新型虫形密封圈密封性能研究及优化

2020-03-05常佩琛谢禹钧

辽宁石油化工大学学报 2020年1期

董杰，常佩琛，谢禹钧

（辽宁石油化工大学机械工程学院，辽宁抚顺113001）

在当今工业生产中，密封装置广泛应用于各种生产设备，密封泄漏问题在设备运行中普遍存在[1]。橡胶密封圈是一种常见的密封元件，压力系统是否安全可靠与其密封性能密切相关。橡胶密封圈受到系统内流体的压力而回弹，与相邻密封边界高度贴合形成自密封，使腔体内流体满足密封条件[2]。

虫形密封圈位于Dn1160型压力烧结炉炉体法兰与快开炉门间的密封槽内。Dn1160型压力烧结炉采用JB 4732-1995标准设计，该标准是以塑性失效设计准则和疲劳失效设计准则为基础的设计方法[3]，可以适应复杂的工作条件。该烧结炉设计压力为6.6 MPa，工作压力为6.0 MPa，水压试验压力为9.6 MPa，设计工作温度为200℃[4]。工作时，炉内填充固体金属粉末和易爆炸气体。

虫形圈采用新工艺氟橡胶材料，可在200～250℃的温度下长期工作，300℃的温度下短期工作，且耐磨、耐腐蚀性能良好，是理想的密封材料。橡胶材料具有压缩性小、变形大、弹性好的特点，因此表现出强烈的非线性特征，给分析检测带来诸多困难[5]。近年来，CAE技术发展迅速，非线性材料的数值模拟有了突破性进展，本文应用AnsysWorkbench15.0软件对虫形圈进行模拟接触分析，通过改变翘脚高度、安装压缩量和内压等参数进行研究，得出虫形圈易撕裂位置，并根据结果对虫形圈实际工况和具体参数进行改进，从而提高整体密封水平。

1 计算模型的建立

1.1 物理模型

橡胶是一种非线性、大变形、体积近似不可压缩的材料，其泊松比μ一般为0.450～0.499，接近于水的泊松比0.5，因此橡胶受到压缩时体积几乎没有变化[6]。为研究方便，本文提出以下假设：（1）橡胶的拉伸和压缩性质相同，不考虑其松弛老化现象；（2）炉体和炉盖为金属材料，其刚度远大于橡胶，因此不考虑其变形，视其为刚体；（3）密封圈受到的压缩仅源于炉盖和炉体法兰的位移[7]。二系数Mooney-Rivlin模型可用于描述一般橡胶类非线性材料，其简化后的应变能函数表达式见式（1）。

式中，W为应变能密度；C1、C2为材料Mooney-Rivlin系数（穆尼常数），本文分别取 1.94和 0.47[8]；I1、I2分别为第一、第二应变张量不变量[9]。

1.2 有限元模型

虫形圈是其截面绕定轴旋转而成的回转体，工作时仅受到炉门挤压和炉内流体的压力，且荷载沿密封圈法向均匀分布，使整圈受力分布一致，因此在有限元建模过程中可以将其简化为二维平面模型。对简化后的有限元模型进行网格划分，采用四面体网格划分方式，网格尺寸0.3，2 984个单元，共划分9 398个节点。虫形圈实体模型及有限元模型网格见图1，工作位置剖面及局部放大图见图2。

图1 虫形圈实体模型及有限元模型网格

图2 工作位置剖面图及局部放大图

1.3 边界条件

虫形圈进入工作状态需要两个步骤：第一步，将虫形圈安装至密封槽内，虫形圈底部宽度略大于槽口宽度，虫形圈底部沿水平方向受到挤压，以左侧炉体法兰的刚体位移约束模拟该过程；当快开炉门关闭到位后，虫形圈上侧密封唇沿竖直方向被压缩，以上侧炉盖的刚体位移约束模拟该过程。此时，密封圈进入预压缩状态，其位移如图3所示，系统获得初始密封压力。第二步，开始加载时，密封圈底部气孔通入炉内气体，同左侧暴露在沟槽外侧的部分同时受到均匀内压，最终密封圈紧贴在炉盖底面，实现工作状态下的可靠密封。

图3 虫形圈预压缩位移

2 易撕裂区域的影响因素

Von Mises应力反映密封圈截面上各主应力的大小，Von Mises应力较大的区域，材料容易出现裂纹，同时，较大的Von Mises应力会加速橡胶材料松弛，造成密封圈刚度下降[10]。Von Mises应力的计算公式见式（2）[11]，Ansys后处理模块可以给出模拟后具体的计算数值。

式中，σ为等效应力，MPa；σ1为第一主应力，MPa；σ2为第二主应力，MPa；σ3为第三主应力，MPa。

根据畸变能密度理论，当材料发生屈服失效时，应力关系满足式（3）：

式中，σs为许用应力，MPa。

简单而言，虫形圈在某一区域上Von Mises应力越大，该区域越容易产生裂纹，进而导致虫形圈发生撕裂破坏[12]。

2.1 内压对密封性能的影响

当翘脚高度为4.8 mm、安装压缩量0.5 mm时，不同内压下虫形圈所受的应力（最大Von Mises应力和最大接触应力）见表1。Von Mises应力最大值出现在虫形圈右上角槽口部位，而其他位置应力分布较为均匀，所以该区域是虫形圈易发生撕裂破坏的位置，也是导致虫形圈寿命缩短的重要位置。由表1可知，内压升高时，最大接触压力始终大于内压，且二者的差值越来越大，说明该系统密封性能良好，炉内压力升高导致最大Von Mises应力急剧增大，而较高的Von Mises应力会导致虫形圈产生裂纹甚至破坏，缩短密封圈的使用寿命，是虫形圈失效的主要原因。因此，在某些高压或超高压容器中，密封垫片应考虑使用金属、石墨、陶瓷纤维等材料[13]。

