快開式壓力容器異型密封圈有限元分析

丁克勤，劉關(guān)四，魏化中，舒安慶

（1.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100013；2.武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430205）

0 引 言

隨著工業(yè)的迅猛發(fā)展，快開門式壓力容器在工業(yè)中的地位越來越重要.它廣泛的應(yīng)用于化工、建材、食品、紡織、航天、醫(yī)療等工業(yè)領(lǐng)域.這類容器的特點(diǎn)是能在很短的時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)開啟和關(guān)閉.如化學(xué)工業(yè)中橡膠制品的硫化罐、食品工業(yè)中的膨化罐等.容器的開啟和關(guān)閉時間直接影響生產(chǎn)效率.C型圈作為一種常用的密封件，它以優(yōu)越的結(jié)構(gòu)和性能被廣泛的應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備中.異型圈與C型圈相比截面結(jié)構(gòu)多樣，能滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)和特殊密封要求的動密封和靜密封［1］.密封圈常見的失效形式有安裝損傷、密封件卷曲、過度壓縮、擠出、永久壓縮變形、化學(xué)腐蝕、熱腐蝕、磨損、壓力爆破、電腐蝕、氣體析出、污染等.其中安裝損傷、密封件卷曲、擠出、永久壓縮變形、壓力爆破與密封材料硬度和密封間隙有關(guān).現(xiàn)在結(jié)合某制造廠實(shí)際工程中出現(xiàn)的問題利用有限元分析方法對C型圈密封性能進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)以解決工程問題.

1 問題描述

某制造廠在對一立式快開門壓力容器（如圖1所示）設(shè)計(jì)時密封圈選用C型密封圈，在設(shè)計(jì)生產(chǎn)完工后對設(shè)備進(jìn)行水壓試驗(yàn)時出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象.

圖1 快開門結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Quick actuating pressure vessel structure

2 問題產(chǎn)生的原因

密封圈選用丁晴橡膠制成的C型圈.它的密封是依靠丁晴橡膠的超彈性，結(jié)構(gòu)的自重產(chǎn)生的預(yù)壓力使得密封圈與法蘭端面接觸應(yīng)力大于結(jié)構(gòu)內(nèi)部工作壓力從而達(dá)到密封效果.產(chǎn)生泄漏的原因可能在于丁晴橡膠的光潔度不夠、硬度不適當(dāng)、幾何尺寸不合適、彈性不好等.

3 改進(jìn)方案

異型圈與C型圈相比有更大的接觸面積，在使用過程中保證了有效的接觸（如圖2所示）.增大接觸面的同時避免了C型圈接觸面積小對接觸摩擦系數(shù)要求高的弊端.

圖2 C型圈截面改進(jìn)圖Fig.2 C－ring section improvment

橡膠材料在使用過程中隨著使用次數(shù)、時間的增加可能導(dǎo)致材料的硬度發(fā)生變化.過大的間隙也會導(dǎo)致橡膠材料的變形過大，無法回彈［2］.基于可能產(chǎn)生泄漏的原因和橡膠材料的變化，把C型圈改為異型圈，再利用有限元分析軟件對不同硬度、不同間隙的情況進(jìn)行分析.

3.1 模型的建立

3.1.1 材料模型 橡膠密封圈的材料為丁晴橡膠抽象為近似不可壓縮的超彈性材料，其本構(gòu)關(guān)系是復(fù)雜的非線性函數(shù)，在受力后呈現(xiàn)大位移大應(yīng)變，通常用應(yīng)變能函數(shù)表示.在有限元方法中廣泛采用Mooney－Rivlin模型描述橡膠材料的應(yīng)變能函數(shù).

圖2 C型圈截面改進(jìn)圖Fig.2 C－ring section improvment

其中：W 為修正的應(yīng)變能，cij為Rivlin系數(shù)，I1，I2分別為第1、第2Green應(yīng)變不變量.

把Rivlin模型進(jìn)一步簡化，則有：

其中：C10和C01就是Monney常數(shù)C1和C2，也正是一般采用的本構(gòu)模型［3］.

3.1.2 幾何模型 根據(jù)C型圈的實(shí)際工作情況，建立有限元模型.該模型具有高度的幾何對稱性，在建模時可將三維實(shí)體簡化為平面單元模型.上下法蘭均采用plane182的簡化平面單元，上下齒形法蘭的彈性模量為E＝2.1×105N／m2，泊松比為μ＝0.3，異型圈為超彈性體，故采用hyperelastic182平面單元，丁晴橡膠為超彈性材料可近似為不可壓縮的故泊松比μ＝0.5.

