錐形滑環(huán)組合密封有限元分析

1、錐形滑環(huán)組合密封有限元分析基金項(xiàng)目：1,四川省教育廳項(xiàng)目zb098）； 2,國家“十一 五”科技支撐項(xiàng)目（2008badc4b15）文華斌二胡勇唐克倫二胡光忠",郭毅】，2（1,四川理工學(xué)院,四川自貢643000； 2,過程裝備與控制工程四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川自貢643000） 摘要：采用ansys軟件對錐形滑環(huán)組合密封進(jìn)行了彳j限元分析。分析了高壓及超高壓密封狀態(tài)下動、靜密封面的密封效 果以及各密封部件的使用性能，解決了冇限元分析過程屮大應(yīng)變問題和接觸問題帶來的收斂性差的技術(shù)難題和密封內(nèi)壓 動態(tài)加載的技術(shù)難題。數(shù)值模擬結(jié)果衣明，錐形滑環(huán)組合密封能夠?qū)崿F(xiàn)髙壓及超髙壓密封，且各密封

2、部件工作狀態(tài)良好。 數(shù)值模擬工作為錐形滑壞組合密封產(chǎn)品的開發(fā)提供了輔助，并可為同類型數(shù)值模擬工作提供借鑒。關(guān)鍵詞：ansys；有限元分析：滑環(huán)組合密封：數(shù)值模擬finite-element analysis of the tapered sliding combined sealingwen hua-binl2,hu yong12,tang ke-lun12,hu guang-zhongl2,guo yi1'2(1, sichuan university of scienee & engineering,zigong,sichuan,china. 643000:2,key la

3、b. in sichuan colleges on industryprocess equipments and control engineering, zigong, sichuan, china 643000)abstract: the finite-element analysis of the combined cone slip-ring sealing is done through the ansys software. the sealing effect and the using performanee of the dynamic sealing surface and

4、 the static sealing surface under the high pressure and the super high pressure is analyzed the sealing technology problem of the dynamic pressure loading and the poor convergence technology problem caused by large strain and contact are solved. the simulation results show that the combined cone sli

5、p-ring sealing can satisfy seal requirements under the high pressure or the super high pressure, and the working conditions of scaling parts of arc kept well the numerical simulation offers helps for developing the combined cone slip-ring scaling, and provides references to the similar numerical sim

6、ulations.keywords: ansys; finite element analysis; combined cone ring sealing; numerical simulation0引言錐形滑環(huán)組合密封是筆者所在研究小組開發(fā) 設(shè)計(jì)的一新型滑環(huán)式組合密封結(jié)構(gòu)，見圖1所示。 此結(jié)構(gòu)采用了兩個(gè)o型圈，在o型圈z間裝有一 擋隔圈，擋隔圈可在軸向自由滑動，左側(cè)o型圈 在密封腔內(nèi)壓作用下通過扌當(dāng)隔圈來擠壓右側(cè)o型 圈。錐形滑環(huán)橫截血為近似肓和三旳形，左端銳 角大小控制滑環(huán)滑動過程中在軸向和徑向的位移 比例，右端銳角設(shè)計(jì)為一圓形倒角。在滑環(huán)左側(cè) 設(shè)讓一組彈性元件，安裝吋給予一定的預(yù)壓縮量,

7、 以其彈性恢復(fù)力作為零內(nèi)壓時(shí)的密封動力，使密 封件在啟動時(shí)也具冇良好的密封性能。隨著密封 內(nèi)壓的增加，滑環(huán)在密封內(nèi)壓作用下向右滑動， 并由于套箍效應(yīng)而緊貼在滑動密封面上，滑環(huán)移 動的同吋擠壓o型圈，變形后的o型圈反作用于 滑環(huán)，使滑環(huán)更緊貼于滑動密封面上，達(dá)到理想 的密封效果。擋隔圈高度與缸筒溝槽深度一致， 它們與滑環(huán)外側(cè)而的初始間隙為/。當(dāng)滑壞外側(cè) 面徑向位移達(dá)到/時(shí)，擋隔圈、缸筒與滑環(huán)接觸, 阻止滑環(huán)的徑向變形，則o型圈最大截面直徑壓 縮率可控制為wmax二/ d * 100%。由于錐形滑環(huán)組合密封的工作特點(diǎn)，在進(jìn)行 有限元分析時(shí)存在以下3個(gè)技術(shù)難題。圖1錐形滑壞組合密封1錐形滑環(huán)2.缸筒

