锥面管接头界面密封性能研究*

2021-07-23杨卓然张亮亮孙明艳周英平黄姝珂

润滑与密封 2021年7期

杨卓然张亮亮孙明艳周英平黄姝珂蒋晗

(1. 西南交通大学力学与工程学院四川成都 610031;2.中国工程物理研究院机械制造工艺研究所四川绵阳 621900;3.绵阳第一军事代表室四川绵阳 621900)

密封的可靠性对整体结构服役的安全性有着决定性的作用。锥面密封是工程机械流体系统的常用密封形式，具有结构小巧、易加工等特点，在航空航天、国防工程有非常广泛的运用[1-3]。其密封原理是通过密封件与被密封件之间的相互挤压形成密封面，以阻止气液外溢。常见的锥面密封形式有堵头和管接头2种形式。在实际运用中发现，锥面堵头系统的密封性能往往强于锥面管接头密封性能，表现出更为均匀规整的密封圈，密封性能更为稳定(见图1)。为了满足日益复杂的气液密性性能的要求，提升锥面密封整体系统潜在的可靠性和安全性是非常重要的工程问题。

图1 锥面密封系统垫片密封圈

锥面密封系统由套筒、密封构件(压头)、垫片和被密封构件(堵头、管接头)组成(如图2所示为管接头密封系统)。通过在套筒外部施加扭矩,对锥面密封系统提供预紧力。密封的机制是在预紧力作用下，垫片受到挤压产生塑性流动，与密封构件完全接触形成有效的密封环。研究表明，锥形接头的结构参数对系统的密封性能影响明显，可通过控制配合内锥角差、锥面形状等途径来优化系统密封性能[4-7]。传统的“硬-硬”接触密封结构系统在服役过程中会出现构件的塑性变形、表面损伤等现象，降低密封系统整体在长期多次使用情况下的可靠性和安全性。在密封件与被密封件之间加入较软的垫片(如铜垫)所形成的“硬-软-硬”密封系统，通过垫片的塑性变形产生了具有一定接触面宽和接触比压的密封环，可在较好地满足密封可靠性的同时，保护密封构件的表面完整性[8-10]。智友海等[11]采用有限元的方法分析出不同荷载形式管接头处的应力分布，证明垫片可以提升密封系统的连接能力。闵冬翌[1]通过有限元模拟的方法探究了配合内锥角差对预紧力、最大等效应力和接触面宽的影响，针对其结构工艺选取了合适的工艺参数。

图2 管接头密封系统

为提升管接头的密封性能并探究其结构影响机制，本文作者基于工程实际问题，建立锥面密封系统的有限元数值模型。以堵头为研究对象，探究决定锥面系统密封性能的主要因素；对比分析堵头和管接头密封性能的差异，并探讨结构参数对管接头锥面系统密封性能的影响。

1 锥面密封系统的研究方法

1.1 锥面密封性能评判指标

锥面密封的可靠性主要由垫片与密封构件的接触面宽和压力共同决定，可通过垫片的塑性流动程度以及与密封构件之间的接触压力来进行定性半定量表征[12]。基于Buchter实验结果，为了满足密封可靠性需要，密封面上接触压力至少达到较软材料(垫片)屈服强度的2倍[13]。因此，针对文中的锥面密封系统，选取接触面宽大于0.5 mm[1]及接触应力大于400 MPa作为密封性能的基准评判要求。其中压头的内锥角为60°，铜垫片厚度为0.5 mm，高度为3 mm，堵头和标准管接头的结构参数如表1所示，与密封性能相关的结构参数如表2所示。

表1 堵头和标准管接头工艺参数

表2 密封性能相关的结构参数

1.2 堵头和管接头有限元模型

考虑软质铜垫的局部大变形和复杂的接触状态，采用Abaqus/Explicit模块开展锥面密封性能的数值分析。由于影响因素众多，为提升计算研究效率，建立锥面密封轴对称模型对其密封性能进行研究(如图3所示)。为确保计算准确性，对密封构件的接触区域和铜垫片进行网格细化，单元类型为CAX4R。堵头和管接头下端约束，在压头上方施加相应的预紧力。

图3 锥面密封有限元网格模型

由于密封系统中钢和镍钛合金的强度远大于无氧铜，钢和镍钛合金采用线弹性模型，无氧铜采用理想弹塑性模型进行描述。材料参数如表3所示。

表3 材料参数

1.3 外荷载计算

在实际应用中，密封系统中的预紧力是由外加载扭矩通过螺纹施加，外加载扭矩与预紧力存在对应的关系。如图4所示，扭矩作用分为螺纹之间的摩擦阻力矩T1和螺母与支撑面之间的摩擦力矩T2[14]。其中，

图4 预紧力和外扭矩示意

(1)

其中，ft=Ftan(ψ+ρv)为有效摩擦力，可进一步将公式(1)化为

(2)

式中：Di为螺纹内直径；F为预紧力;ψ和ρv为螺纹系数。

螺母与支撑面之间的摩擦力矩可写为

(3)

式中：Do为螺纹外直径；μ为摩擦因数。

若将螺纹外直径和内直径简化为同一直径大小Deff，则总扭矩为

T=T1+T2=ktFDeff

(4)

