彈性金屬密封圈接觸應力實驗測量及有限元分析*

(1.中國礦業大學(北京)機電與信息工程學院 北京 100083；2.清華大學機械工程系 北京 100084)

密封圈是許多高科技領域(如航空工業、人體工程工業等)的關鍵基礎零部件[1-2]。進入21世紀，國家已將研究密封件在內的關鍵基礎零部件作為研究航空發動機技術的重點[3]。航空發動機密封圈的工作環境兼具高溫、高介質壓力，同時還有交變載荷。傳統密封件在如此嚴苛的條件下難以表現出良好的工作性能，并且在不斷承受法蘭間的交變載荷后難以補償自身與法蘭之間產生的間隙而造成泄漏。彈性金屬密封應用在航空航天領域有著得天獨厚的優勢，其各種不同截面形狀的產品如O形密封圈、C形密封圈、W形密封圈等已經投入市場，并被稱為是傳統密封的更新換代產品[4]。C形密封圈的性能與其獨特的截面形狀息息相關。在C形密封圈工作時，其開口處往往朝向密封氣體的高壓處，這使得C形密封圈具有優秀的自緊能力；同時在交變載荷的循環作用下，密封氣體的壓力可以幫助其進行回彈，以彌補密封圈與法蘭之間的間隙，防止泄漏的發生[5]。

目前，國外對彈性金屬密封圈研究已經較成熟。由于彈性金屬密封件性能優良，除了航空航天領域之外，該技術在國外開始廣泛應用于核工業、化工業、醫藥行業等[6]。在國內，彈性金屬密封技術起步較晚。由于國外的技術封鎖，有關國外彈性金屬密封技術的研究資料十分有限，僅可通過產品手冊了解彈性金屬密封件的部分性能信息。關于C形彈性金屬密封圈的研究，國內多以性能研究為主[7-8]，已經具備較為扎實的理論研究水平和與國際水平較為接近的制造水平。但在C形密封圈的實驗研究當中，多以壓縮回彈測定為主，對于其接觸應力的測試，尚無成熟的實驗方法。

本文作者提出一種測量彈性金屬密封圈接觸應力的實驗方法，即應用萬能電子試驗機對C形密封圈加壓，通過墊在C形密封圈下的薄膜壓力敏感紙測量得到C形密封圈的接觸應力。同時采用有限元分析方法對彈性金屬密封圈接觸應力進行分析，有限元分析結果與實驗測量結果高度吻合，驗證了實驗方法的可行性與科學性。

1 C形圈接觸應力實驗測量方法

1.1 實驗裝置

1.1.1 接觸應力測量裝置

實驗中應用富士(FUJIFLIM)公司的壓感紙作為接觸應力測量設備。根據C形密封圈模型仿真結果，實驗用壓感紙選擇HS型號。

如圖1所示，是壓感紙的微觀結構示意圖。壓感紙結構分為3層，分別是聚酯片基層、顯色薄層和微膠囊顏色形成薄層。這種結構會在受不同壓力的情況下顯現出不同的顏色。

圖1 壓感紙結構圖

圖2所示為壓感紙說明書中給出的顏色-接觸壓力參考曲線。當壓感紙在一定的接觸壓力作用下變色后，與標準色卡進行對照，選擇其顏色系數，并對應顏色-接觸壓力曲線圖可讀出接觸壓力值。

圖2 壓感紙顏色-接觸壓力圖

1.1.2 壓縮力施加裝置

實驗應用的壓縮力施加設備是WDW-100/E型電子萬能試驗機，該試驗機可以進行大載荷、多種溫度條件下的壓縮、拉伸、彎曲實驗。該試驗機配備有計算機軟件，該計算機軟件可導出壓縮回彈測量數據，可對壓縮力和位移進行實時監測，可對試驗機進行控制。

1.1.3 輔助墊片裝置

接觸應力的測量受平整度影響較大，而萬能試驗機的壓縮平臺并非完全平整，因此選用耐壓氧化鋯瓷塊作為實驗墊片。實驗時，將壓感紙和密封圈放置在兩塊氧化鋯瓷片之間，使密封圈能夠在完全平整的狀態下承壓。氧化鋯瓷片的受壓強度為最高1 200 MPa，預估實驗的最大受壓強度為800 MPa，安全系數為1.5。

