焚燒灰處理裝備密封結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

楊世香，李文強(qiáng)

（1.四川大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都 610065；2.四川大學(xué)創(chuàng)新設(shè)計(jì)與創(chuàng)新方法四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610065）

焚燒灰是可燃放射性固體廢物高溫燃燒后的產(chǎn)物。其粒徑分布較廣，有燒結(jié)塊，硬度很大。為滿足焚燒灰粒塊的固化要求，須對(duì)其進(jìn)行破碎處理［1］。目前國內(nèi)針對(duì)焚燒灰處理裝備的研發(fā)剛剛起步，裝備密封技術(shù)還屬空白。焚燒灰具有放射性活度高、容易逸散等特點(diǎn)，研制適用于遠(yuǎn)程控制的、高可靠性的焚燒灰處理裝備密封結(jié)構(gòu)對(duì)保證作業(yè)人員的健康、推動(dòng)焚燒灰處理裝備的工業(yè)化有著極其重要的作用。

在實(shí)際工程運(yùn)用中，為充分保證焚燒灰處理裝備的密封性能，提高密封結(jié)構(gòu)的可靠性，通常會(huì)選用軸向密封和徑向密封兩種密封方式而形成雙重密封結(jié)構(gòu)。彭飛等［2］針對(duì)深水連接器設(shè)計(jì)了一種能夠在深水高壓、腐蝕條件下安裝和服役的雙重密封結(jié)構(gòu)，采用錐面/錐面接觸密封為徑向主密封，采用O形圈作為徑向輔助密封；該密封結(jié)構(gòu)具有可靠性高、溫度補(bǔ)償能力強(qiáng)、自緊效果好等優(yōu)點(diǎn)，但被密封的兩部分之間必須有較好的對(duì)中性，對(duì)中效果由轂座外的對(duì)中機(jī)構(gòu)保證。劉戰(zhàn)偉［3］根據(jù)水下運(yùn)載器可伸縮式對(duì)接裝置的密封要求，通過對(duì)現(xiàn)有密封技術(shù)的研究，設(shè)計(jì)了以C形密封圈作為徑向密封，以T形格萊圈作為軸向密封，設(shè)置耐磨圈對(duì)主密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)的雙重密封結(jié)構(gòu)，使密封結(jié)構(gòu)不僅具有大間隙密封功能，而且具有很好的靜密封能力，同時(shí)增設(shè)了對(duì)中板以保證對(duì)接裝置具有較好的對(duì)中性。孫永泰等［4］發(fā)明了一種海底管道對(duì)接連接密封裝置，其密封結(jié)構(gòu)的徑向密封采用2個(gè)密封環(huán)和柱面/柱面接觸密封方式，軸向密封采用密封圈；該密封裝置在限定的位置可以依靠自身導(dǎo)向徑向定位，對(duì)密封預(yù)緊力的要求較低且其密封可靠性高，但該密封結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有較多定位和密封零件以及精加工面。王勇等［5］分析了柱塞密封結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)采用2個(gè)串聯(lián)的O形圈形成雙重徑向密封結(jié)構(gòu)；因具有良好的密封性能，被廣泛用于飛船各個(gè)分系統(tǒng)的管路連接中，如返回艙的推進(jìn)系統(tǒng)、軌道艙的環(huán)控系統(tǒng)和內(nèi)回路系統(tǒng)等，但該密封結(jié)構(gòu)須依靠外部對(duì)中結(jié)構(gòu)以防止O形圈被擠出。

通過對(duì)現(xiàn)有成熟密封結(jié)構(gòu)的分析可知，現(xiàn)有密封結(jié)構(gòu)均不能滿足焚燒灰處理裝備對(duì)接裝置的密封要求。因此，筆者通過分析現(xiàn)有密封結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用 TRIZ（Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch，發(fā)明問題解決理論）提出了一種能克服對(duì)接平臺(tái)與標(biāo)準(zhǔn)鋼桶對(duì)接時(shí)對(duì)中精度不高的缺陷、密封可靠性好、結(jié)構(gòu)簡單且不會(huì)增大裝備復(fù)雜性的對(duì)接裝置密封結(jié)構(gòu)。建立了該密封結(jié)構(gòu)的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)及其計(jì)算公式，根據(jù)焚燒灰處理裝備的使用情況進(jìn)行了指標(biāo)分析，并對(duì)該密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析，優(yōu)化了創(chuàng)新方案，以期為遠(yuǎn)程解決對(duì)接裝置的密封問題提供有益借鑒。