8、3.0型圈4.描隔圈5軸套fig.l the tapered sliding combined sealing1. cone slip-ring 2.cylinder 3.0-ring 4.blocking ring 5. shaft sleeve注：b】一溝槽寬度：b°扌肖隔圈厚度：do型圈橫截而直 徑；型圈高出溝椚的高度；h滑環(huán)左側(cè)厚度；e 滑環(huán)斜邊與水平線夾角。1, o型橡膠圈數(shù)值仿真難度人。橡膠材料屈 于超彈性材料，這種材料可承受大應(yīng)變和大位移, 而體積兒乎不可壓縮，泊松比接近于0.5,這種分 析需要采用大應(yīng)變理論，計(jì)算收斂性差。2, 接觸問題復(fù)雜，計(jì)算難以收斂。密封過程 中

9、滑環(huán)的軸向運(yùn)動和o型圈的人應(yīng)變都造成接觸 區(qū)域的不確定性，這是接觸問題分析的一大難點(diǎn)。 這里的接觸問題要考慮摩擦作用，摩擦屬于非線 性問題，摩擦效應(yīng)町能是無序的，所以摩擦問題 使得接觸分析的收斂性更加困難。3, 密封內(nèi)壓作用過程模擬困難人。隨著密封 內(nèi)壓的變化，滑環(huán)將在軸向發(fā)生位移，同時(shí)改變 對o型圈的擠壓程度，這將引起受密封內(nèi)壓作用 表而積的改變，即密封內(nèi)壓作用表血積人小是隨 內(nèi)壓變化而變化的，這使得準(zhǔn)確模擬內(nèi)壓作用過 程非常困難。本文旨在解決上述3個(gè)數(shù)值模擬技術(shù)難題， 準(zhǔn)確對錐形滑壞組合密封進(jìn)行有限元分析，為其 產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)提供有益輔助。1錐形滑環(huán)組合密封非線性問題分析1.1超彈材料非線性

10、分析橡膠是一種超彈材料，兒乎不可壓縮，泊松 比接近0.5。不可壓縮材料在靜水壓力下不產(chǎn)生變 形，対此類材料，在單元公式中必須考慮不可壓 縮條件。在ansys程序屮，不可壓縮超彈單元修 改了應(yīng)變能密度函數(shù)，在單元中明確包含了壓力 白由度，壓力白由度使不可壓縮條件得到滿足。 壓力自山度是一種內(nèi)部自山度，被凝聚在單元內(nèi) 部。對橡膠材料的應(yīng)變能函數(shù)描述，ansys中通 常采用mooney-revlin函數(shù)山，如下式： w = a(j, - 3) + b( j2 - 3) + c(j2 - 3)2 + d(j, - 3)( j2 - 3) +e( j2 - 3)2 + f( j, - 3)3 + g(-

11、 3)2( j2-3) + h(jl- 3) (厶-3尸 + /(丿2 -3)3 + kq -1)? /2( 1)式中：w為修正的應(yīng)變勢能；為泊松比， k = 6(a + b)/3(l-2“); j, 厶、厶分別為應(yīng)力張 量第1 第2、第3的縮減不變量,丿嚴(yán)/罟， 丿2 =厶/，人=目'，人、厶、厶分別為應(yīng)力張量 笫1、第2、第3不變量；ai為材料常數(shù) (mooney-revlin 常數(shù))。這是一個(gè)完整的非線性模型，可以取部分項(xiàng) 做近似計(jì)算。ansys中可以定義2、3、5或9個(gè) 參數(shù)的mooney-revlin模型進(jìn)行超彈材料的計(jì)算。 1.2邊界非線性接觸分析接觸問題是一種高度非線性行

12、為，在ansys 中可以便用增進(jìn)的拉格朗日方法或罰函數(shù)方法計(jì) 算。罰函數(shù)是通過接觸剛度在接觸力與接觸面間 的穿透值(接觸位移)間建立力與位移的線性關(guān) 系：接觸剛度x接觸位移二法向接觸力，罰函數(shù)的 收斂需耍定義-個(gè)合適的接觸剛度值，但是接觸 剛度值較難確定。增進(jìn)的拉格朗lt方法是為了找 到精確地拉格朗fi乘子(即接觸力)，而對罰函 數(shù)進(jìn)行了 一系列修正迭代。與罰函數(shù)的方法相比, 拉格朗日方法容易得到良態(tài)條件，對接觸剛度的 敏感性較小。在接觸面之間存在靜摩擦和滑動摩擦。在基 木的庫倫摩擦模型中，兩個(gè)接觸面在開始相互滑 動z前，在界面上會冇達(dá)到某一大小的剪應(yīng)力產(chǎn) 生的狀態(tài)，這種狀態(tài)稱為粘合狀態(tài)。庫倫

