金属C形环力学性能及密封特性分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)清华大学摩擦学国家重点实验室 作者:贾晓红

  弹簧加强金属C 形环是一种性能优良的静密封元件,为研究结构对C 形环力学性能以及密封面接触特性的影响,建立弹簧加强金属C 形环三维仿真模型,采用有限元方法分析C 形环的压缩回弹特性。仿真结果与压缩回弹实验结果一致,验证了理论模型的正确性。分析C 形环密封面上接触区域和接触压力的变化规律,讨论C 形环结构对密封特性的影响。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为:在相同的载荷下,C 形环卸载时的接触区域比加载时的大,表明在卸载阶段C 形环在更低载荷下即可维持同等密封效果; 螺旋弹簧使C 形环具备良好的回弹性能,能更好地应对使用工况的波动; 银层使法兰与密封环的接触界面实现良好密封,合金层起保护银层和平稳传递接触力的作用。

  金属C形环因其在高温高压下具有优越的密封性能而被广泛应用于核工业、火电、石化、冶金等行业,常见的C 形环截面结构包括两大部分:内部是由丝材绕制而成的螺旋弹簧,作为弹性主体;外部是C 形包覆层,由里层的合金包覆层和外层的软金属包覆层组成,软金属包覆层材料具有良好的延展性,其塑性变形能充分弥补法兰密封面的缺陷,通常采用银或铝等材料。

  目前关于C 形环的研究还较为少见,早期有日本和以色列学者研究了不含螺旋弹簧的金属C 形环的压缩回弹特性以及密封性能,近几年来,有德国学者将螺旋弹簧近似为等效的O 形环,建立C形环的二维轴对称模型,研究了包覆层松弛和蠕变对密封比压的影响;国内有学者将螺旋弹簧近似成一系列紧密并排的O 形圈,讨论了结构对C 形环的压缩回弹特性的影响。

  综上所述,关于弹簧加强的金属C 形环的研究很少,相关的仿真和分析不够完善,关于结构对密封面接触和变形特性影响的研究还处于空白。因此,本文作者针对C 形环的结构特点,建立三维模型,运用有限元方法分析其压缩回弹特性,并与实验结果进行比较;进一步分析密封面上接触区域和接触压力随载荷的变化规律,阐述C 形环的密封机制,讨论结构对C 形环密封特性的影响,为C 形环的选用和优化设计提供理论参考。

1、有限元模型

  以外径尺寸D = 318 mm 的C 形环为算例进行分析,其结构如图1 所示,相关参数如下: 螺旋弹簧的材料为Inconel-X750,匝数N = 507,线径Ds = 1.8mm,合金层的材料为Inconel600,厚度t1 = 0.5 mm,软金属层的材料为银,厚度t2 = 0.3 mm。

C 形环结构示意图

图1 C 形环结构示意图

  C 形环的结构沿周向具有周期性,每半匝弹簧所对应的C 形环片段即构成一个周期,但弹簧的螺旋性导致相邻周期片段之间并不是对称的,如果只取一个周期进行分析,边界条件难以准确模拟。此外,弹簧之间的接触以及材料的非线性给分析带来了很大的困难,之前有学者将螺旋弹簧简化成O 形管或者一匝匝紧密并排的O 形圈,这样会增大结构的刚度和弹簧之间的接触,使分析结果不准确,也无法获得接触压力的真实分布情况。考虑到C 形环结构的周期性,为尽可能减少计算量,本文作者选取三匝弹簧所对应的C 形环片段建模,在周向边界上近似地施加面对称约束,得到计算结果后只选取中间的一段进行分析,以便排除边界效应的影响。

  用刚性平面模拟实验台压缩C 形环所用的厚法兰,有限元几何模型如图2(a) 所示。考虑到金属C形环变形时材料发生塑性流动和塑性强化,采用多线性等向强化材料模型模拟材料的弹塑性。在保证计算精度的前提下划分网格,为减小计算量,选用三维八节点六面体单元模拟包覆层,用三维十节点四面体单元模拟螺旋弹簧,用三维接触单元模拟刚性平面与银层之间、合金层与螺旋弹簧之间、螺旋弹簧内侧之间的接触对,在周期片段的断面处施加面对称约束。有限元网格模型如图2(b) 所示,单元总数168 725,节点总数162 506。

C 形环有限元模型

图2 C 形环有限元模型

  加载时,上、下刚性平面向中心靠近压缩C 形环,模拟预紧的过程;卸载时,上、下刚性平面距离加大,模拟法兰面分离引起的C 形环回弹。

4、结论

  (1) 建立了C 形环的三维真实模型,有限元仿真得到的压缩回弹特性与实验结果非常吻合,该有限元模型可用于预测不同尺寸C 形环的压缩回弹性能。

  (2) 分析了C 形环密封面的接触特性,得到接触区域和接触压力随载荷的变化规律,并详细阐述了C 形环的密封机制,结果表明C 形环具有良好的密封性能。

  (3) 讨论了结构对C 形环密封性能的影响: 螺旋弹簧使C 形环具备良好的回弹性能,能更好地应对使用工况的波动,银层使法兰与密封环的接触界面实现良好密封,合金层起保护银层和平稳传递接触力的作用。

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