旋塞閥柱面O形圈密封性能研究

杜國(guó)飛，李磊磊，李 君，姚 旗，馬 永

（北京衛(wèi)星制造廠，北京 100094）

旋塞閥柱面O形圈密封性能研究

杜國(guó)飛，李磊磊，李 君，姚 旗，馬 永

（北京衛(wèi)星制造廠，北京 100094）

以旋塞閥柱面O形橡膠密封圈為對(duì)象進(jìn)行受力分析；利用ABAQUS軟件實(shí)現(xiàn)閥芯旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的三維非線性接觸動(dòng)力學(xué)仿真，分析了密封圈硬度、摩擦因數(shù)及閥芯旋轉(zhuǎn)速度等因素對(duì)柱面密封圈最大接觸壓力和Von Mises應(yīng)力狀況的影響。結(jié)果表明：柱面O形密封圈的左右兩端是最大應(yīng)力發(fā)生的主要部位；密封圈硬度值和摩擦因數(shù)是影響密封性能的重要因素；閥芯旋轉(zhuǎn)速度在一定范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，對(duì)密封性能影響較小。

旋塞閥；柱面O形圈；密封性能研究

0　引言

供氧系統(tǒng)作為空間站環(huán)控生保分系統(tǒng)中的重要組成部分，主要作用在于保證艙內(nèi)的氧氣供給，給航天員創(chuàng)造一個(gè)舒適的空間環(huán)境。供氧系統(tǒng)中的截止閥作為供氧系統(tǒng)的重要單機(jī)，起著氧路系統(tǒng)的開啟及關(guān)閉功能。用于微重力狀態(tài)下的截止閥，其特殊的使用環(huán)境決定了截止閥應(yīng)該具有快速關(guān)閉、較好的工效學(xué)（操作力矩?。?、輕量化、密封性能優(yōu)良、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。

旋塞閥因其具有扭矩小、四分之一圈操作、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，能可靠地關(guān)斷正向流動(dòng)壓力可達(dá)20MPa的流體，被應(yīng)用于環(huán)控生保分系統(tǒng)供氧系統(tǒng)中。旋塞閥利用柱面O形圈實(shí)現(xiàn)閥門的開啟與關(guān)閉，進(jìn)而對(duì)供氧系統(tǒng)進(jìn)行通斷控制［1］。

因此，研究旋塞閥柱面O形密封圈密封性能機(jī)理，提高旋塞閥密封性能，具有一定的實(shí)際意義。

隨著計(jì)算機(jī)性能的提高，數(shù)值計(jì)算方法、材料學(xué)以及大型有限元分析軟件的發(fā)展，利用非線性有限元對(duì)密封件在安裝和使用中的高度非線性接觸問題進(jìn)行研究成為可能。本文利用ABAQUS軟件對(duì)旋塞閥柱面O形圈密封性能進(jìn)行研究。

1　旋塞閥簡(jiǎn)介

供氧系統(tǒng)中用于開關(guān)控制的旋塞閥結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示，圖1代表旋塞閥的關(guān)閉狀態(tài)，圖2代表旋塞閥的開啟狀態(tài)，將閥芯逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°實(shí)現(xiàn)旋塞閥由關(guān)閉到開啟狀態(tài)切換。

圖1　旋塞閥關(guān)閉狀態(tài)

圖2　旋塞閥開啟狀態(tài)

2　仿真方案

2.1模型簡(jiǎn)化

根據(jù)旋塞閥實(shí)際結(jié)構(gòu)的接觸關(guān)系和邊界務(wù)件，有限元模型經(jīng)過適當(dāng)簡(jiǎn)化，如圖3所示。

1）閥體、閥芯均采用實(shí)體單元，網(wǎng)格劃分采用10節(jié)點(diǎn)的四面體單元C3D10；

2）閥體保留主體部分的一半，以方便施加預(yù)壓縮量；

3）認(rèn)為柱面O形圈的橡膠材料為不可壓縮材料，橡膠圈也采用實(shí)體單元，網(wǎng)格劃分采用10節(jié)點(diǎn)的四面體單元C3D10。