表1 当翘脚高度为4.8 mm、安装压缩量为0.5 mm时，不同内压下虫形圈所受的应力 MPa

2.2 翘脚高度对密封性能的影响

当安装压缩量为0.5 mm、内压为6.0 MPa时，不同翘脚高度下虫形圈的等效应力云图如图4所示。虫形圈密封唇顶点到圈体上平面的高度即为翘脚高度，由于密封唇所在的面是虫形圈的关键密封面，所以翘脚高度对虫形圈密封效果的影响不容忽略。由图4可知，应力集中区域主要出现在槽口及中部，当翘脚高度增大时，Von Mises应力显著增大，加速虫形圈的老化和失效。同时，过大的翘脚高度会使关闭炉门的推力增大，对实际生产产生不利影响。

图4 当安装压缩量为0.5 mm、内压为6.0 MPa时，不同翘脚高度下虫形圈的等效应力云图

虫形圈最大Von Mises应力和最大接触应力与翘脚高度的关系见表2。由表2可知，随着翘脚高度增加，最大接触应力呈线性增加，且与内压的差值越来越大，说明该系统密封性能良好，翘脚高度增加导致最大Von Mises应力也呈线性增加，这对密封圈的使用寿命不利。当翘脚高度为4.0 mm时，最大Von Mises应力与最大接触应力的差值达到峰值，此时虫形圈密封性能最好，且使用寿命较长。

2.3 安装压缩量对密封性能的影响

当翘脚高度为4.8 mm、内压为6.0 MPa时，不同安装压缩量下虫形圈的等效应力云图如图5所示。虫形圈初次装配时，为了防止胶圈脱落，采用过盈装配，虫形圈底部安装至密封槽的部分存在少量压缩，即为安装压缩量。由图5可知，应力集中区域主要出现在槽口及中部，安装压缩量受密封圈几何尺寸影响，过小的压缩量可能会引起泄漏[14]；反之，压缩量过大会导致密封圈安装困难。

表2 最大Von Mises应力和最大接触应力与翘脚高度的关系

图5 当翘脚高度为4.8 mm、内压为6.0 MPa时，不同安装压缩量下虫形圈的等效应力云图

虫形圈最大Von Mises应力和最大接触应力与安装压缩量的关系见表3。

表3 最大Von Mises应力和最大接触应力与安装压缩量的关系

由表3可知，随着安装压缩量的增大，最大接触应力变化幅度不大，浮动在0.5 MPa以内，其值远大于内压，说明该系统密封性能良好，最大Von Mises应力呈现出震荡趋势，在压缩量为0.6 mm之前呈现出逐渐下降的趋势，压缩量为0.6 mm时突然升高，之后又呈现出下降趋势。当安装压缩量为0.7 mm时，最大接触应力与最大Von Mises应力的差值达到峰值，此时密封圈密封效果最好，使用寿命较长。

3 优化过程和结果

当内压为6.0 MPa时，对虫形圈进行优化，优化前后最大Von Mises应力和最大接触应力见表4。由表4可知，优化后最大Von Mises应力由6.460 9 MPa降至5.492 4 MPa，降幅为14.99%，有效地提高了虫形圈的抗撕裂强度和使用寿命；最大接触应力由10.428 0 MPa降至9.269 5 MPa，降幅为11.11%，仍高于系统内压，虫形圈满足密封要求。最大Von Mises仍然出现在槽口附近虫形圈易发生撕裂的位置，虫形圈远离槽口危险位置的大片区域应力较小，没有充分发挥其抵抗变形的能力。

表4 优化前后最大Von Mises应力和最大接触应力 MPa

为了有效利用虫形圈应力较小的部位，将金属丝加入虫形圈内部，利用金属刚度高的特点，对虫形密封圈应力较大位置做局部增强处理，以期将集中应力分散传导至金属内部和密封圈上应力较小的区域，同时防止虫形圈在开关炉门时被高压吹出[15]。现将直径为3 mm的金属丝安装到虫形圈内，经反复试算，使添加的钢丝圆心距虫形圈右边缘3 mm，距虫形圈上边缘3 mm，添加金属丝后的虫形圈有限元模型如图6所示。取内压为6.0 MPa，外部因素采用优化后的结果，对添加金属丝后虫形圈Von Mises应力和接触应力进行数值模拟，结果如图7所示。由图7可知，最大Von Mises应力由5.492 4 MPa降至5.198 6 MPa，降幅5.35%，较好地分散了槽口附近的集中应力，且降低了槽口处橡胶挤出量，有效提高了密封圈的抗撕裂能力和使用寿命，整个虫形圈的应力分布也更为合理；最大接触应力出现的位置由槽口附近上移至炉门与虫形圈的贴合面，其最大值为10.509 0 MPa，与优化后的接触应力相比略有增大，远超系统内压，符合密封要求。