(xiàn)翹曲變形，當(dāng)蓋板法蘭面的不平度超出墊片的回彈補(bǔ)償能力時(shí)，接觸壓力降為0。

圖7 液壓泵密封結(jié)構(gòu)有限元分析

3.2 面壓試驗(yàn)

對(duì)漏油液壓泵密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行面壓試驗(yàn)(即接觸壓力試驗(yàn))。面壓試驗(yàn)使用感壓紙，施加外力時(shí)，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)呈現(xiàn)出紅色，且顏色隨壓力增加而變深；通過(guò)目測(cè)顏色的深度變化，或者借助壓力圖像分析設(shè)備，可以評(píng)價(jià)接觸壓力。本次試驗(yàn)使用低壓Pressurex膠片。各系列的Pressurex膠片主要類型見(jiàn)表1。

表1 Pressurex膠片主要類型

試驗(yàn)用主要零部件為液壓泵座、蓋板及墊片，如圖8所示。先測(cè)量液壓泵座及蓋板的平面度，平面度<0.2 mm滿足試驗(yàn)要求。按照各密封面的形狀，加工Pressurex膠片。

圖8 液壓泵密封結(jié)構(gòu)面壓試驗(yàn)

試驗(yàn)步驟：清洗與Pressurex膠片接觸的法蘭密封面，將加工好的Pressurex膠片和墊片放在液壓泵座和蓋板之間，按裝配工藝要求進(jìn)行裝配，按擰緊工藝擰緊螺栓。穩(wěn)定3～5 min，待Pressurex膠片變色以后，就得到紅色深淺不同的膠片，如圖9所示。從圖9可以看出，仿真分析得到的面壓分布結(jié)果與面壓試驗(yàn)的基本一致。紅色分布主要分布在螺栓孔周圍，而且顏色較深，在螺栓孔之間的紅色分布較淺，中間的部分區(qū)域幾乎沒(méi)有紅色分布，說(shuō)明該位置的密封面出現(xiàn)分離。

圖9 原結(jié)構(gòu)蓋板密封面面壓試驗(yàn)結(jié)果

3.3 密封的優(yōu)化改進(jìn)

密封性能的優(yōu)化改進(jìn)通常采用的措施包括：使用高性能墊片，更改螺栓布局、增加螺栓數(shù)量、優(yōu)化螺栓擰緊順序、提高螺栓預(yù)緊力、提高密封面的平面度、更改密封結(jié)構(gòu)等。

經(jīng)初步分析可知，液壓泵漏油問(wèn)題是因?yàn)橐簤罕蒙w板的剛度不足，受螺栓預(yù)緊力和沖擊載荷時(shí)，蓋板法蘭面變形量較大，墊片回彈量不能補(bǔ)償密封面兩側(cè)的變形差異，導(dǎo)致密封面之間接觸不良，最終出現(xiàn)了漏油問(wèn)題。

根據(jù)上述分析，為了補(bǔ)償墊片兩側(cè)法蘭密封面的變形差異，應(yīng)選用回彈量較大的密封墊片。但是由于結(jié)構(gòu)限制，同時(shí)考慮改進(jìn)周期和成本，最終決定不更換墊片和螺栓規(guī)格，而通過(guò)改進(jìn)液壓泵蓋結(jié)構(gòu)來(lái)提高其剛度，即增加蓋板密封面法蘭厚度，依次為10 mm、11 mm、12 mm和13 mm，中間銑沉2 mm。此外，液壓泵蓋板材料改用Q235-A，以提高蓋板強(qiáng)度。對(duì)改進(jìn)后的液壓泵蓋重新設(shè)計(jì)3維模型并進(jìn)行仿真計(jì)算。

不同蓋板密封面法蘭厚度下的最小接觸壓力和接觸壓力斷帶情況如表2所示。蓋板密封面法蘭厚度采用10 mm、11 mm、12 mm，其最小接觸壓力均<2.5 MPa，且接觸壓力存在斷帶，密封性能不滿足要求。蓋板密封面法蘭厚度為12 mm，產(chǎn)生的接觸壓力分布不連續(xù)、斷帶長(zhǎng)度約為14 mm，不滿足要求，如圖10a)所示。密封面法蘭厚度為13 mm的液壓泵蓋板，其最小面壓為3.7 MPa，接觸壓力分布連續(xù)、無(wú)間斷，滿足要求。同時(shí)可知，隨著液壓泵蓋板密封面法蘭厚度逐漸增加，最小接觸壓力也逐漸增大，接觸壓力斷帶逐漸減小。因此，通過(guò)增加密封面法蘭厚度的方式來(lái)提高蓋板剛度，對(duì)于解決密封問(wèn)題是有效的。

表2 改進(jìn)前后蓋板密封性能對(duì)比

圖10 改進(jìn)后的液壓泵蓋板接觸壓力分布

試制液壓泵蓋板新結(jié)構(gòu)樣件，液壓泵蓋板采用Q235-A、密封面法蘭厚度13 mm、中間銑沉2 mm，再次進(jìn)行面壓試驗(yàn)，如圖11所示。在整個(gè)液壓泵蓋板密封面上，紅色分布均勻且顏色較深，說(shuō)明蓋板沒(méi)有出現(xiàn)翹曲變形，改進(jìn)結(jié)構(gòu)的密封性能滿足要求。

圖11 蓋板新結(jié)構(gòu)和密封面面壓試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

墊片的壓縮回彈特性曲線是反映其密封性能的重要數(shù)據(jù)。在墊片的設(shè)計(jì)選型和優(yōu)化改進(jìn)中，需要關(guān)注墊片的最大變形量、最大面壓和回彈量。應(yīng)用Abaqus軟件的GASKET單元，可以很好地模擬墊片的加載和卸載過(guò)程及接觸壓力分布，從而可以有效地評(píng)估密封性能。結(jié)合密封仿真計(jì)算和面壓試驗(yàn)，可以很好地分析密封面泄漏問(wèn)題。針對(duì)密封面泄漏問(wèn)題，可通過(guò)改變與密封面相關(guān)的零件材料、結(jié)構(gòu)、螺栓擰緊順序和擰緊力來(lái)提高密封面接觸壓力，改善壓力分布狀態(tài)，最終解決漏油問(wèn)題。