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齿啮式压力容器Y形橡胶密封圈有限元分析
The finite element analysis of Y-ring used in tooth-locked pressure vessel
孟华荣,刘雪东,李柏贤
MENG Hua-rong, LIU Xue-dong, LI Bai-xian
(常州大学机被工程学院,常州213164)
摘要:采用有限元方法,对齿脑式压力容器Y形橡胶密封閣在不同内压载荷、法兰囘隙、操作温度等
情况下的Von- Mises应力以及剪切应力分布規律进行有限元分析。结果表明在不同内压载荷
下,怒封圈的最大Von- Mises应力以及最大剪切应力位置、大小发生改变;齿啮式压力容器
法兰隙增加,Y形橡胶封圏密封牲能有所下降;操作温度升高会导致Y形圏接触应力下
降。研究对齿啮式压力容器Y形橡胶密封圏设计及应用具有一定指导意义
关键词:Y形密封圈;有限元分析;齿啮式压力容器;法兰间隙
中分类号:TH136
文献标识码:A
文童绵号:1009-0134(2015)12(上)-0092-03
Doi:10.3969/∫j.SSn.1009-0134.2015.23.27
0引言
维实体单元 plane183、自由网格划分,如图3所示
齿啮式快开容器可分为带平封头的、带凸形封头的。
Y形橡胶密封
其中带凸形封头的主要用于中、低压压力容器,工作压力
一般在0.8~64MPa之间,工作温度在200℃左右。齿啮
式快开结构法兰密封多采用Y形橡胶密封閎,Y形圈的密
筒体法兰
封性能对齿啮式快开容器的安全运行具有重要影响。随着
计算机技术的发展,有限元技术被运用于橡胶密封圈的
图1齿啮式快开压力容器的密封结构
研究,谌彪?等利用 ANSYS分析了不同工作压力下Y形
密封圈的Von- Mises应力和接触应力分布,并预测了Y形
茂触面
密封圈可能出现裂纹的位置; Manfred Achenbach利用
计算机仿真预测了密封圈不同环境下的使用寿命;谷云
庆?等利用数值模拟分析了压缩量及密封圈表面仿生凹
坑对密封性能的影响。目前大多数的研究都集中液压元
件密封圈密封性能的有限元分析。本文采用有限元分析
方法对齿啮式快开压力容器密封器进行数值模拟,分别
研究了压力容器不同内压、法兰间隙以及工作温度对密
接触面3
封圈密封性能的影响。
接触面2
1模型的建立及计算参数
图2密封圈模型
1.1齿啮式快开装置及密封的几何模型
齿啮式快开装置的密封结构如图1所示。密封槽开
在筒体法兰上,接触面1为密封槽内侧面与Y形圈接触
面、接触面2为密封槽外侧面与Y形圈接触面、接触面3
为封头法兰与Y形圈接触面,如图2所示。根据密封结
构的轴对称特点,选取Y形密封图的一个二维截面进
行分析,其截面主要尺寸H=2mm,6=80°,如图2所
示,其中。筒体法兰、封头法兰及橡胶密封圈均采用二
图3Y形圈有限元模型
收日期:2015-08-09
基金顶目:江苏省产学研联合创新项日(SBY2013024-23)
作者简介:孟华荣(1990-),男,常州人,硕土研究生,研究方向为化工过程机械结构优化
【92】第37卷第12期2015-12(上)
1.2容器和密封圈的材料模型
有限元分析采用 ANSYS软件,容器材料为
Q345R,其弹性模量E=209GPa,泊松比v=0.3;密封圈
材料近似为不可压缩的超弹材料,密封圈材质为丁腈橡
胶(NBR),硬度为IRHD85(国际橡胶硬度等级),线
膨胀系数为1.2×10。橡胶材料模型采用 Mooney- Rivlin
模型函数更贴近橡胶材料的真实特性且被大量的实验验
(b)5MPa内压戟荷
证?,其应变能偏量部分有关的材料常数C10和CO1可由
实验获得的经验公式根据橡胶材料的硬度计算得出分别
图4Von- Mises!应力
为1.87和0.47,该橡胶材料许用剪切强度为4.6MPa?
1.3接触属性
选取密封槽及封头法兰表面为目标面,密封圈表面
为接触面。模型中的接触对由接触单元 conta172和目标
单元arge169配对组成
1.4边界条件
齿啮式快开装置密封系统Y形密封圈Y唇朝向密封
(a)IMPa内压载荷
槽内侧,在无内压时,密封圈依靠密封唇尖变形产生的
接触压力形成初始密封,在升压的过程中密封腔与外供
介质源相通,在工作阶段,将密封槽与釜体内腔相通,
起到自封自紧作用。
根据齿啮式压力容器工作原理,对Y形圈施加以下
边界条件:
1)对密封圈左侧封头法兰施加固定约束,对密封
圈上下两侧密封槽施加左右方向的固定约東
b)5MPa内压载荷
为使得如图3中密封槽恢复到实际宽度,对密封圈
上侧密封槽施加-1.25mm的位移载荷,对密封圈下侧密
图5剪切应力
封槽施加1.25mm的位移载荷
2)密封槽内腔施加相应的内压载荷之后再对密封
網内側裸露面施加相应的内压载荷。
2计算结果与分析
利用有限元软件 ANSYS对Y形密封圈进行有限元分
析,得出相应的接触压力、Von- Mises!应力分布。Von-
Mises应力反映了截面上各主应力差值的大小,一般来
说,Von- Mises应力越大,越会加速橡胶材料的松弛,
936
1,56411
造成刚度下降,容易出现裂纹。接触应力大于或等于工
(a)IMPa内压载荷
作内压载荷是Y形密封圈保证密封能力的必要条件,因
此接触应力是密封失效判据的首要条件以。
2.1不同内压载荷作用下Y形圈应力分布
(b)5MPa内压载荷
24524
42661
L95893
图6接触压力
(a)IMPa内压载荷
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