石墨填料环的力学和密封性能分析

常红　闫迎亮

摘   要：本文试验了不同密度的石墨烯填料环的压缩回弹性能以及轴向力传递的特性，将石墨填料环的侧压系数通过有限元数值模拟进行研究，并将不同密度的双层石墨填料环的密封特性通过试验进行研究。由试验可知：石墨填料环的密度增加压缩率变小、回弹率会纸增大;加载轴向力增加石墨填料环侧压系数也会随之增加，侧压系数受密度影响较小;石墨填料环的密度增大，轴向力的传递率也会增大;40MPa下的不同密度双层石墨填料环都低于设定值，泄漏率受密度很大程度的影响。

关键词：石墨填料环  力学  密封性能

中图分类号：TH136                                文獻标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）06（b）-0087-02

以其良好的耐腐蚀性、耐高温辐射、压缩回弹性柔软石墨填料在核工业、石油化工、航空航天等领域得到了广泛的领域。所谓的填料密封就是通过利用良好压缩回弹性能的密封材料，填料因压盖受到轴向载荷力产生径向的膨胀，以此来实现足够的径向压力出现在填料环与轴、填料函表面，从而是流体泄漏受到阻碍的一种密封形式。密封结构的密封性能很大程度上受到石墨填料环的力学特性影响，而目前我国关于轴向力传递以及侧压系数的测试方法在柔性石墨填料环的试验标准中并没有表明。因此，本文通过试验探究出不同密度下石墨填料环的轴向力传递特性以及压缩回弹性，并在最后试验了是双层石墨填料环的泄漏率。

1  试验设计

模压成型的高纯度柔性石墨填料环是实验中使用的主要试件，选取单位规格为内径120mm乘以外径130mm乘以6.35mm的石墨填料环，并且分别选取三种规格相同密度分别为1.58、1.44、1.30g/cm3石墨填料环。

1.1 力学性能试验装置

通过静态电阻应变仪计算机相连接对石墨填料环力学性能进行测试，该装置可以完成三项试验，分别为压缩回弹性能试验、轴向压力传递特性试验、侧压系数试验[1]。该装置有应变测量系统、石墨填料环安装系统与轴向载荷施加压力机组成。轴向加载时下套筒变量通过在进行填料环轴向力传递性能测试时下套筒上设置的轴向应变片获取，同时为了能够得到填料在轴向加载是所受的侧压力，以此实现侧压系数的计算，将应变片设置在填料压缩后的高度处、内筒内壁以及外筒外壁处。

1.2 密封性试验装置

通过计算机、压力机、氦质谱检漏仪实现对于石墨填料环密封性能的测验[2]。检漏系统、氦气供给力、石墨填料环安装系统与轴向载荷施加压力机是该装置的主要构成部分。

2  确定侧压系数

2.1 混合标定

介于侧压力无法通过填料与筒壁的接触面轴向应变片直接测量，因此还需要通过有限元计算与试验相结合的混合定标方法来讲侧压系数确定，并且将单层石墨填料环的侧压系数沿填料厚度的方向假设为一致的情况[3]。随后通过试验，轴向压力逐级的施加，统计每一轴向压力下测量对应垫圈位置的外筒外壁与内筒内壁上的应变均值，将轴向压力以及轴向应变的关系曲线图绘制出来。预设压力为7.6MPa，实验目标值是50MPa，0.5MPa每秒的加载以及卸载速度，并且1min以此的压力逐级增长。记录外筒外壁以及内筒内壁专注点的轴向应变值，实现加载轴向压力与外向压力应变两者之间的具体关联。

随后，通过有限元分析并通过力学性能试验装置进行分析，由于荷载与结构的对称性，因此利用有限元然软件ANSYS将轴对称二维有限元模型建立。底座、外筒与内筒共同构建出而未有限元模型。开始对模型地面施加固定的压力，并将不同的侧向压力对经过压缩后单层石墨填料的相对应高度进行施加，并提取出相对应的周向应变值，分析出周向应变与侧向压力的关系。最后以周向应变值为中间量，计算出侧向压力与轴向压力的关系曲线，就可以将各轴向压力下对应的侧压系数得出。