1 焚燒灰處理裝備的工作過程和密封方式分類

1.1 焚燒灰處理裝備的工作過程

焚燒灰處理裝備的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其工作過程為：由人工將裝有焚燒灰的標(biāo)準(zhǔn)鋼桶揭蓋并放置在輥道1上，標(biāo)準(zhǔn)鋼桶通過輥道1運(yùn)輸至提升位置，再由提升裝置提升至指定高度；對(duì)接平臺(tái)的鎖緊機(jī)構(gòu)托起標(biāo)準(zhǔn)鋼桶的法蘭并抱緊桶身，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)對(duì)接裝置翻轉(zhuǎn)并將它平移至集料倉上方；對(duì)接裝置與集料倉進(jìn)行對(duì)接，完成后對(duì)接裝置和集料倉的入口閥門開啟，標(biāo)準(zhǔn)鋼桶內(nèi)的焚燒灰倒入集料倉；焚燒灰倒入完畢后，對(duì)接裝置和集料倉的入口閥門關(guān)閉，粉碎機(jī)啟動(dòng)，集料倉出口閥門開啟，破碎的焚燒灰進(jìn)入預(yù)存標(biāo)準(zhǔn)鋼桶，同時(shí)對(duì)接裝置原路返回至初始工位，鎖緊機(jī)構(gòu)復(fù)位，標(biāo)準(zhǔn)鋼桶（空）繼續(xù)原路返回至初始位置，預(yù)存標(biāo)準(zhǔn)鋼桶裝料完成后通過輥道2運(yùn)出并進(jìn)行人工加蓋。

圖1 焚燒灰處理裝備的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of incineration ash treatment equipment

其中對(duì)接平臺(tái)與標(biāo)準(zhǔn)鋼桶的對(duì)接密封原理為：鎖緊機(jī)構(gòu)的鎖緊執(zhí)行部件沿標(biāo)準(zhǔn)鋼桶徑向移動(dòng)并抱緊桶身，標(biāo)準(zhǔn)鋼桶在鎖緊執(zhí)行部件的斜楔作用下被托起并擠壓密封結(jié)構(gòu)，使密封結(jié)構(gòu)的密封接觸面上產(chǎn)生并維持滿足密封性能的接觸壓力，從而實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)鋼桶與對(duì)接平臺(tái)的對(duì)接和密封。

焚燒灰處理裝備的對(duì)接裝置如圖2所示。其由對(duì)接平臺(tái)和標(biāo)準(zhǔn)鋼桶組成。其中對(duì)接平臺(tái)由1個(gè)閥門、2個(gè)對(duì)接口、機(jī)架和鎖緊機(jī)構(gòu)組成，鎖緊機(jī)構(gòu)包括鎖緊執(zhí)行部件和鎖緊氣缸兩部分。標(biāo)準(zhǔn)鋼桶的形狀和尺寸滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)EJ 1042—2014。

圖2 焚燒灰處理裝備的對(duì)接裝置Fig.2 Docking device of incineration ash treatment equipment

在焚燒灰處理裝備的工作過程中，標(biāo)準(zhǔn)鋼桶的定位是由光電開關(guān)檢測(cè)定位的。光電開關(guān)的響應(yīng)時(shí)間和零部件的制造和安裝誤差等會(huì)導(dǎo)致對(duì)接平臺(tái)與標(biāo)準(zhǔn)鋼桶的對(duì)中精度不高。因此，在對(duì)密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)時(shí)，要保證密封結(jié)構(gòu)的密封性能滿足小時(shí)泄漏率4級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，并且須克服對(duì)接平臺(tái)與標(biāo)準(zhǔn)鋼桶對(duì)接時(shí)對(duì)中精度不高的缺陷，同時(shí)要求對(duì)接裝置的分離力小及密封結(jié)構(gòu)簡單，以適應(yīng)遠(yuǎn)程控制和降低裝置的復(fù)雜性。

