壓力容器Y形橡膠密封圈有限元分析范文

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摘要：

采用有限元方法，對(duì)齒嚙式壓力容器Y形橡膠密封圈在不同內(nèi)壓載荷、法蘭間隙、操作溫度等情況下的Von-Mises應(yīng)力以及剪切應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行有限元分析。結(jié)果表明在不同內(nèi)壓載荷下，密封圈的最大Von-Mises應(yīng)力以及最大剪切應(yīng)力位置、大小發(fā)生改變；齒嚙式壓力容器法蘭間隙增加，Y形橡膠密封圈密封性能有所下降；操作溫度升高會(huì)導(dǎo)致Y形圈接觸應(yīng)力下降。研究對(duì)齒嚙式壓力容器Y形橡膠密封圈設(shè)計(jì)及應(yīng)用具有一定指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：

Y形密封圈；有限元分析；齒嚙式壓力容器；法蘭間隙

齒嚙式快開容器可分為帶平封頭的、帶凸形封頭的。其中帶凸形封頭的主要用于中、低壓壓力容器，工作壓力一般在0.8～6.4MPa之間，工作溫度在200℃左右[1]。齒嚙式快開結(jié)構(gòu)法蘭密封多采用Y形橡膠密封圈，Y形圈的密封性能對(duì)齒嚙式快開容器的安全運(yùn)行具有重要影響。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元技術(shù)被運(yùn)用于橡膠密封圈的研究，諶彪[2]等利用ANSYS分析了不同工作壓力下Y形密封圈的Von-Mises應(yīng)力和接觸應(yīng)力分布，并預(yù)測(cè)了Y形密封圈可能出現(xiàn)裂紋的位置；ManfredAchenbach[3]利用計(jì)算機(jī)仿真預(yù)測(cè)了密封圈不同環(huán)境下的使用壽命；谷云慶[4]等利用數(shù)值模擬分析了壓縮量及密封圈表面仿生凹坑對(duì)密封性能的影響。目前大多數(shù)的研究都集中液壓元件密封圈密封性能的有限元分析。本文采用有限元分析方法對(duì)齒嚙式快開壓力容器密封圈進(jìn)行數(shù)值模擬，分別研究了壓力容器不同內(nèi)壓、法蘭間隙以及工作溫度對(duì)密封圈密封性能的影響。

1模型的建立及計(jì)算參數(shù)

1.1齒嚙式快開裝置及密封圈的幾何模型齒嚙式快開裝置的密封結(jié)構(gòu)如圖1所示。密封槽開在筒體法蘭上，接觸面1為密封槽內(nèi)側(cè)面與Y形圈接觸面、接觸面2為密封槽外側(cè)面與Y形圈接觸面、接觸面3為封頭法蘭與Y形圈接觸面，如圖2所示。根據(jù)密封結(jié)構(gòu)的軸對(duì)稱特點(diǎn)，選取Y形密封圈的一個(gè)二維截面進(jìn)行分析，其截面主要尺寸H=2mm，θ=80°，如圖2所示，其中。筒體法蘭、封頭法蘭及橡膠密封圈均采用二Y形橡膠密封圈維實(shí)體單元plane183、自由網(wǎng)格劃分，如圖3所示。

1.2容器和密封圈的材料模型有限元分析采用ANSYS軟件，容器材料為Q345R，其彈性模量E=209GPa，泊松比γ=0.3；密封圈材料近似為不可壓縮的超彈材料，密封圈材質(zhì)為丁腈橡膠（NBR），硬度為IRHD85（國際橡膠硬度等級(jí)），線膨脹系數(shù)為1.2×10-4。橡膠材料模型采用Mooney-Rivlin模型函數(shù)更貼近橡膠材料的真實(shí)特性且被大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[5,6]，其應(yīng)變能偏量部分有關(guān)的材料常數(shù)C10和C01可由實(shí)驗(yàn)獲得的經(jīng)驗(yàn)公式根據(jù)橡膠材料的硬度計(jì)算得出分別為1.87和0.47，該橡膠材料許用剪切強(qiáng)度為4.6MPa[7]。

1.3接觸屬性選取密封槽及封頭法蘭表面為目標(biāo)面，密封圈表面為接觸面。模型中的接觸對(duì)由接觸單元conta172和目標(biāo)單元targe169配對(duì)組成[8]。

1.4邊界條件齒嚙式快開裝置密封系統(tǒng)Y形密封圈Y唇朝向密封槽內(nèi)側(cè)，在無內(nèi)壓時(shí)，密封圈依靠密封唇尖變形產(chǎn)生的接觸壓力形成初始密封，在升壓的過程中密封腔與外供介質(zhì)源相通，在工作階段，將密封槽與釜體內(nèi)腔相通，起到自封自緊作用。根據(jù)齒嚙式壓力容器工作原理，對(duì)Y形圈施加以下邊界條件：1）對(duì)密封圈左側(cè)封頭法蘭施加固定約束，對(duì)密封圈上下兩側(cè)密封槽施加左右方向的固定約束；為使得如圖3中密封槽恢復(fù)到實(shí)際寬度，對(duì)密封圈上側(cè)密封槽施加-1.25mm的位移載荷，對(duì)密封圈下側(cè)密封槽施加1.25mm的位移載荷。2）密封槽內(nèi)腔施加相應(yīng)的內(nèi)壓載荷之后再對(duì)密封圈內(nèi)側(cè)裸露面施加相應(yīng)的內(nèi)壓載荷。