圖3　旋塞閥柱面密封結(jié)構(gòu)仿真模型

2.2材料模型及參數(shù)的確定

閥體和閥芯的材料為316L不銹鋼，彈性模量為200GPa，泊松比0.3，密度7850kg/m3。

柱面O形圈的本構(gòu)關(guān)系采用Mooney-Rivlin模型來描述，Mooney-Rivlin模型用于描述其在50%～150%應(yīng)變范圍內(nèi)的變形，有著比較高的精度，完全能夠滿足橡膠材料的計(jì)算需求［2］，其簡(jiǎn)化后的兩參數(shù)Mooney-Rivlin模型為：

其中，W為修正的應(yīng)變勢(shì)能；C10、C01為材料常數(shù)（Mooney-Rivlin常數(shù)）；I1、I2為應(yīng)力張量的第1、第2不變量。

C10和C01可以通過橡膠的硬度來確定，將橡膠的邵氏硬度HA，代入公式（2）：

對(duì)于不可壓縮材料，彈性模量E滿足：

表1［3］給出了不同硬度時(shí)C10與C01的比值，根據(jù)表1和式（2）～式（3）可以確定不同硬度下橡膠的C10和C01值，如表2所示。

表1　不同硬度時(shí)C10與C01的比值

表2　不同硬度橡膠材料的參數(shù)

2.3載荷及工況

計(jì)算過程中，載荷分為兩步：

第一步為預(yù)壓縮，在閥體平面上施加指定位移，計(jì)算在預(yù)壓縮量下，柱面O形圈的預(yù)應(yīng)力分布以及O形圈與閥體閥芯的接觸應(yīng)力；

第二步為閥芯旋轉(zhuǎn)，閥芯繞中心軸以指定的角速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，模擬閥的開啟與關(guān)閉；

根據(jù)整個(gè)過程的變形與應(yīng)力分布來考察密封圈的密封性能。

2.4密封失效準(zhǔn)則

密封失效采用以下兩種準(zhǔn)則［4］：

1）最大接觸應(yīng)力準(zhǔn)則

根據(jù)密封理論，實(shí)現(xiàn)可靠密封的充分必要?jiǎng)?wù)件是O形圈與閥體閥芯的接觸應(yīng)力不小于被密封壓力（即介質(zhì)壓力）。

2）剪切應(yīng)力準(zhǔn)則

密封圈在旋轉(zhuǎn)的過程中容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，如果其應(yīng)力超過橡膠材料的剪切強(qiáng)度，密封圈可能會(huì)被剪斷，造成密封失效。保證密封不失效，剪切應(yīng)力應(yīng)滿足：

其中，（σij）max為O形圈受到的最大剪應(yīng)力，［τb］為O形圈材料的許用抗剪強(qiáng)度。

3　計(jì)算結(jié)果

首先對(duì)柱面密封的整個(gè)過程進(jìn)行仿真，計(jì)算參數(shù)選取如下：

1）柱面O形圈壓縮量20%，硬度60；

2）柱面O形圈與閥體之間的摩擦系數(shù)0.3；

3）閥芯轉(zhuǎn)速1rad/s，旋轉(zhuǎn)角度0.6rad。

預(yù)壓縮結(jié)束和閥芯旋轉(zhuǎn)結(jié)束時(shí)，柱面O形圈的等效應(yīng)力分布如圖4所示。

整個(gè)過程中，等效應(yīng)力隨時(shí)間的變化情況如圖5所示。

圖4　載荷步結(jié)束時(shí)柱面O形圈的等效應(yīng)力分布云圖

圖5　等效應(yīng)力隨時(shí)間的變化

從以上結(jié)果可以看出，在預(yù)壓縮和閥芯旋轉(zhuǎn)兩個(gè)載荷步中，等效應(yīng)力均隨時(shí)間呈上升趨勢(shì)。

本文選取了3個(gè)工況，對(duì)不同密封圈硬度、摩擦系數(shù)、閥芯旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行仿真，考察不同參數(shù)對(duì)柱面密封性能的影響。分析采用的參數(shù)如表3所示。

表3　仿真參數(shù)

