閘閥用聚氨酯密封圈密封性能模擬研究

王曉冬,孫奉閣,代志響,夏立強(qiáng),張家舜

(1.中港疏浚有限公司，上海 200000；2.山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266000)

0 引言

密封件作為作為閘閥的核心部件，對(duì)系統(tǒng)正常工作起著重要作用。密封技術(shù)的改進(jìn)可以加強(qiáng)設(shè)備的可靠性、增長(zhǎng)使用壽命、降低能耗[1]，有效的密封可以防止介質(zhì)泄漏，提高工作效率，減少故障失效。工作系統(tǒng)的壽命往往取決于密封件的使用壽命[2]，提高密封件使用壽命和改進(jìn)密封結(jié)構(gòu)已成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外閘閥行業(yè)迫在眉睫的問(wèn)題[3～6]。

針對(duì)上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)密封結(jié)構(gòu)密封性能進(jìn)行了大量研究與探索。Bertolet[7]、Galloway[8]等對(duì)密封的形式、材料、溫度等領(lǐng)域做了專業(yè)性的研究；Kim B[9]等人通過(guò)有限元法采用Mooney-Rivlin模型，研究了密封圈的接觸力大小與分布情況；北京航空航天大學(xué)Zhang Y[10]等利用ANSYS Workb-ench研究往復(fù)密封中所產(chǎn)生的工作應(yīng)力分布以及密封圈失效機(jī)理；王冰清[11]等利用 ANSYS軟件，分析了密封圈工作狀態(tài)下的密封機(jī)理、密封性能，預(yù)測(cè)了其易發(fā)生失效的具體部位。閘閥多用于疏浚工況，極易對(duì)密封圈造成磨損進(jìn)而影響使用壽命，而聚氨酯材料具有高耐磨、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。因此，本文通過(guò)探究不同硬度聚氨酯材質(zhì)的密封圈對(duì)其密封性能的影響，再對(duì)比分析不同結(jié)構(gòu)密封圈的密封性能，從而對(duì)聚氨酯密封圈的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 有限元模型的建立

在ANSYS程序中，兩個(gè)參數(shù)的Mooney-Rivlin本構(gòu)模型所得到的曲線與拉伸曲線吻合度很高，可以滿足實(shí)際工程對(duì)密封圈的性能計(jì)算需要[12]。根據(jù)Mooney和Rivlin的研究，通常用應(yīng)變能密度函數(shù)W對(duì)彈性材料的應(yīng)力-應(yīng)變行為進(jìn)行表征[13～14]：

式中：Ii——各方向應(yīng)變不變分量；

λi——各邊的拉伸率；

W——應(yīng)變能密度函數(shù)。

Rivlin在Mooney的理論基礎(chǔ)上，導(dǎo)出不可壓縮材料的應(yīng)變能函數(shù)：

其中Cmn為常數(shù)，且滿足C∞=0。取Cmn=0，則

式中C10、C01——材料常數(shù)。本研究采用Mooney-Rivlin模型來(lái)描述聚氨酯密封材料的本構(gòu)關(guān)系。

2 有限元前處理

2.1 材料選用

聚氨酯材料不僅具有非線性特征，而且應(yīng)力松弛或蠕變會(huì)使密封圈力學(xué)模型成為復(fù)雜的黏彈性問(wèn)題。因此，為精確求解問(wèn)題，提出如下假設(shè)[15]：

（1）忽略密封結(jié)構(gòu)的重量，建模時(shí)對(duì)密封結(jié)構(gòu)采用二維軸對(duì)稱模型。

（2）聚氨酯密封圈具有確定的彈性模量和泊松比，聚氨酯的泊松比接近于0.5。

（3）材料各向同性，變形可以完全恢復(fù)，蠕變不引起體積變化。

密封圈模型示意圖如圖1所示。后端密封圈主要是與閘板接觸形成密封，對(duì)材料的耐磨性有一定的需求，選用硬度較高的材料；而前端密封圈主要負(fù)責(zé)回彈，常選用硬度較低彈性較好的材料；閘板和閥體的材料為鋼。具體材料性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 各材料性能參數(shù)

2.2 物理模型及網(wǎng)格劃分

利用ANSYS WORKBENCH有限元軟件對(duì)常溫下閘閥密封圈的工作狀態(tài)進(jìn)行模擬，繪制密封結(jié)構(gòu)在工作環(huán)境下的壓縮回彈特性曲線圖，為試驗(yàn)探究提供一定的參考。將密封圈簡(jiǎn)化為平面，由于密封圈的結(jié)構(gòu)具有軸對(duì)稱性，因此建立二維單元有限元模型。利用ANSYS中的New Designmodeler Geometry分別對(duì)密封圈、閘板、部分閥體進(jìn)行二維建模如圖2所示。密封圈是一個(gè)規(guī)則的區(qū)域，因此選用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

