密封材料力学性能的研究现状

山东潍坊工程职业学院 杜鹏 谢宗华 聂永涛

密封材料力学性能的研究现状

山东潍坊工程职业学院 杜鹏 谢宗华 聂永涛

随着发动机功率和扭矩的提升，各结合面对密封材料的使用要求越来越高。评价密封材料的性能指标主要包括力学和密封两部分，本文重点以无石棉纤维增强密封材料的力学性能作为研究对象，介绍该材料的力学性能研究现状。

发动机；密封材料；力学性能

引言

发动机不同工作部位密封材料的使用环境相差较大，使得发动机密封的材料种类众多，如纯金属密封、橡胶、纤维增强橡胶以及金属橡胶复合材料等。

市场上密封垫片质量参差不齐，如何根据柴油机工况选择更加经济、更加合适的垫片材料就成为我们的当务之急。

1 密封垫片密封特点

垫片一般作用于两个分离的法兰面之间，起到补偿螺栓在把紧过程中引起的结合面变形的作用。一般来讲，我们在实际的使用过程中要求法兰面尽可能平整，尽可能厚一些，这样在使用过程中法兰的变形将较小。实际使用过程中，由于需要考虑发动机的使用空间和产品的性价比，很难使螺栓布置均匀、法兰厚度最理想化，甚至在一些条件下，法兰厚度较薄、螺栓布置较不合理，这就需要选择一款合适的密封材料，弥补安装过程中产生的法兰间隙。

密封材料在选择过程中，由于受到材料本身和性能的制约，主要的评价指标有压缩回弹率、蠕变松弛率、抗拉强度和密封性能等。如果选用的密封材料厚度较厚，材料的弥补能力将较好，但是相应的蠕变松弛率将会降低（即密封面的螺栓扭矩在使用一段时间以后衰减较大）。

现阶段，大多数的密封理论研究并没有将螺栓—法兰—垫片看成一个整体。当遇到密封问题时，很多情况下会将问题割裂开来，只找某一方面的原因，如选择不断地提高螺栓扭矩，这反而会导致更大的密封问题的出现，甚至引起严重的安全事故。螺栓—法兰—垫片作为一个整体的密封系统，使用一段时间以后螺栓载荷发生衰减，既有螺栓本身的蠕变原因，也有密封材料和法兰的永久变形等方面的原因。

2 密封材料力学性能研究现状

无石棉增强纤维类垫片材料的材料纤维起到了骨架作用，橡胶和填料填充到里面，填料的蠕变较小，密封材料的蠕变主要是由橡胶材料造成的。

现阶段，国内外对高分子材料的长期蠕变松弛行为的变化有着比较深入和充分的研究。常见的评价模型如Kelvin、Maxwell等，都对材料蠕变有一定的探讨，但更多地局限在线性阶段，与实际材料的性能指标还有较大的差距。

目前，密封材料的研究重点主要放在橡胶材料的非线性变化规律上面，其中Leaderman利用不同的原理分析了增强纤维材料的蠕变规律，与实际的蠕变曲线有着较好的拟合度；Schapery等将环境温度、时间等因素考虑进去，进一步完善了蠕变松弛的变化规律。华东理工大学的王科利用不同的蠕变模型对其研制的PTFE材料的蠕变行为进行模拟，获得了比较准确的结果。Basil A.Housari等［1-3］建议在分析螺栓—法兰—垫片结构的密封理论时，将螺栓的参数（硬度、弹性模量等）、法兰的参数（厚度、材料、密封面宽度等）和垫片参数（厚度、宽度和材料）加入模型当中，更加准确地预测残余载荷随时间的变化规律。

密封系统的蠕变松弛规律试验方面的研究，过去主要集中在对连接件（螺栓和法兰因素）的研究和模拟，往往忽视了密封垫片对整个系统的蠕变影响。

Smoley等在分析材料的压缩回弹性能时，同时对垫片的蠕变规律进行了研究，但并没有将材料的松弛行为考虑进去。近期越来越多的研究表明，垫片材料的蠕变对整个密封系统的影响不仅是不可忽视的，并且是非常重要的。Thorn着重分析了密封垫片的蠕变规律；Fessler等［4-5］在分析螺栓—法兰连接过程中将密封垫片对系统的影响考虑了进去。

蠕变松弛对整个密封系统的影响是不可忽视的，现阶段越来越多的研究将重点放到了螺栓—法兰—垫片的蠕变松弛规律方面，探讨更加可靠的密封连接系统。其中Bazergui［5］通过研究不同垫片材料在不同时间段的蠕变松弛变化规律，得到了垫片材料的变化规律。试验结果显示，材料的蠕变松弛主要集中在螺栓把紧初期，在密封系统刚把紧的前半小时内蠕变占50%以上。Bazergui等通过对试验数据进行拟合分析，发现蠕变与蠕变经过的时间取半对数后成线性关系。

Nassar利用两种不同垫片材料分析了不同因素（垫片密封宽度、厚度、螺栓初始力矩和法兰结构等）对初始固定载荷的影响。

3 总结

目前，对无石棉密封垫片材料的力学性能研究已经取得了一定的成果。下一步研究重点：结合螺栓和垫片材料的蠕变松弛，对无石棉垫片的蠕变松弛现象进行试验研究和理论分析，建立合适的蠕变、松弛和蠕变松弛模型。

［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.

杜鹏，1984年出生，山东潍坊人，硕士，讲师，研究方向：工程机械的密封技术。