介質壓力對卡套式管路連接副密封性能的影響

閆國華,張澤恩,劉 勇,陳志英

(1. 中國民航大學航空工程學院,天津 300300;2. 北京航空航天大學航空發(fā)動機研究院,北京 100191)

1 引言

航空發(fā)動機外部管路系統(tǒng)是其外部結構的重要組成部分,主要用于燃油、滑油、液壓油、空氣等介質的傳輸,實現(xiàn)燃油供給、附件動作、軸承及齒輪箱潤滑、部件壓力調節(jié)、葉片冷卻等功能。外部管路數量多、分布廣[1],管路與管路之間、管路與機匣本體之間、管路與外部附件之間往往通過各種連接副或者法蘭結構進行連接。管路系統(tǒng)連接部位通常是其密封性能的薄弱環(huán)節(jié)。具不完全統(tǒng)計,航空發(fā)動機故障中約50%為管路系統(tǒng)故障,除了一定數量的管路斷裂故障外,有很多故障體現(xiàn)為管路連接副的“跑、冒、滴、漏”問題[2-4]。因此,管路連接副密封可靠性問題是我國自主發(fā)展高性能航空發(fā)動機必須要面對的問題,直接影響了發(fā)動機的可靠性[5-7]。

目前針對連接副密封性能的研究可分為兩個方面,一是連接副的自身屬性(如結構、材料等)對其密封性能的影響,比如,Wink[8]利用三維多尺度模型分析了徑向唇式密封結構的接觸和變形特性;王小剛[9]利用有限元的方法分析了錐形管路連接副結構設計參數對密封性能的影響;另一個方面是連接副的工況環(huán)境(如介質條件,外界激勵等)對其密封性能的影響,比如,王振興[2]分析了拉伸載荷對連接副密封性能的影響;呂堃博[10]模擬了管路連接副內流體的運動狀態(tài),分析了流體運動狀態(tài)對連接副密封性能的影響;閆洋洋等人[11]基于逆向建模的方法得到了密封區(qū)域多尺度接觸模型,并分析了流體溫度對連接副密封性能的影響。以上這些研究進一步揭示了連接副的泄漏故障機理,對研制新型高性能連接副具有良好的促進作用。

在眾多連接副結構中,卡套式無擴口管路連接副憑借其良好的承壓能力,安裝方便、易于維護的特性獲得了廣泛的應用。但是目前已有的研究中,針對這一連接形式的研究仍不夠深入,對其密封失效機理并沒有完全吃透,特別是其在循環(huán)介質壓力下的密封特性尚不明晰。

有鑒于此,論文將密封面寬和接觸壓力作為評價連接副密封性能的指標,基于有限元方法,在對連接副施加預緊力矩的基礎上,模擬不同大小的介質壓力和循環(huán)介質壓力對連接副密封性能的影響,最后分析了上述載荷對連接副密封性能的影響規(guī)律。

2 物理條件

2.1 連接副種類

卡套式無擴口管路連接副由導管接頭,外套螺母,卡套構成,圖1是卡套式無擴口管路連接副的實物剖視圖。

圖1 卡套式無擴口管路連接副實物[12]

2.2 密封條件

當卡套式管路連接副工作時,卡套將被提前安裝在管道上,然后將卡套插入導管接頭并用外套螺母擰緊,通過卡套外表面與接頭內表面之間的緊密接觸對管路中的介質進行密封。連接副密封區(qū)域的結構如圖2所示,最先發(fā)生接觸的位置如紅圈所示,隨著預緊力的加大將在紅圈位置形成密封條帶,完成對介質的密封。

圖2 連接副密封區(qū)域二維模型

金屬工件的表面并不是絕對光滑的[13],圖3展示了微觀尺度下密封面的形成過程,即隨著接觸壓力的增加,金屬材料變形封堵介質泄漏通道的過程。接觸面上的接觸壓力越大,兩個粗糙表面之間的配合程度就越好,工程上認為,接觸壓力大于密封介質壓力的三倍便可形成可靠的密封[14];將能夠達到對介質進行良好密封狀態(tài)的接觸面寬度稱為密封面寬,這個面寬的大小決定了連接副密封界面抵抗介質侵入的能力。因此,接觸壓力和密封面寬可共同作為評價密封性能的標準。

