波形密封垫片结构优化设计与有限元分析

王立

摘 要：文章对一波形密封垫片进行了优化设计。在不改变安装接口尺寸的前提下，对原有结构形式进行了优化设计，改变了零件材料及垫片厚度，并采用三维数值模拟方法对改进设计和原设计的应力水平进行对比分析，结果表明改进后的设计与改进前相比，垫片被压后回弹效果好，同样的密封效果所需的安装力矩更小。

关键词：密封垫片；优化设计；有限元分析

引言

密封技术被广泛地应用于航空航天、核能发电等高新技术领域，以及石油、化工等国民经济各行业。密封技术虽然不是领先性技术，但往往却是决定性关键技术，它决定了机械设备运行的安全性、可靠性和耐久性。随着密封技术的发展，传统的密封技术不断地改进，新密封技术不断推陈出新，密封发展方向则是零泄漏、高性能、高可靠性以及长寿命化。

1 应用背景

航空发动机外部管路接口处多数采用标准结构的法兰面接头，与对象件之间面对面接触，如图1所示，两面之间需设置密封零件来实现端面密封。现有用于管接头密封的零件通常有两种：一种利用非金属橡胶良好的弹性实现密封，但橡胶制品保质期短、不耐高温、易老化、易损坏，每装配一次都必须更换新件，所以橡胶制品密封件主要用于冷端部件密封；另一种铝金属平垫圈利用产品表面受到挤压时产生的变形来实现密封，铝平垫圈主要用于热端部件密封，但受压变形后回弹性差，无法实现二次使用。文章着重介绍用于发动机热端部件进行端面密封、金属材质的密封垫片，针对现有的铝平垫圈进行改进设计，从多方面给出改进设计前后的对比分析，并对分析结果加以计算验证。

2 原型密封零件简介

原型密封垫片（文中提及的铝平垫圈）目前较多地应用于管接头端面密封，密封效果基本满足使用要求。其结构形式较为简单，结构详情如图2所示，垫片上开有2个安装孔，中间开有1个对接孔，垫片本体上设有环状滚波，且与对接孔同心。环形滚波的截面形状如图3所示。铝平垫圈的材料为5A03，零件厚度为1.5mm，使用过程中的安装力矩为4.8N·m。其密封原理为当密封垫圈在工作过程中，由于预加的装配载荷，密封垫圈上下两个面同时受压，凸起的滚波首先受压变形，与待密封件的接触面紧密贴合，达到密封效果。

3 改进型密封零件结构方案

改进后的结构形式如图4所示，垫片上开有2个安装孔，中间开有1个对接孔，垫片本体上设有环状V型凸槽，且与对接孔同心。环状V型凸槽的截面形状如图5所示。改进后密封垫片的材料为1Cr18Ni9Ti，零件厚度为0.2mm。使用过程中的安装力矩为4.8N·m。其密封原理与原型铝平垫圈的密封原理相同，当密封垫圈在工作过程中，由于预加的装配载荷，密封垫圈上下两个面同时受压，凸起的V形槽首先受压变形，与待密封件的接触面紧密贴合，达到密封效果。考虑到材料本身固有特性，在密封垫两表面增加镀银工序。

4 改进后结构设计分析

改进后的密封垫片相较于原型铝平垫片大致结构形式相近，安装使用时的机械接口尺寸未改变，这确保了改进后密封垫片在安装使用时的继承性。与此同时改进后的密封垫片的结构设计新颖实用，工作过程中受压时与原型密封垫片一样，都是通过垫片上的凸起部分受压变形达到密封效果，但改进后的密封垫片凸起的V型槽受压变形，与待密封件的接触面紧密贴合，形成了一圈无间断带状密封空间，且待密封件与密封垫圈接触时是线接触，故用同样的安装力矩就能将密封垫圈压紧，从而起到较好的密封效果，工作时的安装力矩对密封垫片本身的损害小，可重复使用。故改进后密封垫片能达到良好的密封效果，且节约装配时间。可靠性高、密封效果好。

由于改进后的密封垫片采用不锈钢材料，较原型铝制垫片强度要高，耐磨耐用；拉伸率较低，受压后不容易产生永久变形且容易恢复，同時，其材料介质性好，耐油、耐高低温、工艺性高。 产品使用后体积磨损变化量小，重复使用率高，损耗小，节约了生产成本，提高了使用质量和延长使用寿命。同时，改进后的密封垫片表面镀银层，保护密封垫片本身免受腐蚀，同时防止金属密封垫与上下两端面间材料的咬合，保证了面面接触良好性和密封可靠性。

5 计算验证及结论

根据密封垫片在安装使用过程中的力矩值，密封垫片安装孔处的安装螺栓的拧紧力矩约为4.8N.m。据此计算对应的管接头与机匣之间密封垫片所受的预载为500N，计算采用公式：

式中：φ-螺纹升角；ρ'-螺纹副当量摩擦角；d2-螺纹中径，mm；fc-螺母与被连接件或垫圈接触互压面组合的摩擦系数；D1-螺母支撑面外径，mm；D0-被连接件或垫圈孔直径，mm。

有限元计算分析时按照上式计算所得载荷500N对原型密封垫片和改进后密封垫片加载，采用二十节点六面体单元划分有限元网格，有限元模型见图6。密封垫改进前共分1776个单元，9226个节点，改进后共分390个单元，3114个节点。

对改进前和改进后的模型按500N的载荷予以加载，加载情况如图7所示。

改进前原型密封垫片和改进后密封垫片加载500N时的最大应力区都在凸起滚波根部位置，最大应力值分别为改进前498MPa，改进后174MPa，计算结果参照图8和图9。材料5A03（改进前）的压缩屈服强度为98MPa，材料1Cr18Ni9Ti（改进后）的压缩屈服强度为196MPa。由上述数据得出，改进前铝平垫片工作状态受压后已发生塑性变形，改进后密封垫片工作状态受压后可实现回弹。目前，此改进后的密封垫片已经随某型发动机在试车台进行了验证试验，试验顺利开车至发动机最大工作状态转速，垫片密封处未出现漏气或漏油现象。分解后检查计量，密封垫片的V形槽高度变化量为0.08mm，未超出重复使用要求。

上述情况表明，本研究中，密封垫片的结构改进有效，计算及试验结果与设计预期吻合，延长了密封件的使用寿命，密封有效可靠。

参考文献

[1]胡亚杰，王志强，赵永极.机械密封失效原因分析[J].橡塑技术与装备，2002（8）.

[2]紧固件连接设计手册编写委员会.紧固件连接设计手册[M].国防工业出版社，1999，12.

[3]陈德才，崔德荣.机械密封设计制造与使用[M].北京：机械工业出版社，1986.

[4]中国航空材料手册编委会.中国航空材料手册[M].2001.