式中：kt为摩擦相关系数。因此外加载扭矩与预紧力关系如表4所示。

表4 预紧力和外扭矩关系

2 结果与讨论

2.1 堵头与管接头的密封性能对比

如前所述，决定锥面密封系统的主要影响因素为接触面宽和接触应力。且对于“硬-软-硬”系统，较软铜垫片的塑性变形能较好地描述系统整体的密封程度，因此重点探究铜垫片的塑性变形程度和密封构件之间的接触应力分布情况。为探究决定密封系统性能的主要因素，以堵头为例，对密封后的铜垫片进行分析。如图5所示为堵头系统密封状态下的铜垫片等效塑性变形情况。可以看出，在预紧力作用下，铜垫片主要存在三处明显的塑性变形区。其中，塑性区1在倒角处形成了接触面宽较小的区域，而塑性区2和3由于接触更为充分，在摩擦力和挤压的作用下接触面宽较大。对于整体密封系统，这三处的接触应力大小和接触面宽是决定密封性能的主要因素。在实际工程应用中，塑性区1由于受倒角影响其接触面宽过小，而密封系统的保障主要来源于塑性区2、3处提供的接触应力。

图5 铜垫片等效塑性应变云图

图6所示为堵头和管接头的法向预紧力与位移之间的关系曲线。可明显看出，堵头系统刚度更大，在相同预紧力作用下具有更好的稳定性。对于堵头与管接头这2种密封系统，当铜垫片的塑性区充分连接时，宏观载荷发生改变，此时铜垫片的塑性流动更为明显，密封构件和铜垫片接触更加充分，系统的密封性能明显提升。

图6 堵头和管接头的力位移曲线

图7所示为堵头和管接头系统中铜垫片的等效塑性应变随预紧力增大的响应。可知，由于受到摩擦力和预紧力的共同作用，铜垫片中存在三处非对称的塑性变形区;随着荷载增加，塑性变形区稳定扩展并最终相互连接，铜垫片明显的塑性流动使得密封件充分接触，保证了密封结构的可靠性。管接头相较于堵头具有更小的接触面积和更小的倒角半径，在相同的预紧力作用下，倒角处的接触应力明显大于堵头，铜垫片塑性变形更明显，能提升局部的密封性能。

图7 不同预紧力下等效塑性应变分布

图8所示为堵头和管接头密封系统中接触状态随预紧力增大的响应结果。接触应力分布在2个接触面上，均满足安全设计值(>0.5 mm)，且堵头相对于管接头接触面宽更大。随着预紧力的增加，铜垫与密封构件的接触更加充分，密封接触状态更加安全。

图8 接触状态分析

综上所述，在密封系统中铜垫片上形成了三处明显的塑性区，该处的接触面宽和接触应力决定了密封系统密封性能。随着预紧力的增加，堵头和管接头密封系统构件间的接触更为充分，都能产生更大的接触压力。对比管接头和堵头的数值模拟结果。管接头由于锥面较小，在局部的接触应力数值较大，但整体的满足接触应力大于400 MPa的接触面宽小于堵头，且堵头由于刚度较高，具有更好的密封稳定性，因此在实际密封过程中堵头密封性能更佳。

2.2 管接头结构参数分析

虽然预紧力越大密封性能越好，但是较大的预紧力会损伤螺纹并增加拆卸难度。因此在一定的预紧力作用下，通过调整结构参数来提升密封性能是非常必要的。文中选用配合内锥角差、倒角半径和接触面积作为主要影响结构参数，加载工况采用最小的15 N·m外扭矩，研究管接头结构参数对锥面密封性能的影响。

2.2.1 倒角半径的影响

图9所示为倒角半径为0.1和0.5 mm时管接头密封的等效塑性应变和接触应力的分布。可知，减小倒角半径能使倒角处的局部接触应力和塑性变形增大。但锥面系统整体密封性能不足以达到需求，减小倒角虽能部分提升端部密封接触应力，但提升的接触面宽较小，仍难以保证锥面整体长期使用的可靠性。

图9 倒角半径对管接头密封性能影响

2.2.2 配合内锥角差的影响

图10所示为不同配合内锥角差对管接头密封等效塑性应变和接触状态的影响。从等效塑性应变图中可以看到，增大配合内锥角差可在倒角处产生进一步的局部塑性变形，保证倒角处充分接触，从而一定程度上提升密封性能。配合内锥角差继续增大，倒角处的作用进一步增强，反而会导致塑性区2、3的接触面宽的下降，从而造成整体密封性能降低[6]。

图10 配合内锥角差对密封性能的影响

2.2.3 接触面积的影响

图11所示为接触面积对等效塑性应变和接触应力的影响。由于预紧力保持不变，减小接触面积能明显增加接触面上的名义压力，铜垫片会形成剧烈的塑性变形，管接头锥面充分密封且接触应力也有较大的提升。虽然接触面积减小了，但能提升有效的接触面宽，相较于减小倒角和增大配合内锥角差，适当地减小接触面积是提升密封性能最有效的方法。

图11 接触面积对密封性能的影响

2.3 实验结果验证

为探究减小接触面积能有效提升锥面管接头密封性能这一结果，开展对不同接触面积的锥面密封系统的气密性测量以及对其装配后的铜垫片进行实验观察。如表5所示为不同接触面宽下的气密性数值，为了便于实验，通过调整高度实现减小接触面积，其中铜片高度越小接触面积越小。结果显示,减小接触面积可有效提升气密性，且其提升程度呈量级式的增长。如图12所示为装配后的铜垫片的显微观察图片，可知随着接触面积减小，倒角处形成明显的闭环，使得倒角处的密封性能明显增加。由于接触面积的减小提升了密封圈的接触应力，其铜垫片上的压痕在密封圈处表现更为规整紧实，能有效阻止气体的穿透。因此，减小接触面积能有效地提升锥面管接头的密封性能。