密封结构对橡胶密封圈压缩率的有限元分析.pdf

139
ソLv既川
2014年第3期
MECHANICAL MANAGEMENT AND DEVELOPMENT Total of 139
No.32014
设计试验
密封结构对橡胶密葑圈压缩率的有限元分析
姚涛,刘威
(中国船舶重エ集团公司第七一O研究所,湖北宜昌443003)
摘要:利用有限元分析软件AWE,针对不同的板厚和螺栓连接间距建立了密封结构的有限元模型,分
别分析计算了最大 Von Mises E应力和最大变形,从而折算为对櫞胶密封圈压缩率的影响。该分析结果经
过淋雨试验验证可行,为密封结构的设计、合理安裝和使用提供了理论依据。
关键词:橡胶密封圈;AWE:;有限元;压缩率; Von Mises应カ
中图分类号:TB42
文献标识码:A
文章编号:1003-773X(2014)03-0016-04
引言
密封主要通过挤压变形充填间隙达到密封的目的。
密封圈具有结构紧凑、制造简单、密封性能好、而动密封圈则主要通过运动中产生液体薄膜阻滞液体
承受压力高和成本低廉等特点,因此被广泛应用于汽泄漏达到密封的目的,在动密封状态情况下具有一定
车、动力、机械、船舶及石油化工等领域。在工业的漏泄量是正常的"の。
生产中,设备制造商和最终用户都希望密封系统能够
在预压缩状态下,密封圈接触面上的接触应力
无泄漏的运行,并且具有较长的使用寿命,因此设备抛物线分布,随着橡胶绳预压缩率的增大,接触应力
密封性能的好坏至关重要。密封圈的使用范围及安装和接触长度不断增大,最大接触应力呈近似线性规律
方法均有相应的国家标准,且在对其理论分析的方面增大,有利于増强密封效果,但太大的压缩率会使橡
已取得了相关成果,主要集中在密封圈本构模型和沟胶绳产生较大的残余变形和应力松弛,从而造成泄
槽结构参数的研究上。选择合理的压缩率对密封性能漏。因此在保证有效密封的条件下应选择适当的预压
是很重要的,查阅各类文献资料,较难查到板厚和螺缩量合理选择压缩率对密封性能是很重要的。
栓间距两因素对密封圈压缩率影响的研究。工程实2计算模型的建立
践表明不同的板厚和螺栓连接间距对橡胶密封圈的压
在工程实践中,由于丁腈橡胶密封圈性能优良使
缩率有很大影响。本文采用有限元分析软件用范围广。橡胶密封圈密封结构涉及的因素很多,本
AWE( ANSYS Workbench Environment)对密封结构文仅以直径为4的丁腈橡胶"(NBR)所对应的特定
进行建模和计算,分析了板厚和螺栓连接间距对密封沟槽尺寸为研究对象,如图1,下页图2所示,分析不
圈压缩率的影响及适用范围,为同类密封结构设计和同盖板厚度和螺栓连接间距对密封圈压缩率的影响。
密封圈的选择提供了理论参考。
1密封圈的密封原理
从本质上说,一个完好的密封圏就是一个被夹在
安放它的沟槽腔之中的断面为圆形的模制橡胶閣。在
Y为螺栓连接间距
使用中因静、动两种状态,其密封原理有所不同。静
收稿日期:2014-04-13
3
第一作者简介:姚涛(1984一),男,甘肃天水人,工程师
硕士,研究方向:从事特种装备与结枃设计技术、现代设计理
图1密封结构示意图
论与方法研究。
第29卷一
jxglkfbjb@126.com
2.2物理模型
閂边
基于以上理论,对密封结构中板厚和螺栓连接间
周边
距理论分析时,将物理模型进行如下简化处理"。
1)密封盖板具有确定的弹性模量E和泊松比,选
材为Q235。
2)该密封结构选择丁腈橡胶绳4(NBR)。
周边
3)密封结构和密封槽尺寸如图1,图2所示,其中
图2密封槽结构尺寸(其中x为板厚)(
mm
单位为mm。
2.1理论分析
4)假定为受内压的轴向静密封。
軸向静密封O形圈的最大和最小压缩率如图
5)选定边界条件。油压(外压)为0,理论压缩
3所示。
率为20%,则结构的最大接触压力为5.47MPa。
35
6)密封接触面平面度公差等级为6级,密封槽倒
30
贤25
20
角均为R=0.3mm。
3板厚和螺栓连接间距对压缩率影响的有限元分析
2.65
5.3
3.1板厚分析有限元模型
⊙形面直径,d2/n
在工程实践中,密封槽对应的密封盖板厚度的选
图3轴向密封最大和最小压缩率
择往往依据工程经验来类比设计,很少进行理论分
由图3可知,4的丁腈榱胶绳(NBR)压缩率介析,导致用材过多或者密封不可靠等现象,即使优化
于18%~25%之间即可满足密封所要求。
设计也是基于经验的,未能从理论上进行优化,从而
在不同的油压和不同密封圈压缩率工况下,最大造成设计成本高,周期长,较难从系统层面上优化设
接触压力始终大于油压,满足橡胶绳密封条件,保证
计。该盞板采用M8螺栓,螺栓间距为10d(d为螺栓大
了密封圏的密封性能(见表1)。压缩率计算
径,单位为mm)。盖板初始厚度为10mm,以1mm为
×100%
(1)厚度变化单位进行仿真分析密封槽的变形。
式中:8为橡胶绳压缩率,%;为橡胶绳截面直径,31.1板厚-压缔率有限元模型建立
mm;h为密封槽的深度,mm。
建立三维实体模型,并对其网格划刘分如图4所示。
表1不同油压、不同压缩率条件下最大接触压力的变化情況
ANS
AN,
油压/MPa
最大接触压力/MPa
15%
3.00
4.14
5.47
5
10.60
10
12.82
13.65
14.93
通过式(1)计算的压缩率为理论压缩率,未综合
考虑密封结构由于受到接触压力而导致的结构变形引
起的实际压缩率小于理论压缩率等因素。实际压缩率
图4有限元模型(板厚一压缩率)
计算中h(实际密封槽近似深度)≈+结构变形。则实3.1.2有限元分析
际压缩率可按式(2)计算
1)有限元参数确定。对物理模型施加边界条件如
a×100%
(2)下页图5所示。
式中:s为橡胶绳实际压缩率,%;d为橡胶绳截面直
2)等效应力和变形分析。静力学分析结果如下页
径,mm;h为密封槽的变形后近似深度,mm
图6、7所示。