快開閥芯橡膠密封墊密封結(jié)構(gòu)的有限元分析

劉少春，楊曉翔

(福州大學機械工程與自動化學院，福建 福州 350002)

橡膠密封件因成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單及安裝方便等優(yōu)點，在水暖建材行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。本工作以快開閥芯橡膠密封墊的靜密封為例，利用有限元軟件對其密封結(jié)構(gòu)建模，計算和分析快開閥芯裝配過程中橡膠密封墊所承受的應(yīng)力，分析在最大工作介質(zhì)壓力下橡膠密封墊的密封性能，以期為確定快開閥芯橡膠密封墊的軸向壓縮量提供依據(jù)，從而提高橡膠密封墊設(shè)計質(zhì)量，縮短研發(fā)周期。

1 有限元模型建立

快開閥和快開閥芯橡膠密封墊分別如圖1和2所示。

圖1 快開閥

橡膠材料本構(gòu)關(guān)系的非線性以及橡膠制品應(yīng)用時的大變形性、接觸非線性邊界條件使橡膠制品的工程模擬難度非常大。模擬的準確性與采用的本構(gòu)關(guān)系模型以及模型中材料參數(shù)有密切關(guān)系。本工作選用Mooney-Rivlin模型作為材料的本構(gòu)模型。

圖2 快開閥芯橡膠密封墊

1.1 材料參數(shù)的確定

Mooney-Rivlin模型中材料常數(shù)（C）與材料彈性模量（E）的關(guān)系為[1-2]：

根據(jù)經(jīng)驗公式：

橡膠邵爾A型硬度（A）與E的關(guān)系為[3]：

本設(shè)計密封墊材料為硅橡膠，邵爾A型硬度為70度，從式（1）～（3）得出E為7.29 MPa，C01為0.243 MPa，C10為0.972 MPa，泊松比為0.499。

1.2 分析模型

根據(jù)快開閥芯橡膠密封墊的對稱性，取密封結(jié)構(gòu)的1/4建模，模型的有限元網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 快開閥芯橡膠密封墊密封結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格

與橡膠密封墊接觸的表面均視為剛性面，只有橡膠密封墊為變形體，由6024個20節(jié)點六面體單元SOLID186組成，接觸單元為TARGE170和CONTA174。密封是接觸式密封，采用ANSYS軟件提供的Augmented Lagrange接觸迭代算法。采用滑動庫侖摩擦模型，摩擦因數(shù)取0.2?？扉_閥芯橡膠密封墊密封約束條件如圖4所示。圖4中，A截面上設(shè)置xoy平面為對稱面，B截面上設(shè)置yoz平面為對稱面，閥殼零件的C面約束所有自由度，底座零件約束外柱面D的圓周和徑向自由度，釋放軸向y方向的自由度，同時向底座零件底面E施加y方向的位移，使橡膠密封墊產(chǎn)生軸向預(yù)壓縮。整個過程用來模擬快開閥芯的安裝過程。

圖4 快開閥芯橡膠密封墊密封的約束條件

2 有限元分析

2.1 裝配應(yīng)力分析

橡膠密封墊在裝配時受到軸向預(yù)壓縮，形成有效的密封帶，保證快開閥芯在承受工作介質(zhì)壓力時不會泄漏。軸向壓縮量為0.4 mm，0.6 mm，0.8 mm和1.0 mm時橡膠密封墊的Von Mise應(yīng)力分布分別如圖5～8所示。從圖5～8可以看出：隨著軸向壓縮量增大，應(yīng)力較大的區(qū)域位置未發(fā)生變化，基本都在上、下接觸面和圖5圓圈標識處；隨著軸向壓縮量增大，應(yīng)力增大。在較大應(yīng)力作用下，橡膠會發(fā)生不可恢復(fù)的永久變形或材料失效，影響橡膠制品的密封性能。

圖5 軸向壓縮量為0.4 mm時橡膠密封墊的Von Mise應(yīng)力分布

橡膠密封墊最大Von Mise應(yīng)力與軸向壓縮量的關(guān)系如圖9所示。從圖9可以看出，最大應(yīng)力與軸向壓縮量呈非線性關(guān)系；隨著壓縮量增大，最大應(yīng)力增長率增大，即曲線斜率增大。