1.2 密封方式分類

按密封件與被密封件的接觸位置可將密封方式分為軸向密封和徑向密封。

軸向密封即端面密封，被廣泛應(yīng)用于法蘭密封中，且密封技術(shù)成熟。中、低壓法蘭常用密封面形式有平面、凹凸面及榫槽面三種［6］。平面型法蘭密封結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，但是密封面墊片的接觸面積較大，預(yù)緊時(shí)墊片易向兩側(cè)伸展或移動(dòng)，不易壓緊［6］。凹凸面和榫槽面法蘭密封結(jié)構(gòu)中墊片不易被擠出，且配合后被密封的兩部分具備良好的對(duì)中性，因此被廣泛運(yùn)用于被密封件壓力較高和對(duì)密封性能要求嚴(yán)格的場(chǎng)合，其中由于凹面與凸面的配合間隙很小，要求對(duì)接裝置對(duì)接時(shí)有較高的對(duì)中精度。

徑向密封分為密封元件密封和硬密封兩種方式。徑向密封的密封元件多采用高彈性橡膠材料，常用的有O形密封圈、唇形密封件和組合密封件。密封元件密封是一種擠壓型密封，其工作原理是：密封件發(fā)生彈性變形，在密封接觸面上產(chǎn)生接觸壓力［7］，當(dāng)接觸壓力大于被密封介質(zhì)的內(nèi)壓時(shí)，即實(shí)現(xiàn)了密封。該密封方式要求對(duì)接裝置有較好的對(duì)中性，以保證密封元件有均勻的擠壓變形，從而保證密封的可靠性。硬密封方式被廣泛應(yīng)用于閥門密封、特殊螺紋接頭密封領(lǐng)域，常用的有錐面/錐面、錐面/球面、柱面/球面接觸密封方式［8］。錐面/錐面接觸密封屬于面接觸形式，由于其有較長的泄漏通道，能夠獲得較好的密封效果，但加工難度大，2個(gè)相互配合的有錐度的錐面較難實(shí)現(xiàn)很好的匹配，導(dǎo)致密封性能難以保證。錐面/球面接觸密封通過在密封面上形成線接觸，達(dá)到防止介質(zhì)泄漏的目的。該密封方式具有密封性能好、拆卸方便等優(yōu)點(diǎn)，然而在密封時(shí)要求有較大的軸向預(yù)緊力使球面產(chǎn)生較大的變形量，才能保證密封結(jié)構(gòu)軸向受拉時(shí)也有足夠的接觸壓力，從而保證密封的可靠性。柱面/球面接觸密封也是一種線接觸密封，其密封性能受軸向拉伸載荷的影響較小，但要求柱面與球面有較大的裝配過盈量以獲得足夠的接觸壓力［8］。

2 基于TRIZ理論的密封結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

2.1 密封需求與矛盾分析

對(duì)現(xiàn)有高可靠性密封結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析可知，軸向密封結(jié)構(gòu)和徑向密封結(jié)構(gòu)是典型的基礎(chǔ)密封結(jié)構(gòu)。在實(shí)際工程中，根據(jù)密封性能要求和使用工況，選用其中1種或2種密封方式進(jìn)行密封結(jié)構(gòu)的調(diào)整和優(yōu)化形成所需的密封結(jié)構(gòu)。在焚燒灰處理裝備密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，若采用軸向密封方式，會(huì)因墊片受力不均而導(dǎo)致焚燒灰泄漏，若設(shè)置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)來克服對(duì)接裝置對(duì)中精度不高的缺陷，將導(dǎo)致密封裝置的復(fù)雜性增大；若采用凹凸面或榫槽面法蘭密封結(jié)構(gòu)，雖然其具備良好的對(duì)中性，但在遠(yuǎn)程控制對(duì)接的工況下也須增加輔助導(dǎo)向裝置；若采用彈性元件密封的徑向密封方式，則須增設(shè)外力提供裝置，以克服彈性元件與標(biāo)準(zhǔn)鋼桶之間較大的摩擦力，這也將導(dǎo)致密封裝置的復(fù)雜性增大；若采用硬密封方式，錐面/錐面、錐面/球面、柱面/球面接觸密封方式雖然都能保證密封結(jié)構(gòu)有良好的密封性能，但須改變標(biāo)準(zhǔn)鋼桶的形狀使其形成錐面或者球面，因此會(huì)導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)鋼桶整體形狀的改變。