圖3 密封面的形成過程

2.3 預緊力計算

行業(yè)標準[15]中推薦的卡套式無擴口連接副(管路外徑為10mm)的預緊力矩范圍為12.2N·m-27.2N·m。這一數據無法直接用于有限元分析,需要將預緊力矩換算成軸向預緊力F。預緊力矩T等于外套螺母與卡套之間的摩擦力矩T1和外套螺母與管接頭螺紋之間的摩擦力矩T2的和,即

T=T1+T2

(1)

其中T1和T2均可由軸向預緊力F通過計算得出,計算等式如下[16]

(2)

(3)

(4)

式中使用的具體數據為[17-19]:f=0.2;d1=6.285mm;θ=45°;d2=7.165mm;P=1.5mm;β=30°。通過計算得到軸向預緊力F的范圍為6.19kN-13.80kN。

3 有限元模擬

3.1 材料屬性

連接副所有零件均使用TC4鈦合金,其力學屬性如表1所示。在連接副安裝的過程中,會涉及到材料的彈塑性變形,單一的彈性模量無法滿足模擬的需求,還需引入TC4的應力應變曲線,如圖4所示。

表1 TC4材料參數

圖4 TC4的應力應變曲線

3.2 實體模型與邊界條件

在工程實際中,泄漏主要發(fā)生在導管接頭和卡套接觸的界面上,為了提高計算效率,將卡套與管路視為一體,這一簡化方式的合理性在相關文獻中得到了驗證[20],并在保留接觸面物理特征的前提下簡化模型,簡化后的模型橫截面如圖5所示。通過旋轉操作獲得用于模擬的三維模型,為了提高計算效率,選擇四分之一模型進行計算,如圖6所示。同時需要利用邊界條件對模型進行約束。具體的約束如圖7所示,在管路接頭的外表面施加對所有自由度的約束;在管路接頭的端面及兩個側面施加垂直方向的位移約束;卡套端的兩個側面施加垂直方向的位移約束;卡套端面則通過施加均布載荷或位移來模擬預緊力。

圖5 連接副的橫截面

圖6 四分之一的連接副3D模型

圖7 邊界條件與加載

將模型導入有限元分析軟件Ansys,劃分好網格的有限元模型如圖8所示,網格大小為0.1mm,模型共包含308625個節(jié)點,299868個單元。同時為了模擬卡套與導管接頭的接觸行為,在模型上建立對應的接觸對,對三維模型來說,接觸單元為CONTA174和TARGE170[21],建立好的接觸對如圖9所示。

圖8 劃分好網格的有限元模型

圖9 接觸面的有限元模型

3.3 預緊載荷的影響

根據推薦預緊力的范圍計算出施加在卡套端頭的壓力大小為70MPa到157MPa。為了明晰密封面寬和接觸壓力隨預緊載荷變化的變化規(guī)律,在卡套端頭施加200MPa的均布壓力并設置載荷步,載荷步大小為2.5MPa,一共80個載荷步。

有限元模擬的結果表明:接觸壓力在卡套表面呈均勻的帶狀分布,如圖10所示;隨著預緊力的增大,接觸區(qū)域逐漸從初始的接觸點向卡套的兩端擴展,接觸應力最大的區(qū)域始終為初始接觸位置;而整個部件上的最大應力點出現(xiàn)在管路的內表面,如圖11所示。

圖10 接觸壓力的分布(預緊力為115MPa)

圖11 連接副的von Mises應力云圖(預緊力為115MPa)

由于本文研究對象的工作壓力是28MPa,工程上認為只要接觸壓力達到84MPa便可對介質進行有效密封,即接觸壓力大于等于84MPa的密封條帶的寬度便是有效的密封面寬。圖12展示了115MPa預緊力下,卡套表面接觸壓力達到84MPa的區(qū)域分布。圖13展示了隨著預緊力的增大(70MPa-157MPa),密封面寬和最大接觸壓力的變化趨勢。