1.2 實驗操作及參數

裁剪符合實驗規格大小的壓敏紙，將壓敏紙放置在兩塊氧化鋯瓷片之間，將氧化鋯瓷片放置在上下壓頭之間，保持同心對正，確保受力均勻。將壓頭移動到與上瓷片接近但未接觸的地方，選擇速度為0.2 mm/min，控制壓頭自動向下移動，直到通過計算機能夠觀察到力傳感器示數不為0時停止；當力傳感器初次產生示數后，在計算機上選擇壓縮回彈實驗模塊，選擇下壓速度為0.02 mm/min，當壓縮量達到0.24 mm時暫停壓縮；在達到最大壓縮量時保持衡力2 min，讓壓敏紙充分受壓變色。

改變壓頭位移方向，選擇速度為0.4 mm/min使其上移；當壓頭回到位移原點時，保存壓縮回彈實驗數據。將壓敏紙與色卡一并掃描，用于分析實驗數據。

實驗參數如表1所示。

表1 實驗參數

1.3 實驗結果及比較

將壓敏紙與色卡掃描在同一個文件中，以避免掃描設備對顏色分析結果的干擾。

圖3所示為實驗壓痕掃描放大圖，在實驗結果中尋找壓痕最粗、顏色最深的一段，壓痕對應的色卡系數為1.1。根據圖2中的色卡系數與接觸壓力的對應關系，求得此段壓痕的接觸應力為140 MPa。

圖3 實驗壓痕掃描放大圖

2 C形密封圈有限元分析

2.1 模型建立

對上海某公司生產的C形金屬密封圈建立有限元模型，結構幾何參數如表2所示。

表2 C形圈幾何參數

Table 2 Geometric parameters of C-ring mm

幾何結構參數數值密封圈外徑D40.6密封圈自由高度HF2.39彈性金屬壁厚T0.25鍍層金屬厚度 B0.03

在C形密封圈的有限元模型計算過程中，選擇整個截面及上下法蘭作為建模對象。在計算單元的選取中，選擇Plane182單元作為C形密封圈的計算單元。同時考慮要進行接觸應力的計算，選擇Contact172與Target169作為接觸對，Contact172為C形密封圈鍍層接觸面，Target169為上下法蘭接觸面。

選取BISO材料本構模型，即雙線性等向強化材料模型，在材料的選取上，合金機體材料選取Inconel718，鍍層材料選取銀。具體材料參數參見表3[9-10]。

表3 C形圈ANSYS建模材料參數

搭建C形密封圈幾何模型，完成單元選擇、材料模型搭建、網格劃分。此時C形密封圈與法蘭處于接觸的臨界狀態，也是初始狀態。然后對上法蘭施加位移，使其下壓預設的壓縮量(0.24 mm)。此時C形密封圈與法蘭之間發生力的作用，產生變形，這是計算的最終狀態。在該狀態下讀取C形密封圈的接觸應力分布，作為其在工作條件下的力學性能計算結果，如圖4所示。

圖4 C形密封圈Von-mises應力分布

2.2 計算結果分析

圖5所示為C形密封圈工作條件下接觸面接觸應力分布情況?？芍航佑|應力呈現兩邊上升(下降)快，中間平穩的分布狀況。圖5中輔助線為銀層屈服強度，由此可知絕大部分接觸寬度對應的接觸應力均在銀層屈服強度之上，這使得銀層能夠充分變形、延展，填補密封面與法蘭之間的泄漏通道。

圖5 C形密封圈接觸應力分布

通過C形密封圈模型進行有限元計算，得出的接觸應力分布結果如圖6所示。最大接觸應力為133.57 MPa，與實驗測得的140 MPa十分接近，誤差為4.8%。既證明了理論模型的正確性，也印證了實驗方法的科學性。

圖6 C形密封圈模型應力計算結果

3 結論

通過ANSYS軟件對C形彈性金屬密封圈進行有限元建模并分析，創新性地應用萬能電子試驗機和薄膜壓力敏感紙，對C形彈性金屬密封圈的接觸應力進行測量。實驗測量結果與有限元建模計算結果吻合度高，誤差僅為4.8%。既證明了理論模型的正確性，也驗證了實驗方法的可行性與科學性，為彈性金屬密封圈接觸應力的測量提供了一種新的實驗方法。