3.2 網(wǎng)格劃分

根據(jù)已選定的單元類型，上端面采取映射網(wǎng)格劃分，下端面采用自由網(wǎng)格劃分，模型中共7 600個單元，2 1654個節(jié)點(diǎn)，如圖3所示.

3.3 接觸定義

模型中的接觸單元為CONTA172和目標(biāo)單元TARGE169配對組成，溝槽邊界用剛性體來模擬，剛性面作為目標(biāo)面，柔性體的表面作為接觸面［4］.

圖3 密封圈網(wǎng)格劃分示意圖Fig.3 Sealing ring meshing diagram

3.4 加 載

該設(shè)備水壓試驗(yàn)的壓力為10MPa，根據(jù)異型圈的工作情況，采取上下端齒形法蘭自由度全部約束，異型圈右側(cè)和下側(cè)受10MPa壓力作用，如圖4所示.

圖4 異型圈結(jié)構(gòu)受力和約束圖Fig.4 Special－shaped sealing ring stress and restrain

3.5 結(jié)果分析

3.5.1 不同間隙應(yīng)力云圖對比 根據(jù)密封圈的密封特性分別選取沿接觸對1和接觸對2的兩條線作路徑1和路徑2，如圖3所示，分別做出兩條路徑上的等效應(yīng)力圖，并進(jìn)行對比（橫軸為點(diǎn)編號縱軸為各點(diǎn)等效應(yīng)力單位MPa）

圖5給出了在摩擦系數(shù)為0.2［5］，壓力為10 MPa下，不同間隙［4－6］的 Von Mises應(yīng)力圖.圖 6給出了不同間隙情況下密封圈沿不同路徑的應(yīng)力圖.結(jié)合圖5和圖6可以看出隨著間隙的不斷增大，各點(diǎn)等效應(yīng)力逐漸減小.比較路徑1和路徑2可以看出，隨著位置的改變路徑1上的應(yīng)力變化較大，路徑2上的應(yīng)力逐漸增大且路徑1上的最大等效應(yīng)力大于路徑2（即路徑1對密封圈的密封性能影響大于路徑2）.邊界幾何不連續(xù)引起的應(yīng)力集中越大對密封圈的疲勞損傷越嚴(yán)重，越容易產(chǎn)生裂紋.同時，間隙過大導(dǎo)致密封圈擠入間隙內(nèi)的體積越大，可能導(dǎo)致密封圈無法回彈.綜合超彈性材料的疲勞損傷、變形和回彈、快開門結(jié)構(gòu)和異型圈的制造加工情況考慮，選取最優(yōu)的間隙2mm.3.5.2 不同硬度材料應(yīng)力云圖對比 根據(jù)密封圈的密封特性分別選取沿接觸對1和接觸對2的兩條線作路徑1和路徑2，如圖3所示，分別做出兩條路徑上的等效應(yīng)力圖，并進(jìn)行對比 （橫軸為點(diǎn)編號縱軸為各點(diǎn)等效應(yīng)力單位MPa）.

圖5 不同間隙異型圈分析結(jié)果圖Fig.5 Different gap special－shaped sealing ring analysis results

圖6 不同路徑上的等效應(yīng)力對比圖Fig.6 Von Mises stress contrast on different paths

圖7給出了不同硬度［4－5］情況下的等效應(yīng)力云圖，圖8給出了不同路徑上的等效應(yīng)力在不同硬度情況下的對比圖.結(jié)合圖7和圖8可以看出，在不同的硬度下，異型圈的最大等效應(yīng)力也不相同.路徑1上硬度為90Hr時最大等效應(yīng)力最大，路徑2上硬度為80Hr時各點(diǎn)應(yīng)力值都較小且路徑1上的最大等效應(yīng)力大于路徑2.同樣可以看出路徑1對密封圈的密封性能影響較大.路徑1上的邊界不連續(xù)導(dǎo)致的應(yīng)力集中對密封圈的疲勞影響較大.硬度越小密封圈變形量越大，過大的變形可能導(dǎo)致密封圈無法回彈而過大的硬度又可能導(dǎo)致密封圈的壓力爆破和橡膠老化［7］.綜合密封圈的受力和變形來看，選取合適的硬度為70Hr.

圖7 不同硬度異型圈分析結(jié)果圖Fig.7 Different hardness special－shaped sealing ring analysis results

圖8 不同路徑上的等效應(yīng)力對比圖Fig.8 Von Mises stress contrast on different paths

4 結(jié) 語

通過對不同硬度、不同間隙異型圈的有限元分析，可以近似地模擬異型圈在實(shí)際工況下的應(yīng)力分布和變形情況，根據(jù)工程需要選擇合適的硬度和間隙.在保證密封安全的情況下盡可能的減少異型圈的疲勞損傷和制造成本.

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