2.2 矛盾解決及創(chuàng)新方案的形成

TRIZ理論不主張采用調(diào)和或折中的策略解決系統(tǒng)矛盾，而主張獲得雙贏的解決方案［9-10］。針對(duì)前述密封需求與矛盾，可運(yùn)用對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理獲得具體解決方案。根據(jù)焚燒灰處理裝備密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需求，可知需要改善的工程參數(shù)為可靠性27、適應(yīng)性35，而惡化的參數(shù)為裝置的形狀12和復(fù)雜性36。經(jīng)過分析和比較，發(fā)現(xiàn)TRIZ理論中第1條“分割原理”和第15條“動(dòng)態(tài)特性原理”是可以利用的。

根據(jù)第1條“分割原理”，采用錐面/錐面接觸密封方式時(shí)可以保留對(duì)接平臺(tái)對(duì)接口的錐面，但由于不能改變標(biāo)準(zhǔn)鋼桶的圓柱形狀，形成了柱面/錐面線接觸密封方式。這種密封結(jié)構(gòu)既保留了接觸式密封結(jié)構(gòu)良好的密封性能，同時(shí)克服了對(duì)接平臺(tái)與標(biāo)準(zhǔn)鋼桶對(duì)接時(shí)對(duì)中精度不高的缺陷。但由于柱面/錐面密封結(jié)構(gòu)在軸向拉力的作用下徑向間隙增大，密封性能降低，因此該方案具有一定的局限性。根據(jù)第15條“動(dòng)態(tài)特性原理”，增設(shè)具有自適應(yīng)性的輔助密封結(jié)構(gòu)。標(biāo)準(zhǔn)鋼桶端面有法蘭結(jié)構(gòu)，可采用軸向密封方式，但常見的實(shí)心密封彈性元件所需軸向壓力較大且變形量較小，容易影響柱面/錐面密封結(jié)構(gòu)的有效配合，根據(jù)多孔材料原理，選用空心D形密封圈來解決該問題。綜合2個(gè)發(fā)明原理，本文提出一種全新的主密封和輔助密封相結(jié)合的雙密封方式，形成了相應(yīng)的密封結(jié)構(gòu)方案，如圖3所示。

圖3 基于雙密封方式的密封結(jié)構(gòu)Fig.3 Sealing structure based on double sealing mode

3 密封結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)及其計(jì)算方法

針對(duì)新型密封結(jié)構(gòu)，須建立性能評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)其密封性能進(jìn)行評(píng)估。小時(shí)泄漏率是評(píng)價(jià)密封結(jié)構(gòu)密封性能的重要指標(biāo)之一。同時(shí)，為了保證焚燒灰處理裝備翻轉(zhuǎn)時(shí)不出現(xiàn)焚燒灰逸散現(xiàn)象，還須維持密封結(jié)構(gòu)的密封接觸面上有穩(wěn)定且足夠的接觸壓力。這可通過斜楔將對(duì)接平臺(tái)鎖緊氣缸提供的水平力合成為軸向鎖緊力來實(shí)現(xiàn)。因此，本文將軸向鎖緊力作為另一指標(biāo)來評(píng)價(jià)新型密封結(jié)構(gòu)的密封性能。

3.1 小時(shí)泄漏率

由標(biāo)準(zhǔn)鋼桶、焚燒灰處理裝備密封結(jié)構(gòu)和對(duì)接平臺(tái)所組成的密閉空間稱為密封箱室。密封箱室的小時(shí)泄漏率Tf為密封箱室在正常工作條件（壓力和溫度）下1 h的泄漏量Q與該密封箱室的體積V的比值［11］，即：

根據(jù)密封箱室密封性檢驗(yàn)方法［11］，在密封箱室內(nèi)外壓差為1 000 Pa時(shí)，密封環(huán)接觸壓力大于1 000 Pa即可保證密封結(jié)構(gòu)能有效滿足小時(shí)泄漏率4級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 軸向鎖緊力

