盾構(gòu)機(jī)橡膠密封件孔洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析

戴紅峰

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870）

盾構(gòu)機(jī)橡膠密封件孔洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析

戴紅峰

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870）

針對(duì)盾構(gòu)機(jī)橡膠密封件防水性能研究，利用有限元ANSYS軟件分別對(duì)孔洞形狀為圓形、正三角形和正六邊形的橡膠密封件進(jìn)行分析。結(jié)果表明：橡膠的實(shí)際壓縮量越大，橡膠的變形量越大，接觸應(yīng)力越大；相同的橡膠實(shí)際壓縮量的情況下，圓形孔洞的變形量小于三角形孔洞變形量，正三角形孔洞的變形量小于正六邊形的變形量；正六邊形孔洞的橡膠密封性能比圓形孔洞的橡膠密封性能好，圓形孔洞橡膠的密封性能好于正三角形的密封性能。

盾構(gòu)機(jī)；橡膠密封件；有限元分析；密封性能

盾構(gòu)機(jī)技術(shù)廣泛應(yīng)用于城市地鐵隧道工程。由于該工程屬于底下工程，所以盾構(gòu)機(jī)的結(jié)構(gòu)防水問(wèn)題是技術(shù)中的關(guān)鍵問(wèn)題。如今多為壓縮彈性密封墊，利用不膨脹的橡膠墊圈的接觸應(yīng)力進(jìn)行結(jié)構(gòu)防水。

據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可知，以前研究人員多為對(duì)橡膠密封槽的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究。例如，對(duì)橡膠密封墊溝槽對(duì)稱時(shí)對(duì)橡膠墊圈進(jìn)行有限元分析研究，對(duì)密封墊溝槽非對(duì)稱的情況下對(duì)橡膠墊圈進(jìn)行分析；對(duì)橡膠墊密封件的使用壽命的研究橡膠孔洞均采用用圓形孔洞，很少有人對(duì)橡膠墊孔洞形狀進(jìn)行研究，在孔洞形狀不同時(shí)，會(huì)影響橡膠墊的防水性能。

大型的盾構(gòu)機(jī)多采用對(duì)孔孔洞或錯(cuò)孔孔洞排布。本文選取孔洞形狀為圓形、三角形、六邊形的橡膠墊，利用有限元分析軟件ANYSYS對(duì)上述不同孔洞的形狀及其排布進(jìn)行數(shù)值分析，研究不同形狀孔洞的橡膠應(yīng)力及位移分布，得出相應(yīng)結(jié)論，為以后盾構(gòu)機(jī)橡膠密封墊的設(shè)計(jì)提供依據(jù)和參考。

圖1 溝槽橫截面

圖2 橡膠孔洞橫截面圖

1 盾構(gòu)機(jī)橡膠密封件有限元計(jì)算模型

1.1 橡膠材料的幾何模型建立

取盾構(gòu)機(jī)接頭管片溝槽如圖1，兩側(cè)為對(duì)稱，溝槽深度為15mm。

圖2中不同孔洞的橡膠密封件的斷面，斷面中橡膠的面積與孔洞面積之比不變，橡膠的面積為615mm，孔洞總面積均為283mm，孔洞面積與橡膠的面積比為1:2.17，該比值在合理的范圍內(nèi)。

1.2 橡膠材料模型建立

橡膠材料屬于超彈性材料，ANSYS分析常用的超彈材料模型有Arrb-da-Boyce Model、Blatz-Ko Model、Cent Model、Mooner-Rivlin模型、奧格登可壓縮泡沫模型和Ogden Poten-tial等。對(duì)于三元乙丙橡膠的應(yīng)力應(yīng)變分析一般采用 2 階的Mooner-Rivlin模型，其表達(dá)式為：

式中：W為應(yīng)變勢(shì)能函數(shù)；C10和C10是三元乙丙橡膠的兩個(gè)性能參數(shù)；1I和2I分別為第1、第2應(yīng)變偏量不變量。

密封件的材料主要為三元乙丙橡膠，硬度為68度，密度為0.87。取C10=0.78MPa ，C10=0.039MPa，泊松比取0.48。橡膠與橡膠之間建立為柔柔接觸，槽與橡膠之間建立為剛?cè)峤佑|，約束剛體的自由度，密封件的上下兩端施加對(duì)稱的邊界條件。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 密封件性能的參數(shù)指標(biāo)