圖9 橡膠密封墊軸向壓縮量與最大Von Mise應(yīng)力的關(guān)系

2.2 密封性能分析

圖6 軸向壓縮量為0.6 mm時橡膠密封墊的Von Mise應(yīng)力分布

橡膠密封的失效準則和失效判據(jù)目前普遍采用的是最大接觸應(yīng)力大于工作壓力[4]。根據(jù)美國衛(wèi)浴排水產(chǎn)品標準ASME A112.18.2-2011-CSA B125.2-11，水龍頭承受的最高工作水壓為0.86 MPa。因此，為保證快開閥芯能承受0.86 MPa工作水壓，橡膠密封墊上、下接觸面的接觸應(yīng)力要大于0.86 MPa。根據(jù)快開閥芯軸向裝配尺寸計算，橡膠密封墊的最小軸向壓縮量一般為0.4 mm。因此，在快開閥芯工作水壓為0.86 MPa和橡膠密封墊軸向壓縮量為0.4 mm時，橡膠密封墊上、下接觸面的接觸應(yīng)力大于0.86 MPa才能保證快開閥芯的密封性能。

圖7 軸向壓縮量為0.8 mm時橡膠密封墊的Von Mise應(yīng)力分布

圖8 軸向壓縮量為1.0 mm時橡膠密封墊的Von Mise應(yīng)力分布

為了研究橡膠密封墊的密封性能，模擬了快開閥芯工作水壓為0.86 MPa和橡膠密封墊軸向壓縮量為0.4 mm時橡膠密封墊上、下接觸面的接觸應(yīng)力（如圖10所示）。從圖10可以看出，接觸面中接觸區(qū)域的接觸應(yīng)力大于工作壓力，接觸區(qū)域越長說明橡膠密封墊的密封效果越好。

圖10 橡膠密封墊上、下接觸面的接觸應(yīng)力

綜上所述，設(shè)計合理的橡膠密封墊安裝過盈量非常重要，既能保證密封，又能使橡膠密封墊的應(yīng)力盡量小，以保證橡膠密封墊較長的使用壽命。

3 橡膠密封墊軸向預(yù)緊力模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比

為了驗證模擬結(jié)果的準確性，進行快開閥芯橡膠密封墊軸向壓縮試驗，得到橡膠密封墊軸向壓縮量和軸向預(yù)緊力數(shù)據(jù)，并與有限元計算結(jié)果進行對比（如圖11所示）。從圖11可以看出：在軸向壓縮量小于0.8 mm時，軸向預(yù)緊力模擬值稍大于試驗實測值；在軸向壓縮量大于0.8 mm后，軸向預(yù)緊力模擬值與試驗實測值差別不大。從總體來看，模擬結(jié)果和試驗結(jié)果比較吻合。在實際實施的設(shè)計方案中，快開閥芯橡膠密封墊軸向壓縮量的設(shè)計名義值為0.8 mm左右。因此，本工作所構(gòu)建的有限元分析模型及材料參數(shù)確定方法對類似的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計具有參考價值。

圖11 橡膠密封墊軸向壓縮量與軸向預(yù)緊力的關(guān)系

4 結(jié)論

（1）通過建立快開閥芯橡膠密封墊密封結(jié)構(gòu)的Mooney-Rivlin非線性有限元分析模型來模擬橡膠密封墊安裝及工作密封過程，可以得到任意軸向壓縮量下橡膠密封墊的應(yīng)力和變形的變化規(guī)律，以便優(yōu)化建立橡膠密封墊的設(shè)計。

（2）有限元分析得出：快開閥芯橡膠密封墊裝配時，隨著軸向壓縮量增大，應(yīng)力較大的區(qū)域位置未發(fā)生變化，基本在上、下接觸面；軸向壓縮量增大，Von Mise應(yīng)力增大；最大Von Mise應(yīng)力與軸向壓縮量呈非線性關(guān)系，軸向壓縮量增大，最大應(yīng)力增長率增大。

（3）為了保證橡膠密封墊的密封性能和使用壽命，在橡膠密封墊設(shè)計中確定合理的軸向壓縮量非常重要。本設(shè)計橡膠密封墊的合理壓縮量為0.8 mm。

（4）密封墊軸向壓縮量和軸向預(yù)緊力的模擬結(jié)果與試驗結(jié)果比較吻合。