根據(jù)密封結(jié)構(gòu)的使用工況，密封結(jié)構(gòu)所需軸向鎖緊力F為：

式中：F1為空心D形密封圈密封比壓力的軸向分量；F2為錐面/柱面密封密封比壓力的軸向分量；F3為裝有焚燒灰的標(biāo)準(zhǔn)鋼桶總重量。

Mooney-Revlin模型能夠很好地描述橡膠材料在壓縮率小于150%時(shí)的變形，尤其能夠較好地表示橡膠材料在小應(yīng)變范圍內(nèi)的力學(xué)行為?？招腄形密封圈的壓縮率小于10%，故采用Mooney-Revlin模型描述空心D形密封圈的力學(xué)性能。其應(yīng)變能函數(shù)表達(dá)式為：

式中：W為應(yīng)變勢(shì)能；C10、C01為Mooney-Rivlin常數(shù)；I1、I2為第一、第二應(yīng)變張量不變量。

在各向同性超彈性材料單軸變形中，I1、I2分別為［12］：

式中：λ為密封圈軸向伸長率。

空心D形密封圈的軸向接觸應(yīng)力δ為［13］：

空心D形密封圈的軸向有效接觸面積為SD，則：

利用鎖緊機(jī)構(gòu)保持對(duì)接平臺(tái)與標(biāo)準(zhǔn)鋼桶的相對(duì)位置，維持密封結(jié)構(gòu)的密封接觸面上有穩(wěn)定且足夠的接觸壓力。鎖緊結(jié)構(gòu)鎖緊后，錐面/柱面密封環(huán)上受到的鎖緊機(jī)構(gòu)的法向接觸載荷N為：

式中：pw為密封環(huán)受到的平均接觸壓力；D1為密封環(huán)的直徑；L為密封環(huán)的接觸寬度；π為圓周率。

根據(jù)密封原理，可知：

式中：k為安全系數(shù)；p為內(nèi)部介質(zhì)壓力。

在鎖緊狀態(tài)下，標(biāo)準(zhǔn)鋼桶相對(duì)對(duì)接平臺(tái)有滑動(dòng)趨勢(shì)，受摩擦力f的作用，滑動(dòng)方向?yàn)樵诮佑|處沿錐面向下。N與f的合力即為F2，則：

式中：α為錐面與柱面配合的夾角；μ為摩擦角。

根據(jù)實(shí)際工況，選取以下參數(shù)：50 L標(biāo)準(zhǔn)鋼桶，α=20°，μ=9.1°，F(xiàn)=386 N，F(xiàn)3=300 N，密封圈截面的寬、高、厚分別為9，6，2mm，密封圈軸向壓縮量為0.1mm，C10=0.289 7，C01=0.059 9。根據(jù)上述公式可計(jì)算得到δ=0.036 MPa，pw=0.087 MPa，均大于密封介質(zhì)內(nèi)壓1 000 Pa，可見密封結(jié)構(gòu)能夠較好地滿足小時(shí)泄漏率4級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

4 新型密封結(jié)構(gòu)的仿真分析與優(yōu)化

4.1 新型密封結(jié)構(gòu)的仿真分析

為了驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，并對(duì)所設(shè)計(jì)的新型密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，采用ANSYS軟件對(duì)新型密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。由于空心D形密封圈屬于輔助密封，不干涉柱面/錐面的配合密封，為了簡化仿真計(jì)算，將2個(gè)密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行單獨(dú)分析，分別建立其有限元模型。

