新型蟲形密封圈密封性能研究及優(yōu)化

董 杰，常佩琛，謝禹鈞

（遼寧石油化工大學機械工程學院，遼寧撫順113001）

在當今工業(yè)生產(chǎn)中，密封裝置廣泛應用于各種生產(chǎn)設備，密封泄漏問題在設備運行中普遍存在[1]。橡膠密封圈是一種常見的密封元件，壓力系統(tǒng)是否安全可靠與其密封性能密切相關。橡膠密封圈受到系統(tǒng)內(nèi)流體的壓力而回彈，與相鄰密封邊界高度貼合形成自密封，使腔體內(nèi)流體滿足密封條件[2]。

蟲形密封圈位于Dn1160型壓力燒結(jié)爐爐體法蘭與快開爐門間的密封槽內(nèi)。Dn1160型壓力燒結(jié)爐采用JB 4732-1995標準設計，該標準是以塑性失效設計準則和疲勞失效設計準則為基礎的設計方法[3]，可以適應復雜的工作條件。該燒結(jié)爐設計壓力為6.6 MPa，工作壓力為6.0 MPa，水壓試驗壓力為9.6 MPa，設計工作溫度為200℃[4]。工作時，爐內(nèi)填充固體金屬粉末和易爆炸氣體。

蟲形圈采用新工藝氟橡膠材料，可在200～250℃的溫度下長期工作，300℃的溫度下短期工作，且耐磨、耐腐蝕性能良好，是理想的密封材料。橡膠材料具有壓縮性小、變形大、彈性好的特點，因此表現(xiàn)出強烈的非線性特征，給分析檢測帶來諸多困難[5]。近年來，CAE技術發(fā)展迅速，非線性材料的數(shù)值模擬有了突破性進展，本文應用AnsysWorkbench15.0軟件對蟲形圈進行模擬接觸分析，通過改變翹腳高度、安裝壓縮量和內(nèi)壓等參數(shù)進行研究，得出蟲形圈易撕裂位置，并根據(jù)結(jié)果對蟲形圈實際工況和具體參數(shù)進行改進，從而提高整體密封水平。

1 計算模型的建立

1.1 物理模型

橡膠是一種非線性、大變形、體積近似不可壓縮的材料，其泊松比μ一般為0.450～0.499，接近于水的泊松比0.5，因此橡膠受到壓縮時體積幾乎沒有變化[6]。為研究方便，本文提出以下假設：（1）橡膠的拉伸和壓縮性質(zhì)相同，不考慮其松弛老化現(xiàn)象；（2）爐體和爐蓋為金屬材料，其剛度遠大于橡膠，因此不考慮其變形，視其為剛體；（3）密封圈受到的壓縮僅源于爐蓋和爐體法蘭的位移[7]。二系數(shù)Mooney-Rivlin模型可用于描述一般橡膠類非線性材料，其簡化后的應變能函數(shù)表達式見式（1）。

式中，W為應變能密度；C1、C2為材料Mooney-Rivlin系數(shù)（穆尼常數(shù)），本文分別取 1.94和 0.47[8]；I1、I2分別為第一、第二應變張量不變量[9]。

1.2 有限元模型

蟲形圈是其截面繞定軸旋轉(zhuǎn)而成的回轉(zhuǎn)體，工作時僅受到爐門擠壓和爐內(nèi)流體的壓力，且荷載沿密封圈法向均勻分布，使整圈受力分布一致，因此在有限元建模過程中可以將其簡化為二維平面模型。對簡化后的有限元模型進行網(wǎng)格劃分，采用四面體網(wǎng)格劃分方式，網(wǎng)格尺寸0.3，2 984個單元，共劃分9 398個節(jié)點。蟲形圈實體模型及有限元模型網(wǎng)格見圖1，工作位置剖面及局部放大圖見圖2。

圖1 蟲形圈實體模型及有限元模型網(wǎng)格

圖2 工作位置剖面圖及局部放大圖

1.3 邊界條件

蟲形圈進入工作狀態(tài)需要兩個步驟：第一步，將蟲形圈安裝至密封槽內(nèi)，蟲形圈底部寬度略大于槽口寬度，蟲形圈底部沿水平方向受到擠壓，以左側(cè)爐體法蘭的剛體位移約束模擬該過程；當快開爐門關閉到位后，蟲形圈上側(cè)密封唇沿豎直方向被壓縮，以上側(cè)爐蓋的剛體位移約束模擬該過程。此時，密封圈進入預壓縮狀態(tài)，其位移如圖3所示，系統(tǒng)獲得初始密封壓力。第二步，開始加載時，密封圈底部氣孔通入爐內(nèi)氣體，同左側(cè)暴露在溝槽外側(cè)的部分同時受到均勻內(nèi)壓，最終密封圈緊貼在爐蓋底面，實現(xiàn)工作狀態(tài)下的可靠密封。

