基于有限元的密封閥結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方法研究

戴文軍， 王蜀生

（中冶賽迪技術(shù)研究中心有限公司，重慶 401122）

0 引言

密封閥是高爐無料鐘爐頂布料系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備之一。其主要作用是通過開啟和閉合，實(shí)現(xiàn)高爐爐頂布料時(shí)需要的均排壓功能，保證高爐爐內(nèi)始終處于帶壓工作的工況下使原料能順利加入到高爐內(nèi)。密封閥（圖1、圖2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要滿足密封條件要求，即實(shí)際比壓需大于必須比壓且小于許用比壓，而影響密封條件的主要影響參數(shù)有密封圈材質(zhì)性能、壓縮深度、密封寬度等，其中密封圈的壓縮深度尤為關(guān)鍵，設(shè)計(jì)過小則達(dá)不到密封要求，設(shè)計(jì)過大則每次啟閉時(shí)密封圈變形過大，影響壽命。由于傳統(tǒng)手段計(jì)算實(shí)際比壓較困難，傳統(tǒng)的密封閥結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)往往依靠經(jīng)驗(yàn)，不能保證實(shí)際生產(chǎn)過程中的密封效果，也不能盡可能地優(yōu)化參數(shù)從而提高密封圈壽命。文章以串罐無料鐘爐頂上密封為例，研究一種通過有限元分析得到實(shí)際比壓，然后驗(yàn)證密封條件的方法，可有效指導(dǎo)密封閥結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖1 上密封閥結(jié)構(gòu)

圖2 上密封閥結(jié)構(gòu)局部放大

1 密封條件分析

對(duì)于閥門密封，能保證密封的條件為：必須比壓qMF<實(shí)際比壓q<密封件許用比壓[q]。

對(duì)于中等硬度橡膠密封件，必須比壓公式[1]為

式中：bM為密封面寬度，mm；PN為介質(zhì)壓力（本文按設(shè)計(jì)壓力0.30 MPa考慮），MPa；qMF為必須比壓，MPa。

其中，查閱得到中等硬度橡膠件（密封面無滑動(dòng)摩擦）的許用比壓為[q]=5.0 MPa。

因此，對(duì)于無料鐘爐頂上密封閥密封件，硬度為（65±5）HD，為中等硬度，要達(dá)到密封要求，需滿足的條件為

2 密封閥實(shí)際比壓計(jì)算

2.1 橡膠密封件材料常數(shù)的確定

為求得上密封閥的實(shí)際密封比壓，采用ABAQUS有限元方法來對(duì)60 HD（取硬度下限，即最不利情況）硬度的橡膠密封情況進(jìn)行仿真計(jì)算。

本次計(jì)算的密封件為中等硬度（65±5）HD的密封件，是中等硬度的橡膠材料，可以看成是超彈性材料，計(jì)算中采用ABAQUS超彈性材料庫中的Mooney-Rivilin模型，對(duì)于橡膠材料[3]有：

采用該模型，則首先要確定Mooney-Rivilin模型中材料常數(shù)C1、C2。

由彈性模量與橡膠硬度關(guān)系圖（圖3）[2]，可查得60 HD硬度的橡膠彈性模量。

圖3 橡膠彈性模量與硬度關(guān)系

同時(shí)，運(yùn)用有限元計(jì)算小變形（變形小于15.6%）的情況下[3]，C2與C1之比對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大，且C2/C1=0.05時(shí)，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值較吻合。因此，取C2/C1=0.05，根據(jù)公式求得C1=0.762，C2=0.038。

2.2 實(shí)際比壓的計(jì)算

求得60 HD硬度的橡膠的材料常數(shù)C1和C2后，即可開展有限元的計(jì)算分析。

1）計(jì)算模型。此次分析對(duì)象具有軸對(duì)稱性質(zhì)，因此將計(jì)算對(duì)象簡(jiǎn)化為軸對(duì)稱模型，網(wǎng)格類型選用超彈性網(wǎng)格，簡(jiǎn)化后的模型如圖4所示。

圖4 簡(jiǎn)化后軸對(duì)稱模型

2）邊界條件及載荷。對(duì)閥板進(jìn)行約束；對(duì)閥板與密封圈、密封圈與閥座有接觸的地方設(shè)置接觸對(duì)；并在閥座上施加3 mm的向下位移載荷（實(shí)際情況是閥座固定，閥板與密封圈向上壓3 mm，此處為方便計(jì)算，閥板固定，閥座向下壓3 mm，計(jì)算結(jié)果一致）。

3 仿真結(jié)果分析

由圖5可知，密封圈與閥座接觸區(qū)域變形為3 mm，此次計(jì)算的主要目的就是求出當(dāng)密封圈壓縮到限定位置3 mm時(shí)，密封圈與閥座之間的實(shí)際比壓（即有限元計(jì)算結(jié)果圖6中密封圈與閥板接觸區(qū)域的接觸應(yīng)力平均值），經(jīng)取該區(qū)域的節(jié)點(diǎn)接觸應(yīng)力并計(jì)算得到，密封實(shí)際比壓（節(jié)點(diǎn)接觸應(yīng)力平均值）為q=0.72 MPa。

此外，從圖6中可得到，密封圈與閥座接觸長(zhǎng)度，即圖中兩點(diǎn)間距離，數(shù)值為30 mm，即式（1）中的密封面寬度bM=30 mm。因此，當(dāng)密封介質(zhì)壓力PN=0.30 MPa時(shí)，必須比壓為

圖5 變形結(jié)果

圖6 密封面接觸應(yīng)力

因此實(shí)際比壓q滿足：

所以，當(dāng)密封圈壓縮值為3 mm時(shí)，實(shí)際比壓大于必須比壓，并有一定余量，滿足密封條件要求，可實(shí)現(xiàn)密封，即設(shè)計(jì)密封閥限位尺寸為3 mm符合密封條件要求。

依據(jù)上述計(jì)算方法，若計(jì)算得到的實(shí)際比壓小于必須比壓，則說明不能滿足密封要求，在密封面寬度不變的情況下，需增大壓縮深度；若實(shí)際比壓比必須比壓大太多，則不利于密封圈壽命，可適當(dāng)減小壓縮深度，通過調(diào)整相關(guān)參數(shù)，最終達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

4 結(jié)語

密封閥作為高爐爐頂重要設(shè)備，密封結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵，在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中往往依靠經(jīng)驗(yàn)，沒有較好的方法指導(dǎo)優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文提出了一種基于有限元的分析方法，根據(jù)初步設(shè)定的壓縮深度以及其他工況條件可以較為準(zhǔn)確地計(jì)算出實(shí)際比壓，通過密封條件驗(yàn)證，可得出參數(shù)設(shè)計(jì)是否合理，能否滿足密封要求，若不滿足則可調(diào)整相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用該方法可有效指導(dǎo)密封閥結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而延長(zhǎng)密封圈壽命，減少實(shí)際生產(chǎn)維護(hù)成本。目前采用該方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的密封結(jié)構(gòu)已在某工程中應(yīng)用，實(shí)際使用效果良好。

[1] 陸培文,高鳳琴.閥門設(shè)計(jì)計(jì)算手冊(cè)[S].2版.中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009:262-265.

[2] 龔積球,龔震震,趙熙雍.橡膠件的工程設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,2003:8.

[3] 鄭明軍.橡膠件的靜、動(dòng)態(tài)特性及有限元分析[D].北京:北方交通大學(xué),2002:39-44.