錐面/柱面密封結(jié)構(gòu)的材料為聚四氟乙烯，密度為2 200 kg/m3，楊氏模量為1.42 GPa，泊松比為0.4。標(biāo)準(zhǔn)鋼桶的材料為結(jié)構(gòu)鋼，對(duì)接口的材料為聚四氟乙烯。在標(biāo)準(zhǔn)鋼桶與對(duì)接口之間添加接觸約束，并設(shè)置摩擦系數(shù)為0.16，將對(duì)接口設(shè)置為固定約束并約束標(biāo)準(zhǔn)鋼桶水平方向的移動(dòng)［14］，選用Lagrange方法來模擬相關(guān)接觸分析。在標(biāo)準(zhǔn)鋼桶法蘭上施加單位壓強(qiáng)p0=5 000 Pa。在錐面/柱面接觸密封中，對(duì)接口材料為聚四氟乙烯，其性能遠(yuǎn)弱于結(jié)構(gòu)鋼，因此在分析過程中須關(guān)注對(duì)接口的受力變形情況。對(duì)接后對(duì)接口的應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4 新型密封結(jié)構(gòu)對(duì)接口的應(yīng)力云圖Fig.4 Stress nephogram of docking port of new sealing structure

由圖4（a）可知，對(duì)接口的最大應(yīng)力為0.098 MPa，遠(yuǎn)小于聚四氟乙烯的屈服強(qiáng)度24 MPa；由圖4（b）可知，錐面/柱面密封結(jié)構(gòu)的最大接觸應(yīng)力為0.098 MPa，大于密封介質(zhì)內(nèi)壓1 000 Pa，滿足密封要求。因此，錐面/柱面密封結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求。

空心D形密封圈的截面寬為9 mm，高為6 mm，厚為2 mm，工作時(shí)只受標(biāo)準(zhǔn)鋼桶與對(duì)接口的擠壓作用，且荷載沿密封圈軸向均勻分布，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［15］。對(duì)簡化后的有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置空心D形密封圈的網(wǎng)格大小為0.5，對(duì)接口和標(biāo)準(zhǔn)鋼桶的網(wǎng)格大小為1。采用非線性彈性材料類型中的Mooney-Rivlin 2階模型，設(shè)C10=0.289 7，C01=0.059 9，不可壓縮參數(shù)d=0.02?？招腄形密封圈選用橡膠材料，對(duì)接平臺(tái)采用聚四氟乙烯，標(biāo)準(zhǔn)鋼桶采用結(jié)構(gòu)鋼。設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)鋼桶與密封圈手動(dòng)接觸，接觸方式為無摩擦。固定對(duì)接平臺(tái)和標(biāo)準(zhǔn)鋼桶x方向的移動(dòng)，設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)鋼桶y向移動(dòng)為0.1 mm（即密封圈的壓縮量）。對(duì)接后密封結(jié)構(gòu)密封圈的應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖5 新型密封結(jié)構(gòu)密封圈的應(yīng)力云圖Fig.5 Stress nephogram of sealing ring of new sealing structure

由圖5（a）可知，對(duì)接后密封圈的最大應(yīng)力為0.048 MPa，小于橡膠的屈服強(qiáng)度14 MPa。由圖5（b）可知，密封圈的最大接觸應(yīng)力為0.048 MPa，大于密封介質(zhì)內(nèi)壓。因此，空心D形密封圈滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 新型密封結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

由圖4（a）可知，密封槽底部附近出現(xiàn)較明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，對(duì)接口的配合錐面位置發(fā)生較明顯的變形，因此須進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以提高密封結(jié)構(gòu)的使用壽命。根據(jù)對(duì)接口的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以通過將密封槽沿徑向向外移動(dòng)、減小錐面與柱面配合的夾角α以及減小對(duì)接口內(nèi)孔尺寸三種方式改善該處的受力情況。密封槽沿徑向向外移動(dòng)必然會(huì)導(dǎo)致密封圈和對(duì)接口整體尺寸的增大；減小對(duì)接口內(nèi)孔尺寸會(huì)降低后續(xù)出料的效率并增加余料殘留；根據(jù)式（10），在密封面接觸壓力相同時(shí)可以通過減小軸向鎖緊力來減小α，但這對(duì)對(duì)接平臺(tái)與標(biāo)準(zhǔn)鋼桶的對(duì)中精度要求更高。通過分析發(fā)現(xiàn)，可以通過將密封結(jié)構(gòu)的配合錐面段分為密封段和導(dǎo)向段來解決該問題。密封段采用較小的配合角以提高對(duì)接口剛度和降低鎖緊力，導(dǎo)向段采用較大的配合角以降低對(duì)對(duì)接裝置對(duì)中性的要求。經(jīng)過比較后得出，減小α的優(yōu)化方案成本低，易實(shí)施，且使密封結(jié)構(gòu)緊湊。將α減小50%，優(yōu)化后錐面/柱面密封結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格模型如圖6所示，對(duì)接后其應(yīng)力云圖如圖7所示。

