波齿复合垫片骨架结构及压缩回弹性能的研究

刘 华，任建民

（辽宁石油化工大学机械学院， 辽宁 抚顺 113001）

波齿复合垫片骨架结构及压缩回弹性能的研究

刘 华，任建民

（辽宁石油化工大学机械学院， 辽宁 抚顺 113001）

通过有限元分析和模拟，在不同的骨架结构参数下，对波齿复合垫片的压缩回弹性能进行测试。从而得到不同状态下的应力分布、压缩回弹性能和结构参数的关系，进而用于优化波齿复合垫片的结构性能。分析结果表明：在相同波深的条件下，随着波齿距的增大，压缩率相应增大，而回弹率却相应减小。

结构参数； 压缩回弹性能； 有限元分析

波齿复合垫片是通过模压、滚压或车削等工艺在密封表面上加工出同心的波形圈，密封面上粘贴柔性石墨，构成组合式静密封垫片。柔性石墨波齿复合垫片有垫片压缩回弹性好，热传导好等优点。多应用于高温、高压及易腐蚀的场合，如换热器、阀门、管道等法兰联接的密封件。波齿复合垫片在一般应用场合可再生使用，相当经济有效。

波齿复合垫片是线接触静密封垫片，其金属骨架提供机械支撑，根据采用的垫片型式、金属厚度、波齿距及波深决定其压缩回弹性能。在波齿垫片金属骨架表面粘贴石墨层，适用于不太平整的密封面。

压缩率和回弹率是测试波齿复合垫片性能的重要指标。压缩率代表垫片的承载能力，回弹率则代表垫片的回弹能力，波齿复合垫片的压缩回弹性能对垫片的密封性能有很大的影响，主要体现在垫片对载荷波动情况下的补偿适应能力，因此就要求垫片既要具有一定的压缩率，更要保证有一定的回弹率[1]。同时对垫片性能起决定作用的金属骨架结构，绝大多数厂家仅凭经验生产，缺乏科学的理论分析，致使垫片性能差异很大，安全可靠性得不到保证。因此，合理设计骨架的结构是非常必要的[2]。

1 基本结构和密封特点

1.1 基本结构

波齿复合垫片的结构型式分为基本型、带定位环型和带定位耳型[3]。波齿复合垫片的基本型结构如图1所示，基本参数包括垫片厚度T、波深h、齿距P、金属骨架厚度t、外径D3及内径D2等。本文主要研究骨架圆弧半径、波齿距、及齿数对波齿复合垫片性能的影响。

图1 波齿复合垫片结构Fig.1 Structure of corrugated composite gasket

1.2 密封特点

石墨波齿复合垫片金属骨架具有良好的弹性,使用时螺栓法兰上紧,将石墨材料压人沟槽,金属骨架上下表面的环形波峰与法兰紧密接触。当法兰被进一步压紧时金属骨架产生弹性变形,并使膨胀石墨受到压缩,被封闭在金属骨架与法兰面之间形成的环形密闭空间里。这样,整个复合垫片就产生了多道金属密封和膨胀石墨材料的双重密封[4]。

2 波齿复合垫片的性能研究

2.1 模型计算

本文中用于模拟计算的波齿复合垫片的规格为Ø120.5 mm × Ø88.5 mm×3.0 mm (符合GB/ T 19066.1-2008)，即垫片的内径D2=88.5 mm，外径D3=120.5 mm，厚度T = 3.0 mm。

2.1.1 模型的建立

波齿复合垫片的几何结构和载荷均有轴对称性，建立二维轴对称模型。金属骨架采用奥氏体不锈钢1Cr18Ni9T，弹性模量2.06el1，泊松比为 0.3。柔性石墨的弹塑性数据由文献查找得到[5]。

垫片应用平面应力分析单元类型plane182。考虑到金属骨架和石墨层的接触情况，在金属骨架和石墨层之间设置两个面-面接触对。网格划分使用四边形单元，自由化网格划分技术。假设上下法兰为刚性平板，限制垫片两端x轴方向的移动，并延y轴方向固定其上表面，下表面施加轴向载荷45 MPa[6]。通过施加若干载荷步来模拟垫片的加载和卸载过程。

2.1.2 骨架结构

本文将主要研究波深分别为0.5 mm和1 mm时，波齿复合垫片性能与结构参数的关系（表1，2）。

表2 1 mm波深骨架结构参数Table 2 Structure parameters of 1 mm depth of tooth

2.1.3 压缩率与回弹率的计算

压缩性指初始压缩后垫片厚度的改变量,表征了垫片柔软性的大小。回弹性指卸载后垫片厚度的回复量，表征对密封面分离后的补偿能力。垫片的压缩率和回弹率可分别按照公式(1)和公式(2)进行计算[7]。

