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缠绕式垫片生产新技术与装备

缠绕式垫片作为一种金属与非金属组合式垫片，以其优良的性能在石油、化工、电力、机械、制药等部门的设备和管道上得到广泛应用，其质量的好坏直接影响生产装置的安全运行和操作人员的生命安危。据初步调查，国内静密封件生产厂家的设备简陋，工艺落后，缠绕式垫片生产处于低档水平，且质量很不稳定。对缠绕式垫片的结构参数，包括金属带与非金属带的平带宽度、钢带成型角度、成型带的宽度及其直边长度等无统一规定，各生产厂依据自己的经验确定，生产的缠绕式垫片不是金属带裸露，就是非金属带挤出太多，直接影响垫片的外观和质量。此外，目前采用的绕制工艺中，钢带拉紧力和压紧力均无法连续调节与定量控制，非金属填料带采用手工添加，尺寸人工测量，生产效采样速率低率低，产品质量不稳，人为因素很大，影响了垫片的力学性能和密封性能。随着工业装置向着大型化和高参数方向发展，对高质量缠绕式垫片的需求与日俱增，因此研究先进的生产工艺和装备，对提高缠绕式垫片的质量具有十分重要的意义。

新工艺的研究

1.缠绕式垫片结构参数

缠绕式垫片是由金属与非金属成型带螺旋相间缠绕而成，成型前的金属与非金属平带宽度是在剖析了国外著名密封件公司如日本Valqua公司、Pillar公司和美国Flextalic公司并综合国内厂家经验数据的基础上确定的。4.5mm厚度系列的缠绕式垫片的金属平带宽度一般有5固定轮.1、5.3和5.5mm三种，非金属平带根据不同材质又有不同的宽外墙涂料度。笔者仅选择了应用十分广泛的柔性石墨带材作为填充料进行研究，其宽度为5.8～6.0mm。

金属平带经过一对特殊设计的成型轮压制成型，为保证绕制后的垫片厚度为4.5+0.4mm、钢带不露带、表层填料拉铆螺母纹理清晰，则成型钢带宽度B，平钢带宽度B ＇，厚度t，成型角度2 和成型直边宽度b（如图1所示）之间通过几何关系的推导，可得各结构参数，见表1。

表1 缠绕式垫片的结构参数

平钢带宽度B (mm) 5.1 5.3 5.5 成型带宽度B(mm) 4.1 成型带高度h(mm) 1.5 成型角度2 ( ) 99.3 84.2 68.3 直边宽度b(mm) 0.24 0.70 1.04

图1 钢带结构示意图

2.缠绕式垫片生产工艺参数

除了缠绕式垫片的结构参数外，帮助客户提升机械性能生产过程中的工艺参数对垫片的性能影响很大。工艺参数主要是指绕制垫片时的压紧力和钢带所需的拉紧力，通过调节气缸内气体压力p和施加于电磁离合器上的激磁电压U就可分别调整它们的大小。设压紧轮上的压紧力为Fc则

Fc= D2p/4 (1)

式中 D 气缸活塞直径。

由文献［1］得到电磁离合器的扭矩T为

T=K RmU2 (2)

式中 K 与电磁离合器结构有关的常数；

摩擦片间的动摩擦系数；

Rm 摩擦面的平均直径。

对于选定的电磁离合器，其K、 、Rm均不变。若成型钢带盘直径为D ，则钢带的切向拉紧力Fp为

Fp=2K RmU2/D (3)

改变激磁电压U即可调节钢带上拉紧力的大小。

3.结构与工艺参数的最优化

缠绕式垫片的结构和工艺参数直接影响垫片的性能。笔者对表1所列三种不同结构参数的成型钢带，对应于不同的工艺参数，以自行研制的新型缠绕机绕制出的垫片作为试验样品，在多功能全自动垫片综合性能试验机［2］上进行力学性能（压缩率、回弹率）和密封性能试验。试样为DN80、PN5.0的内外环型柔性石墨缠绕式垫片，试验条件为：预紧比压70MPa，试验介质99.9%氮气，介质压力5.5MPa，室温，加载、卸载速度0.5MPa/s。采用三因子三水平正交试验，即根据L9(34)安排试验，以寻求最佳结构参数与工艺参数的匹配。

试验用垫片的结构和工艺参数为

成型带半角， 1=49.6 ， 2=42.1 ， 3=34.2 ；

Fp 缠绕拉紧力，Fp1=11.8N，Fp2=14.7N，Fp3=17.6N；

Fc 缠绕压紧力，Fc1=251.3N，Fc2=314.2N，Fc3=377.0N。

做了9组不同结构和工艺参数组合的垫片性能试验［3］，对其中泄漏率数据进行方差分析后列于表2中。可以看出成型钢带角度2 与缠绕压紧力Fc对垫片的密封性能有显著影响。根据GB4622.3 93《缠绕式垫片技术条突破了百年来高份子材料以“螺杆”为标志的发展模式件》中的技术指标，柔性石墨缠绕式垫片的压缩率为18%～30%，回弹率 17%，泄漏率 1.0 （石化行业推荐）。而优化的目标就是要在满足数据电缆国标规定要求的前提下，泄漏率最小，回弹率最高。试验中的 2Fp2Fc3组合［3］虽满足泄漏率最小的要求，但回弹率不达标。因此，在Fp水平不变的情况下，改变对性能影响显著的两水平 和Fc，再进行垫片性能试验，得出的结果如表3所示。

表2 泄漏率数据［3］方差分析

方差

来源 偏差平

方和S 自由度

f 均方

S/f F比 显著度