圖6 優(yōu)化后錐面/柱面密封結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格模型Fig.6 Mesh model of optimized conical/cylindrical sealing structure

圖7 優(yōu)化后錐面/柱面密封結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖Fig.7 Stress nephogram of optimized conical/cylindrical sealing structure

由圖7可知，將α減小50%后，在其他條件不變的情況下，接觸壓力提高了54%，密封槽底部應(yīng)力集中范圍明顯減小，槽底部的應(yīng)力值為0.025 MPa左右。

由圖5（a）可知，除空心D形密封圈接觸表面有較大的應(yīng)力外，密封圈內(nèi)圈處也有較大的應(yīng)力。內(nèi)圈應(yīng)力較大處呈現(xiàn)由圓弧和弦線連接形成的尖角的特征，因此可以通過常用的倒圓角方式去除該尖角特征，但會(huì)導(dǎo)致密封圈的厚度不均勻，影響注塑質(zhì)量。因此，可以通過減小密封圈厚度，在圓弧和弦線之間增加過渡線段以增大尖角，來減若此處的應(yīng)力集中。優(yōu)化后密封結(jié)構(gòu)密封圈的網(wǎng)格模型如圖8所示，對(duì)接后其應(yīng)力云圖如圖9所示。

圖8 優(yōu)化后密封結(jié)構(gòu)密封圈的網(wǎng)格模型Fig.8 Mesh model of sealing ring of optimized sealing structure

圖9 優(yōu)化后密封結(jié)構(gòu)密封圈的應(yīng)力云圖Fig.9 Stress nephogram of sealing ring of optimized sealing structure

對(duì)比圖5和圖9可知：密封圈內(nèi)應(yīng)力集中處的應(yīng)力值由優(yōu)化前的0.035 MPa降低到優(yōu)化后的0.0268 MPa，降幅超過23%；接觸應(yīng)力由優(yōu)化前的0.048 MPa降低到優(yōu)化后的0.045 MPa，降幅超過6%，遠(yuǎn)小于應(yīng)力集中處的應(yīng)力值降幅，且接觸壓力仍遠(yuǎn)大于密封介質(zhì)內(nèi)壓。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

筆者設(shè)計(jì)的主密封與輔助密封相結(jié)合的雙密封結(jié)構(gòu)已成功應(yīng)用于焚燒灰處理裝備，如圖10所示。應(yīng)用結(jié)果表明，該密封結(jié)構(gòu)能夠滿足小時(shí)泄漏率4級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)接平臺(tái)與標(biāo)準(zhǔn)鋼桶的對(duì)中精度較高，整體性能得到顯著提高。

圖10 基于雙密封結(jié)構(gòu)的焚燒灰處理裝備Fig.10 Incineration ash treatment equipment based on double sealing structure

6 總結(jié)

筆者通過對(duì)現(xiàn)有密封結(jié)構(gòu)的分析，利用TRIZ理論提出了一種主密封與輔助密封相結(jié)合的雙密封結(jié)構(gòu)，提高了焚燒灰處理裝備密封結(jié)構(gòu)的密封性能。建立了密封性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)及其計(jì)算公式，根據(jù)焚燒灰處理裝備的使用工況進(jìn)行了指標(biāo)分析，結(jié)果表明該密封結(jié)構(gòu)滿足小時(shí)泄漏率4級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析與優(yōu)化，優(yōu)化后柱面/錐面密封結(jié)構(gòu)的接觸應(yīng)力提高了54%，密封槽底部應(yīng)力集中范圍明顯減小，應(yīng)力集中值基本不變。優(yōu)化后空心D形密封圈應(yīng)力集中處的應(yīng)力降幅超過23%，遠(yuǎn)大于接觸應(yīng)力的降幅。優(yōu)化后密封結(jié)構(gòu)的整體性能提到顯著提高，在焚燒灰處理裝備中得到良好應(yīng)用。