纏繞式墊片生產(chǎn)新技術(shù)與裝備
纏繞式墊片作為一種金屬與非金屬組合式墊片，以其優(yōu)良的性能在石油、化工、電力、機(jī)械、制藥等部門的設(shè)備和管道上得到廣泛應(yīng)用，其質(zhì)量的好壞直接影響生產(chǎn)裝置的安全運(yùn)行和操作人員的生命安危。據(jù)初步調(diào)查，國內(nèi)靜密封件生產(chǎn)廠家的設(shè)備簡陋，工藝落后，纏繞式墊片生產(chǎn)處于低檔水平，且質(zhì)量很不穩(wěn)定。對纏繞式墊片的結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括金屬帶與非金屬帶的平帶寬度、鋼帶成型角度、成型帶的寬度及其直邊長度等無統(tǒng)一規(guī)定，各生產(chǎn)廠依據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)確定，生產(chǎn)的纏繞式墊片不是金屬帶裸露，就是非金屬帶擠出太多，直接影響墊片的外觀和質(zhì)量。此外，目前采用的繞制工藝中，鋼帶拉緊力和壓緊力均無法連續(xù)調(diào)節(jié)與定量控制，非金屬填料帶采用手工添加，尺寸人工測量，生產(chǎn)效率低，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)，人為因素很大，影響了墊片的力學(xué)性能和密封性能。隨著工業(yè)裝置向著大型化和高參數(shù)方向發(fā)展，對高質(zhì)量纏繞式墊片的需求與日俱增，因此研究先進(jìn)的生產(chǎn)工藝和裝備，對提高纏繞式墊片的質(zhì)量具有十分重要的意義。
新工藝的研究
1.纏繞式墊片結(jié)構(gòu)參數(shù)
纏繞式墊片是由金屬與非金屬成型帶螺旋相間纏繞而成，成型前的金屬與非金屬平帶寬度是在剖析了國外著名密封件公司如日本Valqua公司、Pillar公司和美國Flextalic公司并綜合國內(nèi)廠家經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上確定的。4.5mm厚度系列的纏繞式墊片的金屬平帶寬度一般有5.1、5.3和5.5mm三種，非金屬平帶根據(jù)不同材質(zhì)又有不同的寬度。筆者僅選擇了應(yīng)用十分廣泛的柔性石墨帶材作為填充料進(jìn)行研究，其寬度為5.8～6.0mm。
金屬平帶經(jīng)過一對特殊設(shè)計的成型輪壓制成型，為保證繞制后的墊片厚度為4.5+0.4mm、鋼帶不露帶、表層填料紋理清晰，則成型鋼帶寬度B，平鋼帶寬度B ＇，厚度t，成型角度2α和成型直邊寬度b（如圖1所示）之間通過幾何關(guān)系的推導(dǎo)，可得各結(jié)構(gòu)參數(shù)，見表1。
表1 纏繞式墊片的結(jié)構(gòu)參數(shù)
圖1 鋼帶結(jié)構(gòu)示意圖
2.纏繞式墊片生產(chǎn)工藝參數(shù)
除了纏繞式墊片的結(jié)構(gòu)參數(shù)外，生產(chǎn)過程中的工藝參數(shù)對墊片的性能影響很大。工藝參數(shù)主要是指繞制墊片時的壓緊力和鋼帶所需的拉緊力，通過調(diào)節(jié)氣缸內(nèi)氣體壓力p和施加于電磁離合器上的激磁電壓U就可分別調(diào)整它們的大小。設(shè)壓緊輪上的壓緊力為Fc則
Fc=πD2p/4 (1)
式中 D——氣缸活塞直徑。
由文獻(xiàn)［1］得到電磁離合器的扭矩T為
T=KμRmU2 (2)
式中 K——與電磁離合器結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)；
μ——摩擦片間的動摩擦系數(shù)；
Rm——摩擦面的平均直徑。
對于選定的電磁離合器，其K、μ、Rm均不變。若成型鋼帶盤直徑為D ′，則鋼帶的切向拉緊力Fp為
Fp=2KμRmU2/D′ (3)
改變激磁電壓U即可調(diào)節(jié)鋼帶上拉緊力的大小。
3.結(jié)構(gòu)與工藝參數(shù)的最優(yōu)化
纏繞式墊片的結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)直接影響墊片的性能。筆者對表1所列三種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的成型鋼帶，對應(yīng)于不同的工藝參數(shù)，以自行研制的新型纏繞機(jī)繞制出的墊片作為試驗(yàn)樣品，在多功能全自動墊片綜合性能試驗(yàn)機(jī)［2］上進(jìn)行力學(xué)性能（壓縮率、回彈率）和密封性能試驗(yàn)。試樣為DN80、PN5.0的內(nèi)外環(huán)型柔性石墨纏繞式墊片，試驗(yàn)條件為：預(yù)緊比壓70MPa，試驗(yàn)介質(zhì)99.9%氮?dú)?，介質(zhì)壓力5.5MPa，室溫，加載、卸載速度0.5MPa/s。采用三因子三水平正交試驗(yàn)，即根據(jù)L9(34)安排試驗(yàn)，以尋求最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)與工藝參數(shù)的匹配。
試驗(yàn)用墊片的結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)為
α——成型帶半角，α1=49.6°，α2=42.1°，α3=34.2°；
Fp——纏繞拉緊力，F(xiàn)p1=11.8N，F(xiàn)p2=14.7N，F(xiàn)p3=17.6N；
Fc——纏繞壓緊力，F(xiàn)c1=251.3N，F(xiàn)c2=314.2N，F(xiàn)c3=377.0N。
做了9組不同結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)組合的墊片性能試驗(yàn)［3］，對其中泄漏率數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析后列于表2中?？梢钥闯龀尚弯搸Ы嵌?α與纏繞壓緊力Fc對墊片的密封性能有顯著影響。根據(jù)GB4622.3—93《纏繞式墊片技術(shù)條件》中的技術(shù)指標(biāo)，柔性石墨纏繞式墊片的壓縮率為18%～30%，回彈率≥17%，泄漏率≤1.0×10-4（石化行業(yè)推薦）。而優(yōu)化的目標(biāo)就是要在滿足國標(biāo)規(guī)定要求的前提下，泄漏率最小，回彈率最高。試驗(yàn)中的α2Fp2Fc3組合［3］雖滿足泄漏率最小的要求，但回彈率不達(dá)標(biāo)。因此，在Fp水平不變的情況下，改變對性能影響顯著的兩水平α和Fc，再進(jìn)行墊片性能試驗(yàn)，得出的結(jié)果如表3所示。
表2 泄漏率數(shù)據(jù)［3］方差分析
來源 偏差平
方和S 自由度
f 均方
S/f F比 顯著度
β