在建立有限元模型的過(guò)程中，可大致分為幾何模型的構(gòu)建、劃分網(wǎng)格、定義邊界與區(qū)域類型，網(wǎng)格劃分是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。由于本文所用模型是一個(gè)二維模型，并且計(jì)算結(jié)果只與密封圈有關(guān)，因此閘板和閥體網(wǎng)格質(zhì)量可以低于密封圈。密封圈的單元尺寸設(shè)置為1 mm，閘板和閥體的單元尺寸設(shè)置為5 mm，劃分的網(wǎng)格數(shù)量為9 243個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為9 601個(gè)。

2.3 求解設(shè)置

整個(gè)求解過(guò)程共設(shè)置3個(gè)分析步，其中第一分析步為加載階段（閘板下落，密封圈被擠壓）；第二分析步為卸載階段(閘板升起，密封圈回彈)；第三分析步保持原狀態(tài)不動(dòng)（閘板收回，密封圈回彈）。模型的約束設(shè)置關(guān)系到有限元的分析結(jié)果收斂性，約束不完全時(shí)，求解的收斂性比較低，會(huì)引起模型的扭曲變形，無(wú)法求解，導(dǎo)致發(fā)散；所以要對(duì)模型進(jìn)行合理的約束設(shè)置，提高求解的成功率。為了使模型更加接近實(shí)際情況，對(duì)有限元模型施加的約束條件為：

（1）在密封圈左側(cè)面添加固定約束；

（2）閥體不動(dòng)，即閥體上施加全約束，UX=0、UY=0，即ALLDOF=0；

（3）在閘板上施加X(jué)、Z軸方向固定約束，給其Y軸方向位移約束，位移量為-100 mm。

密封圈的接觸問(wèn)題屬于剛?cè)峤佑|問(wèn)題，在ANSYS有限元計(jì)算中，通常采用增廣拉格朗日法進(jìn)行描述，接觸非線性方面的接觸類型選擇 Frictional 摩擦模型，為了提高計(jì)算結(jié)果的精確性，將其定義為面與面接觸的問(wèn)題，且通常把剛性面(閘板和閥體接觸面)定義為目標(biāo)面，柔性面(密封圈接觸面)定義為接觸面。

3 結(jié)果與討論

為了探究密封圈不同材料的密封特性，將60 A、72 A和85 A硬度聚氨酯分成三種組合，為了保證密封面的耐磨性，后端所用密封圈材料硬度要比前端高一些。具體組合如表2所示，下文將用ABC表示。分別從密封面接觸應(yīng)力、摩擦應(yīng)力及回彈等方面等方面分析它們的變化規(guī)律，以及對(duì)密封件密封性能的影響。

表2 材料分配組合

3.1 不同材質(zhì)密封圈對(duì)比模擬分析

（1）接觸應(yīng)力

閘板加載與卸載過(guò)程密封圈所受應(yīng)力曲線如圖3所示。從圖中可知，密封圈在加載與卸載過(guò)程中所受應(yīng)力呈對(duì)稱分布；在加載過(guò)程階段，密封圈所受應(yīng)力大小隨閘板位移增加而增加，呈上升趨勢(shì)，在0.5 s時(shí)達(dá)到最大值，隨閘板繼續(xù)下移，其所受壓力開(kāi)始逐漸減小直至趨于穩(wěn)定；在卸載過(guò)程階段，當(dāng)閘板運(yùn)行至1.5 s時(shí)，密封圈內(nèi)部又一次出現(xiàn)應(yīng)力最大值。分析可知，兩次應(yīng)力最大值均是出現(xiàn)在閘板與密封圈倒角處接觸時(shí)所產(chǎn)生。

三種組合對(duì)比來(lái)看，密封圈所受應(yīng)力趨勢(shì)一致，均呈現(xiàn)對(duì)稱趨勢(shì)，從中分析可知，AB組合屬于前端密封圈材質(zhì)一致而后端不同，所產(chǎn)生的接觸應(yīng)力相差不大；而BC組合屬于后端密封圈材質(zhì)一樣，前端不一樣，但C所產(chǎn)生的應(yīng)力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于B。說(shuō)明密封圈產(chǎn)生應(yīng)力大小主要取決于起回彈作用的前端密封圈，這是因?yàn)楫?dāng)閘板下落時(shí)，施加給后端密封圈的力傳給前端，此時(shí)，前端密封圈較軟時(shí)，密封圈容易受力產(chǎn)生壓縮，從而密封圈所產(chǎn)生的應(yīng)力較小；當(dāng)前端密封圈較硬時(shí)，密封圈不容易產(chǎn)生壓縮，其內(nèi)部產(chǎn)生的回彈力反作用于后端密封圈，使后端密封圈的密封面緊緊貼合閘板側(cè)面，從而所產(chǎn)生的接觸應(yīng)力也是最大的。

