快开阀芯橡胶密封垫密封结构的有限元分析

刘少春，杨晓翔

(福州大学机械工程与自动化学院，福建 福州 350002)

橡胶密封件因成本低廉、结构简单及安装方便等优点，在水暖建材行业得到广泛应用。本工作以快开阀芯橡胶密封垫的静密封为例，利用有限元软件对其密封结构建模，计算和分析快开阀芯装配过程中橡胶密封垫所承受的应力，分析在最大工作介质压力下橡胶密封垫的密封性能，以期为确定快开阀芯橡胶密封垫的轴向压缩量提供依据，从而提高橡胶密封垫设计质量，缩短研发周期。

1 有限元模型建立

快开阀和快开阀芯橡胶密封垫分别如图1和2所示。

图1 快开阀

橡胶材料本构关系的非线性以及橡胶制品应用时的大变形性、接触非线性边界条件使橡胶制品的工程模拟难度非常大。模拟的准确性与采用的本构关系模型以及模型中材料参数有密切关系。本工作选用Mooney-Rivlin模型作为材料的本构模型。

图2 快开阀芯橡胶密封垫

1.1 材料参数的确定

Mooney-Rivlin模型中材料常数（C）与材料弹性模量（E）的关系为[1-2]：

根据经验公式：

橡胶邵尔A型硬度（A）与E的关系为[3]：

本设计密封垫材料为硅橡胶，邵尔A型硬度为70度，从式（1）～（3）得出E为7.29 MPa，C01为0.243 MPa，C10为0.972 MPa，泊松比为0.499。

1.2 分析模型

根据快开阀芯橡胶密封垫的对称性，取密封结构的1/4建模，模型的有限元网格如图3所示。

图3 快开阀芯橡胶密封垫密封结构的有限元网格

与橡胶密封垫接触的表面均视为刚性面，只有橡胶密封垫为变形体，由6024个20节点六面体单元SOLID186组成，接触单元为TARGE170和CONTA174。密封是接触式密封，采用ANSYS软件提供的Augmented Lagrange接触迭代算法。采用滑动库仑摩擦模型，摩擦因数取0.2。快开阀芯橡胶密封垫密封约束条件如图4所示。图4中，A截面上设置xoy平面为对称面，B截面上设置yoz平面为对称面，阀壳零件的C面约束所有自由度，底座零件约束外柱面D的圆周和径向自由度，释放轴向y方向的自由度，同时向底座零件底面E施加y方向的位移，使橡胶密封垫产生轴向预压缩。整个过程用来模拟快开阀芯的安装过程。

图4 快开阀芯橡胶密封垫密封的约束条件

2 有限元分析

2.1 装配应力分析

橡胶密封垫在装配时受到轴向预压缩，形成有效的密封带，保证快开阀芯在承受工作介质压力时不会泄漏。轴向压缩量为0.4 mm，0.6 mm，0.8 mm和1.0 mm时橡胶密封垫的Von Mise应力分布分别如图5～8所示。从图5～8可以看出：随着轴向压缩量增大，应力较大的区域位置未发生变化，基本都在上、下接触面和图5圆圈标识处；随着轴向压缩量增大，应力增大。在较大应力作用下，橡胶会发生不可恢复的永久变形或材料失效，影响橡胶制品的密封性能。

图5 轴向压缩量为0.4 mm时橡胶密封垫的Von Mise应力分布

橡胶密封垫最大Von Mise应力与轴向压缩量的关系如图9所示。从图9可以看出，最大应力与轴向压缩量呈非线性关系；随着压缩量增大，最大应力增长率增大，即曲线斜率增大。

图9 橡胶密封垫轴向压缩量与最大Von Mise应力的关系

2.2 密封性能分析

图6 轴向压缩量为0.6 mm时橡胶密封垫的Von Mise应力分布

橡胶密封的失效准则和失效判据目前普遍采用的是最大接触应力大于工作压力[4]。根据美国卫浴排水产品标准ASME A112.18.2-2011-CSA B125.2-11，水龙头承受的最高工作水压为0.86 MPa。因此，为保证快开阀芯能承受0.86 MPa工作水压，橡胶密封垫上、下接触面的接触应力要大于0.86 MPa。根据快开阀芯轴向装配尺寸计算，橡胶密封垫的最小轴向压缩量一般为0.4 mm。因此，在快开阀芯工作水压为0.86 MPa和橡胶密封垫轴向压缩量为0.4 mm时，橡胶密封垫上、下接触面的接触应力大于0.86 MPa才能保证快开阀芯的密封性能。

图7 轴向压缩量为0.8 mm时橡胶密封垫的Von Mise应力分布

图8 轴向压缩量为1.0 mm时橡胶密封垫的Von Mise应力分布

为了研究橡胶密封垫的密封性能，模拟了快开阀芯工作水压为0.86 MPa和橡胶密封垫轴向压缩量为0.4 mm时橡胶密封垫上、下接触面的接触应力（如图10所示）。从图10可以看出，接触面中接触区域的接触应力大于工作压力，接触区域越长说明橡胶密封垫的密封效果越好。

图10 橡胶密封垫上、下接触面的接触应力

综上所述，设计合理的橡胶密封垫安装过盈量非常重要，既能保证密封，又能使橡胶密封垫的应力尽量小，以保证橡胶密封垫较长的使用寿命。

3 橡胶密封垫轴向预紧力模拟结果与试验结果对比

为了验证模拟结果的准确性，进行快开阀芯橡胶密封垫轴向压缩试验，得到橡胶密封垫轴向压缩量和轴向预紧力数据，并与有限元计算结果进行对比（如图11所示）。从图11可以看出：在轴向压缩量小于0.8 mm时，轴向预紧力模拟值稍大于试验实测值；在轴向压缩量大于0.8 mm后，轴向预紧力模拟值与试验实测值差别不大。从总体来看，模拟结果和试验结果比较吻合。在实际实施的设计方案中，快开阀芯橡胶密封垫轴向压缩量的设计名义值为0.8 mm左右。因此，本工作所构建的有限元分析模型及材料参数确定方法对类似的密封结构设计具有参考价值。

图11 橡胶密封垫轴向压缩量与轴向预紧力的关系

4 结论

（1）通过建立快开阀芯橡胶密封垫密封结构的Mooney-Rivlin非线性有限元分析模型来模拟橡胶密封垫安装及工作密封过程，可以得到任意轴向压缩量下橡胶密封垫的应力和变形的变化规律，以便优化建立橡胶密封垫的设计。

（2）有限元分析得出：快开阀芯橡胶密封垫装配时，随着轴向压缩量增大，应力较大的区域位置未发生变化，基本在上、下接触面；轴向压缩量增大，Von Mise应力增大；最大Von Mise应力与轴向压缩量呈非线性关系，轴向压缩量增大，最大应力增长率增大。

（3）为了保证橡胶密封垫的密封性能和使用寿命，在橡胶密封垫设计中确定合理的轴向压缩量非常重要。本设计橡胶密封垫的合理压缩量为0.8 mm。

（4）密封垫轴向压缩量和轴向预紧力的模拟结果与试验结果比较吻合。