圖12 接觸壓力達到84MPa的區(qū)域分布(預緊力為115MPa)

圖13 密封面寬與最大接觸壓力隨預緊力變化曲線

從圖13上可以看出,隨著預緊力的加大,密封面寬與最大接觸壓力基本呈線性上升,即預緊力越大,連接副的密封性能越好,這符合一般規(guī)律。但是當預緊力從145MPa增加到150MPa時,最大接觸壓力幾乎不變;當預緊力超過150MPa后,最大接觸壓力隨預緊力的加大而減小。這是由于當預緊力達到145MPa時,發(fā)源于卡套材料內部的塑性變形區(qū)域擴展到了接觸面上,如圖14、圖15所示。塑性變形的部分發(fā)揮了“吸能結構”的作用,預緊力的加大導致了塑性變形區(qū)域的擴大,這部分材料發(fā)生塑性變形“吸收”了原本用于使接觸壓力增大的能量,當這樣的塑性變形區(qū)域擴展到卡套表面并在卡套表面擴大的時候,宏觀的體現(xiàn)便是最大接觸壓力下降。

圖14 連接副塑性變形云圖(預緊力為145MPa)

圖15 表面塑性變形分布(預緊力為145MPa)

3.4 介質壓力的影響

我國目前主流的液壓系統(tǒng)工作壓力為28MPa,這落后于美國等航空發(fā)達國家的先進液壓系統(tǒng)(工作壓力最高為56MPa)。分析高介質壓力對現(xiàn)有連接副的影響,將對我國自行設計高性能連接副有一定的參考價值。

將介質壓力等效為均布載荷,施加在管路的內表面,以探究介質壓力對連接副密封性能的影響,加載方式為0MPa到56MPa再到0MPa,每7MPa設置一個載荷步,共17個載荷步,模擬一個壓力循環(huán)對預緊狀態(tài)下連接副密封性能的影響。初始預緊力為115MPa,加載方式如圖16所示。

圖16 介質壓力加載方式

連接副密封性能隨介質壓力變化的變化曲線如圖17、圖18所示。為了更清晰的描述介質壓力變化對連接副密封性能的影響,兩張圖中密封面寬的選取標準略有不同。其中圖17密封面寬的選取標準為接觸面上接觸壓力大于84MPa的部分;而圖18的選取標準為接觸壓力大于等于三倍介質壓力。

圖17 密封面寬與最大接觸壓力隨介質壓力變化(標準為84MPa)

圖18 密封面寬與最大接觸壓力隨介質壓力變化(標準為三倍介質壓力)

從圖17和圖18可以看出,隨著密封介質壓力的上升,接觸面上的最大接觸壓力也上升,當介質壓力達到最大時(56MPa),最大接觸壓力達到最大值,為1529.09MPa。而不同標準下的密封面寬卻呈現(xiàn)不同的趨勢,從圖17上可以看出隨著介質壓力的上升,接觸面上的高應力區(qū)域擴大;而圖18則表示隨著介質壓力的上升,符合密封要求的密封面寬的寬度在減少。這說明雖然介質壓力的上升可以促進接觸面間的配合程度,提升連接副的密封性能,然而這種提升無法消除壓力介質對連接副密封界面的侵入作用。

從兩張圖上均可以看出,在經歷一次介質壓力峰值后,連接副的密封性能發(fā)生了退化。如第5個載荷步與第13個載荷步,二者的介質壓力均為28MPa,而接觸面寬卻從0.9202mm下降到了0.9182mm,接觸壓力也從1487.5MPa下降到了1482.84MPa。這是因為介質壓力的施加使連接副內部積累了塑性變形,卡套內部的材料性質發(fā)生變化,因此在同樣的載荷水平下連接副的密封性能會下降。圖19、圖20分別展示了第5載荷步步,第13載荷步連接副內部的塑性變形區(qū)域,可以看出塑性變形量與發(fā)生塑性變形的區(qū)域均有擴大。這可能導致原本密封性能良好的連接副在經歷高介質壓力加載-卸載后這一過程后發(fā)生泄漏,即“高壓不漏低壓漏”。