（2）摩擦應(yīng)力

摩擦應(yīng)力也是評(píng)判密封性能好壞的標(biāo)準(zhǔn)之一。摩擦應(yīng)力大有助于密封，這是因?yàn)檩^大的摩擦應(yīng)力會(huì)使密封面緊靠閘板，從而提高密封效果，但又不宜過(guò)大，否則，會(huì)使密封圈過(guò)早磨損，降低壽命，引發(fā)安全問(wèn)題。

加載時(shí)密封面所受摩擦應(yīng)力分布曲線與卸載時(shí)密封面所受摩擦應(yīng)力分布曲線如圖4，圖5所示。從中分析可知，三種組合所產(chǎn)生的摩擦應(yīng)力均呈對(duì)稱趨勢(shì)，而C所產(chǎn)生的摩擦應(yīng)力最大，A所產(chǎn)生的摩擦應(yīng)力最小。從密封效果中分析，受摩擦應(yīng)力的影響，C的密封面可以緊靠閘板，密封性能最好，但過(guò)高的摩擦應(yīng)力又會(huì)使C的使用壽命大大降低，而B相較于C摩擦應(yīng)力降低，使用壽命增加，相較于A密封性能又有所提高。從實(shí)際工況角度出發(fā)，應(yīng)該在保證密封效果的情況下優(yōu)先選用所受摩擦應(yīng)力小的材料。

（3）回彈性能

聚氨酯密封圈有一定的回彈性，壓縮應(yīng)力卸掉后，密封圈不會(huì)立即恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)。作為密封材料，理應(yīng)在壓縮應(yīng)力卸掉后，即刻恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)。通過(guò)模擬繪制出密封圈回彈特性曲線如圖6所示。從圖中分析可知，密封圈的回彈曲線是一根光滑的曲線，這說(shuō)明其回彈特性具有一定的非線性；三種材質(zhì)組合均在1.9 s時(shí)，回彈至初始位置，說(shuō)明三種材料組合均能滿足回彈性能要求。

3.2 密封圈不同結(jié)構(gòu)對(duì)比模擬分析

為了更好的改善密封性能，提高使用壽命，將密封圈倒角改為圓角，分別采用R15、R20和R25三種尺寸進(jìn)行模擬研究，圓角結(jié)構(gòu)示意圖如7所示。

根據(jù)模擬結(jié)果繪制出不同結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的接觸應(yīng)力曲線如圖8所示，從圖中分析可知，當(dāng)模擬運(yùn)行到0.38 s時(shí)，閘板與密封圈倒角發(fā)生接觸，其產(chǎn)生的接觸應(yīng)力急劇升高，這是因?yàn)槊芊馊Φ菇羌怃J處與閘板接觸時(shí)出現(xiàn)了碰撞；當(dāng)閘板繼續(xù)向下運(yùn)行，接觸應(yīng)力出現(xiàn)了最大值，其值呈不穩(wěn)定狀態(tài)，但將倒角優(yōu)化成圓角后，其應(yīng)力呈穩(wěn)定狀態(tài)。

將倒角改為圓角之后，所產(chǎn)生的應(yīng)力出現(xiàn)了大幅度降低。隨著圓角尺寸的增大，密封圈所產(chǎn)生的應(yīng)力呈下降趨勢(shì)，這是因?yàn)閳A角連接密封面可以光滑過(guò)渡，尺寸越大，過(guò)渡越平滑；但進(jìn)一步增大圓角尺寸時(shí)，將會(huì)減少密封面的長(zhǎng)度，縮短與閘板接觸尺寸，從而削弱其密封性能，導(dǎo)致密封圈使用壽命減低，產(chǎn)生安全隱患。密封圈倒角改為圓角不僅可以使密封面增大，提高密封性能，還能減少應(yīng)力，提高其使用壽命。

4 結(jié)論

本文通過(guò)有限元方法分析了不同材質(zhì)的密封圈對(duì)其密封性能的影響，再對(duì)比分析了不同結(jié)構(gòu)密封圈的密封性能，根據(jù)仿真結(jié)果得出如下結(jié)論：

（1）密封圈在受壓回彈過(guò)程中產(chǎn)生了兩次最大接觸應(yīng)力，均是在閘板與密封圈倒角處接觸所發(fā)生的，同時(shí)，其所產(chǎn)生的應(yīng)力主要取決于起回彈作用的前端密封圈。

（2）摩擦應(yīng)力曲線表明，當(dāng)組合為60 A和85 A聚氨酯材料時(shí)，能夠保證較小的摩擦應(yīng)力以及較高的密封性能。

（3）回彈性能曲線表明，三種材料組合均符合回彈要求。

（4）密封圈倒角優(yōu)化成圓角可以大幅度降低所產(chǎn)生的應(yīng)力，同時(shí)，還能使應(yīng)力峰值光滑過(guò)渡，這樣一來(lái)，有利于提高密封圈使用壽命。