2.2 试验结果

通过实验可以得出，在密度为1.44g/cm3的单层石墨填料环内筒内壁以及外筒外壁的周向应变力随着周向轴向压力的增长而增长;在1.44g/cm3的单层石墨填料环的内筒内壁以及外筒外壁的周向应变力随着侧向压力的增加而增加。由以上内筒内壁以及外筒外壁的周向应变力与轴向压力、侧向压力通过侧压系数等于轴向压力除以侧向压力可以算出侧压系数。经计算可以得出，内筒内壁的轴向压力增加，侧压系数也会随着增加，但是轴向压力不断增加侧压系数的增长速度会越来越慢。1.33g/cm3与1.58g/cm3下从单层石墨填料环的侧压系数同样可以通过以上这种方式计算得出。经过对比我们可知，不同密度下的石墨填料环的内外同侧压系数都会随着轴向压力的增加而增加，但是也同样会随着轴向压力的增加而增长速率会慢慢变缓。当处在30MPa的轴向压力时，各个密度下的石墨填料环有非常接近的侧压系数值;而在40MPa的轴向压力下，石墨填料环的侧压系数值会在0.79～0.89之间。

3  轴向力传递特性

3.1 设计实验

对不设置石墨填料换的力学装置进行轴向力直接施加，得出标定曲线;随后对设置石墨填料环的力学装置施加轴向力得出标定曲线，并比对两者之间的关系可以得出石墨填料环的轴向力传递特性[4]。试验时设置40MPa的轴向压力，0.2MPa每秒的加载速度，并且每次保持15s的轴向力，将中间变量设置为以下套筒轴向应变力，可以将试验机加载轴向力与下套筒上的轴向力关系得出，以此来计算出轴向力传递率的大小。

3.2 实验结果

由以上实验我们可以得出下套筒的轴向力增加，而轴向应变力也随着增加，用一次函数进行线性化拟合可以得到下套筒的轴向应变力。而通过力学试验装置设置单层石墨填料环地进行轴向力施加可以得知加载轴向力增加，周向应变力也会随着增加。由中间量下套筒首相应变历可以通过计算的出试验机的加载轴向力以及轴向力传递率。

由上述试验计算我们可以知道，在不同密度下的石墨填料环的加载轴向力增加，轴向传递率也会随着减小，导致对个现象的主要原因就是侧向压力会随着加载轴向力的增加而增加，从而增加了摩擦损失，减小了传递的下套筒轴向力。石墨填料环的密度增加轴向传递率的会随之增加，各个密度之间的石墨填料环中更好的轴向力传递特性是1.58g/cm3下的石墨填料环。

4  实验结论

首先，加载轴向力增加都会导致内筒内壁以及外筒外壁的侧压系数增加，但是增加速率都会随着加载系数的增加而减弱;当处在大于30MPa的轴向压力时，会呈现出趋于稳定的侧压系数，并且侧压系数不太受密度的影响;而当处于40MPa的目标轴向压力是，会出现0.79～0.89之间的侧压系数值。

其次，石墨填料环的轴向力传递率会随着加载轴向载荷的增加而逐渐减小;并且随着石墨填料环的密度增加，轴向力传递率也会增加，所以，石墨填料环中各个密度下的轴向力传递特性中，1.58g/cm3的密度石墨填料环最好。

最后，通过以上的试验可以分析出，各个密度下的石墨填料环在40MPa的目标轴向压力下，就有很好的防泄漏性能，以此可见，泄漏率并不受密度的影响。

5  结语

本文通过对石墨填料环进行实际实验，分析出各个密度下石墨填料环侧压系数、加载轴向力、轴向传递率以及轴向荷载之间的关系，分析出，石墨填料环能够起到很好的防泄漏作用，并且防泄漏性能不受密度的影响。

参考文献

[1] 肖光凯，章蘭珠， 王夫清，等. 石墨填料环力学和密封性能试验研究[J]. 润滑与密封， 2016， 41（11）：10-14.

[2] 朱维兵， 晏静江， 王和顺. 流体静压机械密封动力学性能分析[J]. 机械设计与制造， 2017（4）：131-135.

[3] 卡压式海底管道连接器临界密封条件力学分析及密封性能优化[D]. 哈尔滨工程大学， 2017.

[4] 涂霆， 何立东， 李宽，等. 涡轮泵密封动力学特性和封严性能的分析与优化[J]. 中国科技论文， 2016， 11（22）：53-59.