由橡膠的密封原理可知，密封墊工作狀態(tài)下的材料性能類似于高粘體系，它具有把壓力傳遞到與其接觸面的特性。因此彈性密封墊的防水性能主要體現(xiàn)在接觸面上的接觸應(yīng)力上。接觸應(yīng)力大于水壓時(shí)，密封件才能達(dá)到密封效果。所以設(shè)計(jì)的彈性密封圈在滿足尺寸要求的前提下，橡膠墊的壓縮變形后表面產(chǎn)生的接觸應(yīng)力越大，其密封性能越好。

2.2 壓縮變形計(jì)算

用壓縮變形的多少來(lái)估算，橡膠密封墊的易損壞部位，以及不同壓縮量時(shí)的損害程度。圖3和圖4分別表示不同壓縮量時(shí)的橡膠變形。

由圖3可知，橡膠墊壓縮2mm時(shí)，圓形孔洞、三角形孔洞和六邊形孔洞的變形量基本相同，且變形程度呈現(xiàn)對(duì)稱圖形。

由圖4可知，當(dāng)橡膠墊壓縮3mm，圓形孔洞和六邊形孔洞的變形量基本相同，變形呈現(xiàn)對(duì)稱圖形。而三角形孔洞的變形量偏小，變形大處較為集中，橡膠結(jié)構(gòu)容易損害。

圖3 橡膠實(shí)際壓縮2mm的變形圖

圖4 橡膠墊實(shí)際壓縮3mm時(shí)的變形圖

2.3 接觸應(yīng)力計(jì)算

橡膠密封件接觸應(yīng)力的大小是衡量密封件密封性能的重要標(biāo)志。一般密封件上下表面承受水壓的能力均取接觸應(yīng)力的最大“緩峰”值，在設(shè)計(jì)橡膠密封件時(shí)，管片處于最大張開量時(shí)的表面接觸應(yīng)力是否大于水壓值是設(shè)計(jì)人員最為擔(dān)心的。圖5和圖6分別為不同壓縮量時(shí)的接觸應(yīng)力。

由圖5可知，當(dāng)橡膠實(shí)際壓縮1mm時(shí)，圓形孔洞和三角形孔洞的橡膠所產(chǎn)生的接觸應(yīng)力基本相同，大小分別為0.86MPa和0.74MPa，正六邊形孔洞的橡膠接觸應(yīng)力較大，為1.1MPa。

圖5 橡膠墊實(shí)際壓縮1mm時(shí)接觸應(yīng)力

由圖6可以看出，當(dāng)橡膠的實(shí)際壓縮2mm時(shí)，圓形孔洞的橡膠所產(chǎn)生的接觸應(yīng)力為1.8MPa，正三角形的孔洞的橡膠的接觸應(yīng)力為1.5MPa，正六邊形的橡膠接觸應(yīng)力為3.2MPa，其大小為正六邊形的橡膠接觸應(yīng)力大于圓形孔洞的橡膠接觸應(yīng)力，圓形孔洞的橡膠接觸應(yīng)力大于正三角形的橡膠接觸應(yīng)力。

圖6 橡膠墊實(shí)際壓縮2mm時(shí)接觸應(yīng)力

3 結(jié)論與建議

利用ANSYS分析軟件分析計(jì)算了在橡膠面積和孔洞面積相等的情況下，圓形孔洞、正三角形孔洞和正六邊形孔洞在不同橡膠實(shí)際壓縮量的條件下，橡膠密封件的變形量與變形位置，以及橡膠表面的接觸應(yīng)力，從而估算橡膠密封件的防水性能。

（1）橡膠的實(shí)際壓縮量越大，橡膠的變形量越大，接觸應(yīng)力越大。

（2）相同的橡膠實(shí)際壓縮量，圓形孔洞的變形量小于三角形孔洞變形量，正三角形孔洞的變形量小于正六邊形的變形量。

（3）相同的橡膠實(shí)際壓縮量，正六邊形的接觸應(yīng)力大于圓形孔的橡膠的接觸應(yīng)力，圓形孔洞橡膠的接觸應(yīng)力大于正三角形孔洞的接觸應(yīng)力，即正六邊形孔洞的橡膠密封性能比圓形孔洞的橡膠密封性能好，圓形孔洞橡膠的密封性能好于正三角形的密封性能。

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