圖3 蟲形圈預壓縮位移

2 易撕裂區(qū)域的影響因素

Von Mises應力反映密封圈截面上各主應力的大小，Von Mises應力較大的區(qū)域，材料容易出現(xiàn)裂紋，同時，較大的Von Mises應力會加速橡膠材料松弛，造成密封圈剛度下降[10]。Von Mises應力的計算公式見式（2）[11]，Ansys后處理模塊可以給出模擬后具體的計算數(shù)值。

式中，σ為等效應力，MPa；σ1為第一主應力，MPa；σ2為第二主應力，MPa；σ3為第三主應力，MPa。

根據(jù)畸變能密度理論，當材料發(fā)生屈服失效時，應力關系滿足式（3）：

式中，σs為許用應力，MPa。

簡單而言，蟲形圈在某一區(qū)域上Von Mises應力越大，該區(qū)域越容易產(chǎn)生裂紋，進而導致蟲形圈發(fā)生撕裂破壞[12]。

2.1 內(nèi)壓對密封性能的影響

當翹腳高度為4.8 mm、安裝壓縮量0.5 mm時，不同內(nèi)壓下蟲形圈所受的應力（最大Von Mises應力和最大接觸應力）見表1。Von Mises應力最大值出現(xiàn)在蟲形圈右上角槽口部位，而其他位置應力分布較為均勻，所以該區(qū)域是蟲形圈易發(fā)生撕裂破壞的位置，也是導致蟲形圈壽命縮短的重要位置。由表1可知，內(nèi)壓升高時，最大接觸壓力始終大于內(nèi)壓，且二者的差值越來越大，說明該系統(tǒng)密封性能良好，爐內(nèi)壓力升高導致最大Von Mises應力急劇增大，而較高的Von Mises應力會導致蟲形圈產(chǎn)生裂紋甚至破壞，縮短密封圈的使用壽命，是蟲形圈失效的主要原因。因此，在某些高壓或超高壓容器中，密封墊片應考慮使用金屬、石墨、陶瓷纖維等材料[13]。

表1 當翹腳高度為4.8 mm、安裝壓縮量為0.5 mm時，不同內(nèi)壓下蟲形圈所受的應力 MPa

2.2 翹腳高度對密封性能的影響

當安裝壓縮量為0.5 mm、內(nèi)壓為6.0 MPa時，不同翹腳高度下蟲形圈的等效應力云圖如圖4所示。蟲形圈密封唇頂點到圈體上平面的高度即為翹腳高度，由于密封唇所在的面是蟲形圈的關鍵密封面，所以翹腳高度對蟲形圈密封效果的影響不容忽略。由圖4可知，應力集中區(qū)域主要出現(xiàn)在槽口及中部，當翹腳高度增大時，Von Mises應力顯著增大，加速蟲形圈的老化和失效。同時，過大的翹腳高度會使關閉爐門的推力增大，對實際生產(chǎn)產(chǎn)生不利影響。

圖4 當安裝壓縮量為0.5 mm、內(nèi)壓為6.0 MPa時，不同翹腳高度下蟲形圈的等效應力云圖

蟲形圈最大Von Mises應力和最大接觸應力與翹腳高度的關系見表2。由表2可知，隨著翹腳高度增加，最大接觸應力呈線性增加，且與內(nèi)壓的差值越來越大，說明該系統(tǒng)密封性能良好，翹腳高度增加導致最大Von Mises應力也呈線性增加，這對密封圈的使用壽命不利。當翹腳高度為4.0 mm時，最大Von Mises應力與最大接觸應力的差值達到峰值，此時蟲形圈密封性能最好，且使用壽命較長。

2.3 安裝壓縮量對密封性能的影響

當翹腳高度為4.8 mm、內(nèi)壓為6.0 MPa時，不同安裝壓縮量下蟲形圈的等效應力云圖如圖5所示。蟲形圈初次裝配時，為了防止膠圈脫落，采用過盈裝配，蟲形圈底部安裝至密封槽的部分存在少量壓縮，即為安裝壓縮量。由圖5可知，應力集中區(qū)域主要出現(xiàn)在槽口及中部，安裝壓縮量受密封圈幾何尺寸影響，過小的壓縮量可能會引起泄漏[14]；反之，壓縮量過大會導致密封圈安裝困難。