2計(jì)算結(jié)果與分析

利用有限元軟件ANSYS對(duì)Y形密封圈進(jìn)行有限元分析，得出相應(yīng)的接觸壓力、Von-Mises應(yīng)力分布。Von-Mises應(yīng)力反映了截面上各主應(yīng)力差值的大小，一般來說，Von-Mises應(yīng)力越大，越會(huì)加速橡膠材料的松弛，造成剛度下降，容易出現(xiàn)裂紋。接觸應(yīng)力大于或等于工作內(nèi)壓載荷是Y形密封圈保證密封能力的必要條件，因此接觸應(yīng)力是密封失效判據(jù)的首要條件[9]。

2.1不同內(nèi)壓載荷作用下Y形圈應(yīng)力分布在1MPa內(nèi)壓載荷下，密封圈的最大Von-Mises應(yīng)力以及最大剪切應(yīng)力出現(xiàn)在密封唇唇尖部位；在5MPa內(nèi)壓載荷下，密封圈最大Von-Mises應(yīng)力與最大剪切應(yīng)力均出現(xiàn)在密封圈上下唇交匯處如圖4、圖5所示。由圖6可知，接觸面1與接觸面2接觸壓力分布特性相近且接觸面1接觸壓力略小于接觸面2，因此只分析接觸面1、3的接觸壓力。如圖6、圖7所示，隨著內(nèi)壓載荷的增大，Y形圈各應(yīng)力最大值均不斷增大，但不同的內(nèi)壓載荷下最大接觸壓力均高于內(nèi)壓載荷，密封可靠。圖7表明，在6.4MPa內(nèi)壓載荷下，最大剪切應(yīng)力為2.32MPa小于材料剪切強(qiáng)度4.6MPa；因此本文結(jié)構(gòu)型式的Y形密封圈能滿足內(nèi)壓載荷6.4MPa以下的齒嚙式壓力容器的密封要求。

2.2不同法蘭間隙下Y形密封圈應(yīng)力變化齒嚙式快開裝置法蘭間隙通常為1mm～4mm[10]。如圖8所示，在1MPa內(nèi)壓載荷下法蘭間隙的影響較小；在5MPa內(nèi)壓載荷下，隨著法蘭間隙的增大密封圈最大Von-Mises應(yīng)力和剪切應(yīng)力增大，接觸面3最大接觸壓力則逐漸減小。且法蘭間隙在2mm以下密封圈最大Von-Mises應(yīng)力、最大剪切應(yīng)力及最大接觸壓力變化不明顯。因此內(nèi)壓載荷大于等于5MPa時(shí)，齒嚙式壓力容器中法蘭間隙取1mm～2mm較為合適。(a)1MPa內(nèi)壓載荷(b)5MPa內(nèi)壓載荷圖8法蘭間隙對(duì)Y形圈應(yīng)力的影響

2.3不同溫度下Y形密封圈應(yīng)力變化齒嚙式快開容器工作溫度一般在200℃左右，溫度的升高會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致橡膠材料機(jī)械性能的下降[11,12]。假設(shè)室溫為20℃分別對(duì)Y形圈施加20℃、60℃、100℃、140℃、180℃、220℃的均勻溫度載荷。內(nèi)壓載荷取3MPa，法蘭間隙取2mm，分析結(jié)果如圖9所示，溫度升高導(dǎo)致Y形圈的最大Von-Mises應(yīng)力變大，接觸面1、3最大接觸壓力減小。溫度變化對(duì)最大剪切應(yīng)力沒有影響。

3結(jié)論

1）在1MPa內(nèi)壓載荷下，密封圈的最大Von-Mises應(yīng)力以及剪切應(yīng)力出現(xiàn)在密封唇唇尖部位；在5MPa內(nèi)壓載荷下，密封圈最大Von-Mises應(yīng)力與剪切應(yīng)力均出現(xiàn)在密封圈上下唇交匯處。Von-Mises應(yīng)力越大，越會(huì)加速橡膠材料的松弛，造成剛度下降，容易出現(xiàn)裂紋。2）隨著內(nèi)壓載荷的增大，Y形圈各應(yīng)力最大值均不斷增大；本文結(jié)構(gòu)型式的Y型橡膠密封圈在不同內(nèi)壓載荷下最大接觸壓力均高于內(nèi)壓載荷，密封可靠。3）隨著法蘭間隙的增大密封圈最大Von-Mises應(yīng)力和剪切應(yīng)力增大，接觸面3最大接觸壓力則逐漸減小。法蘭間隙在2mm以下時(shí)，密封圈Von-Mises應(yīng)力、剪切應(yīng)力及接觸壓力變化不明顯。因此本文結(jié)構(gòu)齒嚙式壓力容器法蘭間隙取1mm～2mm較為合適。4）溫度升高導(dǎo)致Y形圈的最大Von-Mises應(yīng)力變大，接觸面1、3最大接觸壓力減小，密封圈的密封性能有所下降。

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作者：孟華榮 劉雪東 李柏賢 單位：常州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院