3.1不同轉(zhuǎn)速

考察閥芯的不同轉(zhuǎn)速對(duì)柱面O形圈密封性能的影響，對(duì)3種轉(zhuǎn)速（1rad/s、2rad/s、4rad/s）下柱面密封情況進(jìn)行了仿真計(jì)算。其中，摩擦系數(shù)取0.3，橡膠硬度取60。

最大應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4　不同轉(zhuǎn)速下的仿真結(jié)果

從表4可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速大于2rad/s后，應(yīng)力趨于穩(wěn)定，其后受轉(zhuǎn)速的影響很小。

最大等效應(yīng)力2.14MPa，相對(duì)于橡膠材料的破壞強(qiáng)度（氯丁橡膠23～27MPa）很??；最大剪切應(yīng)力0.98MPa，與抗剪強(qiáng)度（4.6MPa）相比，也很??；最小接觸應(yīng)力2.48MPa，可以保證壓力小于2MPa的情況下，密封不會(huì)失效。

3.2不同摩擦系數(shù)

計(jì)算橡膠圈與閥芯之間不同的摩擦系數(shù)對(duì)密封性能的影響。選取3組摩擦系數(shù)（0.1、0.2、0.3），取轉(zhuǎn)速1rad/s，橡膠硬度60，進(jìn)行仿真。結(jié)果如表5所示。

表5　不同轉(zhuǎn)速下的仿真結(jié)果

從表5可以看出，當(dāng)摩擦系數(shù)小于0.2時(shí)，最大應(yīng)力之間的差距不大；當(dāng)摩擦系數(shù)變大（超過0.3）后，橡膠圈的等效應(yīng)力和剪應(yīng)力有較大提高，而接觸應(yīng)力并沒有很大提升，可以說明摩擦系數(shù)存在一個(gè)合理的值，此時(shí)，橡膠圈內(nèi)的應(yīng)力不會(huì)導(dǎo)致橡膠圈的破壞，還可以一定提高密封性能。

3.3不同橡膠硬度

分析橡膠的不同硬度（HA=60、70、80）對(duì)密封性能的影響。計(jì)算時(shí)，摩擦系數(shù)取0.3，轉(zhuǎn)速取1rad/s。

不同硬度的橡膠圈的應(yīng)力結(jié)果如表6所示。

表6　不同硬度的仿真結(jié)果

從上表可以看出，各應(yīng)力受橡膠硬度的影響很大，橡膠的硬度越高，應(yīng)力也越大。

最大等效應(yīng)力4.99MPa，相對(duì)于橡膠材料的破壞強(qiáng)度（氯丁橡膠23～27MPa）較?。蛔畲蠹羟袘?yīng)力1.93MPa，與抗剪強(qiáng)度（4.6MPa）相比，也不大。

雖然較高硬度的橡膠可以提高密封性能，但是也會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力，可能引起橡膠圈本身的破壞。

4　結(jié)論

通過對(duì)柱面O形圈的仿真分析，可以得到以下結(jié)論：

1）在閥芯的旋轉(zhuǎn)過程中，應(yīng)力隨轉(zhuǎn)角呈上升趨勢(shì)；

2）閥芯轉(zhuǎn)速超過一定值后，O形圈的密封性能不會(huì)改變，大轉(zhuǎn)速不會(huì)引起密封失效；

3）摩擦系數(shù)存在一個(gè)合理的值，選取0.2～0.3較為合適；

4）較高硬度的橡膠可以提高密封性能，可以選擇硬度在70～80范圍內(nèi)橡膠材料。

［1］ 世偉洛克產(chǎn)品目錄［Z］.2011.

［2］ 周志鴻，張康雷，李靜，等.O形橡膠密封圈應(yīng)力與接觸壓力的有限元分析［J］.潤(rùn)滑與密封，2006，31（4）：86-89.

［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.

［4］ 吳廣平，宋筆鋒，崔衛(wèi)民.O形圈剪切破壞的可靠性分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009，8（8）：125-127.

Sealing performance of cylinder O-ring seal in rotary plug valve

DU Guo-fei， LI Lei-lei， LI Jun， YAO Qi， MA Yong

V44

A

1009-0134（2016）10-0048-03

2016-08-03

杜國(guó)飛（1983 -），男，山西運(yùn)城人，工程師，碩士，主要從事流體類產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)工作。