表2 最大Von Mises應力和最大接觸應力與翹腳高度的關系

圖5 當翹腳高度為4.8 mm、內(nèi)壓為6.0 MPa時，不同安裝壓縮量下蟲形圈的等效應力云圖

蟲形圈最大Von Mises應力和最大接觸應力與安裝壓縮量的關系見表3。

表3 最大Von Mises應力和最大接觸應力與安裝壓縮量的關系

由表3可知，隨著安裝壓縮量的增大，最大接觸應力變化幅度不大，浮動在0.5 MPa以內(nèi)，其值遠大于內(nèi)壓，說明該系統(tǒng)密封性能良好，最大Von Mises應力呈現(xiàn)出震蕩趨勢，在壓縮量為0.6 mm之前呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢，壓縮量為0.6 mm時突然升高，之后又呈現(xiàn)出下降趨勢。當安裝壓縮量為0.7 mm時，最大接觸應力與最大Von Mises應力的差值達到峰值，此時密封圈密封效果最好，使用壽命較長。

3 優(yōu)化過程和結(jié)果

當內(nèi)壓為6.0 MPa時，對蟲形圈進行優(yōu)化，優(yōu)化前后最大Von Mises應力和最大接觸應力見表4。由表4可知，優(yōu)化后最大Von Mises應力由6.460 9 MPa降至5.492 4 MPa，降幅為14.99%，有效地提高了蟲形圈的抗撕裂強度和使用壽命；最大接觸應力由10.428 0 MPa降至9.269 5 MPa，降幅為11.11%，仍高于系統(tǒng)內(nèi)壓，蟲形圈滿足密封要求。最大Von Mises仍然出現(xiàn)在槽口附近蟲形圈易發(fā)生撕裂的位置，蟲形圈遠離槽口危險位置的大片區(qū)域應力較小，沒有充分發(fā)揮其抵抗變形的能力。

表4 優(yōu)化前后最大Von Mises應力和最大接觸應力 MPa

為了有效利用蟲形圈應力較小的部位，將金屬絲加入蟲形圈內(nèi)部，利用金屬剛度高的特點，對蟲形密封圈應力較大位置做局部增強處理，以期將集中應力分散傳導至金屬內(nèi)部和密封圈上應力較小的區(qū)域，同時防止蟲形圈在開關爐門時被高壓吹出[15]?，F(xiàn)將直徑為3 mm的金屬絲安裝到蟲形圈內(nèi)，經(jīng)反復試算，使添加的鋼絲圓心距蟲形圈右邊緣3 mm，距蟲形圈上邊緣3 mm，添加金屬絲后的蟲形圈有限元模型如圖6所示。取內(nèi)壓為6.0 MPa，外部因素采用優(yōu)化后的結(jié)果，對添加金屬絲后蟲形圈Von Mises應力和接觸應力進行數(shù)值模擬，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，最大Von Mises應力由5.492 4 MPa降至5.198 6 MPa，降幅5.35%，較好地分散了槽口附近的集中應力，且降低了槽口處橡膠擠出量，有效提高了密封圈的抗撕裂能力和使用壽命，整個蟲形圈的應力分布也更為合理；最大接觸應力出現(xiàn)的位置由槽口附近上移至爐門與蟲形圈的貼合面，其最大值為10.509 0 MPa，與優(yōu)化后的接觸應力相比略有增大，遠超系統(tǒng)內(nèi)壓，符合密封要求。

圖6 添加金屬絲后的蟲形圈有限元模型

圖7 添加金屬絲前后Von Mises應力和接觸應力對比

4 結(jié) 論

（1）當內(nèi)壓增大時，Von Mises應力和接觸應力均線性增加，在正常壓力下，最大接觸壓力遠大于內(nèi)壓，能夠滿足燒結(jié)爐密封要求，但是長時間過大的壓力會加速蟲形圈老化，影響其使用壽命。

（2）翹腳高度對應力影響較大，過大的翹腳高度會使Von Mises顯著增大，同時影響爐門閉合；過小的翹腳高度容易導致初始密封壓力不足的問題，從而引起泄漏。當翹腳高度為4.0 mm時，最大Von Mises和最大接觸應力的差值達到峰值，此時密封效果最好。

（3）安裝壓縮量對應力的影響是非線性的，過小的壓縮量會引起泄漏，而過大的壓縮量會導致密封圈安裝困難。當安裝壓縮量為0.7 mm時，最大Von Mises應力與最大接觸壓力的差值達到峰值，此時密封效果最好。

（4）在密封圈內(nèi)加入金屬絲后最大Von Mises應力有所降低，同時應力分布更為合理，最大接觸應力仍高于內(nèi)壓，滿足密封要求。加入金屬絲后整體上提高了膠圈的剛度，使蟲形圈在開閉爐門時不易被吹出，有效地提高了蟲形圈的使用壽命和效率，同時也為同類型密封圈的設計和優(yōu)化提供了一種新思路。