圖19 卡套塑性變形分布(第5載荷步)

圖20 卡套塑性變形分布(第13載荷步)

3.5 循環(huán)介質壓力的影響

連接副在其生命周期里要經歷多個介質壓力循環(huán),將這些壓力循環(huán)簡化為循環(huán)載荷施加在預緊狀態(tài)下的連接副管路內表面,載荷譜如圖21所示。40個載荷循環(huán)下,連接副的密封面寬和最大接觸壓力的變化規(guī)律如圖22、圖23、圖24所示。僅統(tǒng)計處于壓力峰值下的參數,密封面寬的選取標準為密封壓力達到三倍介質壓力。

圖21 介質壓力載荷譜

圖22 密封面寬與最大接觸壓力隨循環(huán)數變化曲線(壓力峰值為28MPa)

圖23 密封面寬與最大接觸壓力隨循環(huán)數變化曲線(壓力峰值為42MPa)

圖24 密封面寬與最大接觸壓力隨循環(huán)數變化曲線(壓力峰值為56MPa)

結果顯示,無論壓力峰值是多少,接觸面上的最大接觸壓力均在第二次壓力循環(huán)時快速下降,隨后基本呈現(xiàn)線性下降的趨勢。壓力峰值越高,下降的速度越快,從第2次壓力循環(huán)到第40次壓力循環(huán),最大接觸壓力分別下降了0.29MPa(壓力峰值為28MPa),0.46MPa(壓力峰值為42MPa),0.64MPa(壓力峰值為56MPa)。

雖然不同壓力峰值下的密封面寬大體上都隨循環(huán)數的增加而下降,但是具體的趨勢有所不同。當壓力峰值為28MPa時,密封面寬基本隨循環(huán)數的增加呈現(xiàn)線性下降的趨勢,變化較為平穩(wěn);壓力峰值為42MPa時,前幾個循環(huán)對密封面寬的影響較大,從第10次循環(huán)后,密封面寬下降的趨勢也趨于平緩,但是也基本呈現(xiàn)下降的趨勢;壓力峰值為52MPa時,密封面寬的變化與前兩種有較大不同,先是隨著循環(huán)數的增加快速下降,然后在第10個循環(huán)迅速放緩,在此之后密封面寬甚至保持了長時間的穩(wěn)定。

4 結論

本文先分析了預緊載荷對卡套式管路連接副密封性能的影響,并在其基礎上進一步研究了介質壓力對卡套式管路連接副密封性能的影響,得到以下結論:

1)連接副的密封性能隨著預緊載荷的增大而上升,然而過大的預緊載荷會導致連接副的密封狀態(tài)受到卡套與管路內部材料塑性變形的影響,且塑性變形過多也會對管接頭的重復裝配性產生負面影響。

2)對預緊狀態(tài)下的連接副來說,密封界面上的最大接觸壓力會隨著介質壓力的升高而升高,接觸的區(qū)域也會擴大,但是密封面寬卻會下降。且壓力峰值前后同一介質壓力下連接副的密封性能不同,壓力會導致連接副的密封性能下降。

3)循環(huán)介質壓力的循環(huán)數和最大介質壓力均會影響連接副的密封性能。具體的規(guī)律為:無論壓力峰值是多少,最大接觸壓力均會在第2次壓力循環(huán)迅速下降,之后呈線性下降的趨勢,壓力峰值越高,最大接觸壓力下降的越快;密封面寬會隨著循環(huán)數的增加而下降,壓力峰值越高,密封面寬下降越快,然而密封面寬不會一直下降,在達到一定值后,密封面寬會保持平穩(wěn),介質壓力峰值越高,密封面寬達到平穩(wěn)狀態(tài)所需的循環(huán)數就越少。