压力容器Y形橡胶密封圈有限元分析范文

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摘要：

采用有限元方法，对齿啮式压力容器Y形橡胶密封圈在不同内压载荷、法兰间隙、操作温度等情况下的Von-Mises应力以及剪切应力分布规律进行有限元分析。结果表明在不同内压载荷下，密封圈的最大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间隙增加，Y形橡胶密封圈密封性能有所下降；操作温度升高会导致Y形圈接触应力下降。研究对齿啮式压力容器Y形橡胶密封圈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

齿啮式快开容器可分为带平封头的、带凸形封头的。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0.8～6.4MPa之间，工作温度在200℃左右[1]。齿啮式快开结构法兰密封多采用Y形橡胶密封圈，Y形圈的密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研究，谌彪[2]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形密封圈可能出现裂纹的位置；ManfredAchenbach[3]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[4]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圈进行数值模拟，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封圈密封性能的影响。

1模型的建立及计算参数

1.1齿啮式快开装置及密封圈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形密封圈的一个二维截面进行分析，其截面主要尺寸H=2mm，θ=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Y形橡胶密封圈维实体单元plane183、自由网格划分，如图3所示。

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γ=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1.2×10-4。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证[5,6]，其应变能偏量部分有关的材料常数C10和C01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为1.87和0.47，该橡胶材料许用剪切强度为4.6MPa[7]。

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targe169配对组成[8]。

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束；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圈内侧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，造成刚度下降，容易出现裂纹。接触应力大于或等于工作内压载荷是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[9]。

2.1不同内压载荷作用下Y形圈应力分布在1MPa内压载荷下，密封圈的最大Von-Mises应力以及最大剪切应力出现在密封唇唇尖部位；在5MPa内压载荷下，密封圈最大Von-Mises应力与最大剪切应力均出现在密封圈上下唇交汇处如图4、图5所示。由图6可知，接触面1与接触面2接触压力分布特性相近且接触面1接触压力略小于接触面2，因此只分析接触面1、3的接触压力。如图6、图7所示，随着内压载荷的增大，Y形圈各应力最大值均不断增大，但不同的内压载荷下最大接触压力均高于内压载荷，密封可靠。图7表明，在6.4MPa内压载荷下，最大剪切应力为2.32MPa小于材料剪切强度4.6MPa；因此本文结构型式的Y形密封圈能满足内压载荷6.4MPa以下的齿啮式压力容器的密封要求。

2.2不同法兰间隙下Y形密封圈应力变化齿啮式快开装置法兰间隙通常为1mm～4mm[10]。如图8所示，在1MPa内压载荷下法兰间隙的影响较小；在5MPa内压载荷下，随着法兰间隙的增大密封圈最大Von-Mises应力和剪切应力增大，接触面3最大接触压力则逐渐减小。且法兰间隙在2mm以下密封圈最大Von-Mises应力、最大剪切应力及最大接触压力变化不明显。因此内压载荷大于等于5MPa时，齿啮式压力容器中法兰间隙取1mm～2mm较为合适。(a)1MPa内压载荷(b)5MPa内压载荷图8法兰间隙对Y形圈应力的影响

2.3不同温度下Y形密封圈应力变化齿啮式快开容器工作温度一般在200℃左右，温度的升高会产生热应力同时还会导致橡胶材料机械性能的下降[11,12]。假设室温为20℃分别对Y形圈施加20℃、60℃、100℃、140℃、180℃、220℃的均匀温度载荷。内压载荷取3MPa，法兰间隙取2mm，分析结果如图9所示，温度升高导致Y形圈的最大Von-Mises应力变大，接触面1、3最大接触压力减小。温度变化对最大剪切应力没有影响。

3结论

1）在1MPa内压载荷下，密封圈的最大Von-Mises应力以及剪切应力出现在密封唇唇尖部位；在5MPa内压载荷下，密封圈最大Von-Mises应力与剪切应力均出现在密封圈上下唇交汇处。Von-Mises应力越大，越会加速橡胶材料的松弛，造成刚度下降，容易出现裂纹。2）随着内压载荷的增大，Y形圈各应力最大值均不断增大；本文结构型式的Y型橡胶密封圈在不同内压载荷下最大接触压力均高于内压载荷，密封可靠。3）随着法兰间隙的增大密封圈最大Von-Mises应力和剪切应力增大，接触面3最大接触压力则逐渐减小。法兰间隙在2mm以下时，密封圈Von-Mises应力、剪切应力及接触压力变化不明显。因此本文结构齿啮式压力容器法兰间隙取1mm～2mm较为合适。4）温度升高导致Y形圈的最大Von-Mises应力变大，接触面1、3最大接触压力减小，密封圈的密封性能有所下降。

参考文献：

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[3]ManfredAchenbach.Servicelifeofseals-numericalsimulationinsealingtechnologyenhancesprognoses[J].ComputationalMaterialsScience,2013,19(1-4):213-222.

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作者：孟华荣 刘雪东 李柏贤 单位：常州大学 机械工程学院