（1）压缩率

式中:0δ为垫片在总载荷下的压缩量,mm; t为垫片的厚度,mm。

（2）回弹率

式中:0δ为垫片在总载荷下的压缩量,mm;1δ为垫片在卸载后的压缩量,mm; t0为垫片的初始厚度,mm。

2.2 计算结果与处理

根据有限元模型计算出波齿复合垫片在施加压缩载荷为45 MPa,加载、卸载速度为0.5 MPa/s时的压缩回弹曲线，如图3、图4。图中SG为垫片压紧应力，MPa;DG为垫片压缩量,即沿垫片压紧应力SG方向的变化量,mm。图2为1号垫片的Mises应力分布。

图2 1#垫片Mises应力分布Fig.2 Mises stress distribution of the gasket 1

图3 0.5 mm波深垫片压缩回弹特性曲线Fig.3 Compressibility and resilience curve of 0.5 mm depth of tooth

图4 1 mm波深垫片压缩回弹特性曲线Fig.4 Compressibility and resilience curve of 1 mm depth of tooth

表1 0.5 mm波深骨架结构参数Table 1 Structure parameters of 0.5 mm depth of tooth

从图3和图4可以看出, 波齿复合垫压缩回弹曲线具有非线性和非保守性特征。垫片的弹性和塑性变形量均随垫片应力的增大而增大, 其压缩和回弹时的弹性模量不同。不同结构参数下的垫片压缩回弹曲线形状较为相似。垫片卸载过程中的变形量小于加载过程的变形量, 这与大多数垫片的压缩回弹特性类似[8]。

通过模拟收集重要数据，包括加载后DG的最大值，即0δ；卸载完成后的压缩量1δ。结合上文中公式(1)和公式(2)计算出垫片的压缩量，回弹量，压缩率和回弹率，如表3所示。

3 结果分析与讨论

（1） 当波深h相同时，随着波齿距P和圆弧半径R的增大，压缩率逐步增大，回弹率却逐步减小。当垫片有较大的波齿距和圆弧半径时，有较好的压缩率，此时垫片柔性增大,塑性变形增加,回弹能力弱。

（2） 当圆弧半径R相同时，随着波深h和波齿距P增大，压缩率逐步增大，回弹率逐步减小。说明当垫片有较大的波深和波齿距时，柔性增大,塑性变形增加,回弹能力弱。

（3）当波齿距P和齿数N相同时， 圆弧半径R变小，回弹率也变小，压缩率却增大。

（4）波峰处应力较大，应力极值出现在垫片内径和外径处。

结合以上分析，波深对波齿复合垫片的压缩回弹性能影响最大，其次为波齿距和圆弧半径。1号垫片有最好的回弹率，4号垫片有最好的压缩率。参照国家标准，1号垫片综合性能最优。

4 结束语

通过有限元模拟,本文分析了波深、波齿距、圆弧半径及齿数对垫片性能的影响，以及对不同结构参数的波齿复合垫片进行压缩回弹性能测试。分析结果表明，通过合理的分析和结构设计,波齿复合垫片具有优良密封性能。接下来的任务需要通过选用不同参数的一系列垫片，在试验的基础上加以进一步比对分析，从而得到最优解。

［1］李多民，段滋华，仇性启. 波齿复合垫片常温压缩回弹性能实验研究[J].润滑与密封，2009, 34 (3): 91-93 .

［2］刘宏超，任建民．柔性石墨金属波齿复合垫片金属骨架结构参数的研究[J].当代化工，2012，41(6)：617-619．

［3］GB/T 19066.1-2008 柔性石墨金属波齿复合垫片尺寸[S]. 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 2008-08.

［4］张文娟，李多民，段滋华. 石墨波齿复合垫片的性能和应用分析[J].茂名学院学报，2007，17(1)：34-37.

［5］赖盛刚，奚縢． 膨胀石墨密封材料及其制品[M]．北京: 中国石化出版社，1994．

［6］GB/T 19066.3-2003 柔性石墨金属波齿复合垫片技术条件[S]. 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 2003-12.

［7］蔡仁良，顾伯勤，宋鹏云．过程装备密封技术[M]. 北京: 化学工业出版社，2006．

［8］朱瑞松, 周寒秋, 黄星路, 顾伯勤，刘麟．金属椭圆环垫压缩回弹特性的数值分析[J]. 压力容器，2010, 27 (1): 27-30．

Study on the Compressibility and Resilience and Skeleton Structural Parameters of Corrugated Composite Gaskets

LIU Hua，REN Jian-min
（School of Mechanical Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

With the finite element analysis and simulation, the compressibility and resilience of corrugated composite gaskets under the different skeleton structure parameters were tested. Then the relationship between the structural parameters and the stress distribution, compressibility resilience under different conditions was obtained. And the structure and performance of corrugated composite gasket were optimized. The analysis results show that, under the same wave deep, with the tooth pitch increasing, the compressibility rate increases, but the resilience rate reduces.

structural parameter; compressibility and resilience; finite element stress analysis

表3 垫片的压缩率和回弹率Table 3 Gasket compression and resilience rate

TQ 051

： A

： 1671-0460（2015）02-0366-03

2014-09-01

刘华（1989-），男，山西长治人，辽宁石油化工大学在读硕士研究生，研究方向：密封技术。E-mail：850692954@qq.com。