13、摩擦模 型定義了一個(gè)等效剪應(yīng)力7，在某一法向壓應(yīng)力為 p作用下，剪應(yīng)力達(dá)到此值時(shí)，表面開始滑動 (z = “p + f , “為摩擦系數(shù)，f是粘聚力)。當(dāng) 剪應(yīng)力超過此值，兩表而相互滑動，叫滑動狀態(tài)。 粘合/滑動計(jì)算決定何時(shí)一個(gè)點(diǎn)從粘合狀態(tài)到滑動 狀態(tài)，或從滑動狀態(tài)到粘合狀態(tài)。2有限元模型的建立2.1模型介紹o型橡膠圈采用購基丁二烯橡膠(nbr),彈性 模量為14.04mpa,泊松比為0.499,摩擦系數(shù)為 0.2,采用超彈性單元plane 183模擬，超彈材料采 川2參數(shù)mooney-revlin模型，兩材料常數(shù)分別為 1.87和0.47(2_6,o接觸單元由接觸單元conta172 和冃標(biāo)

14、單元targe 169配對組成，在o型圈與軸 套、o型圈與滑環(huán)、滑環(huán)與缸筒、o型圈與擋隔圈 之間共建立了 10對接觸対。邊界的非線性接觸分 析采用拉格朗日方法分析。滑環(huán)為填充聚四氟乙 烯材料，壓縮彈性模量取500mpa,泊松比取0.4, 摩擦系數(shù)為0.04,采用plane82模擬。邊界缸筒 和軸套單元采用plane82模擬，材料的彈性模量 取2x 1()5mpa,泊松比取0.3。錐形滑環(huán)組合密封結(jié)構(gòu)幾何尺寸見表1所示。表1錐形滑環(huán)組合密封結(jié)構(gòu)兒何尺寸table 1 geometric dimension of the combined cone slipping sealing結(jié)構(gòu)參數(shù)d /m

15、m/mm bjmmo /mm h /mm&/(“)參數(shù)值512.51110.0535錐形滑壞組合密封為軸對稱結(jié)構(gòu)，采用軸對 稱有限元法分析。錐形滑環(huán)組合密封有限元分析 以o型圈、滑環(huán)以及與z接觸的接觸面為主，所 以僅建立軸套和缸筒的局部模型。錐形滑環(huán)組合 密封軸對稱有限元模型如圖2所示，共建立1431 個(gè)超彈性單元plane 183 , 1948個(gè)平而單元 plane82, 476個(gè)接觸單元及口標(biāo)單元，共13663 個(gè)節(jié)點(diǎn)。圖2冇限元分析模型fig.2 model of the finite element method2.2邊界及荷載介紹b）密封內(nèi)床為lompa時(shí)荷載作用情況作用而范

16、圍逐漸減少。/solu2.2.1位移邊界加載方案軸套及缸筒固定不動，滑環(huán)、0型圈及擋隔圈 均通過邊界接觸進(jìn)行約束。2.2.2荷載加載求解方案采用吋變結(jié)構(gòu)的多荷載步方法山進(jìn)行加載求 解。首先在滑環(huán)左側(cè)施加0.1 mpa壓力作為安裝狀 態(tài)時(shí)彈簧的壓力，并求解。再分n步逐漸施加密 封內(nèi)壓并求解，而門每次加載zw，確定左側(cè)o 型圈和滑環(huán)處于密封腔內(nèi)的表而區(qū)域，僅在該表 面區(qū)域施加密封內(nèi)壓，準(zhǔn)確模擬o型圈和滑環(huán)受 內(nèi)壓作用過程。圖3所示為計(jì)算過程中內(nèi)壓加載 情況，由圖可知，隨密封內(nèi)壓的增加，密封內(nèi)壓時(shí)安裝狀態(tài)荷載作用情況c）密封內(nèi)壓為3（）mpad）密封內(nèi)壓為60mpa時(shí)荷載作用情況時(shí)荷載作用惜況圖3時(shí)

17、變結(jié)構(gòu)的多荷載步方法加茲求解過程fig.3 solution process of the time-varying structure throughthe multi-load-step method模擬o型圈受密封內(nèi)壓作用過程的apdl程 序?yàn)椋簄sel,s,cm,node 1,node* get,nodenum,nodecount* dim,snodenodenum* get,nodei,nodemnum,min snode( 1 )=nodei* do.i,2,nodenumsnode(i)=ndnext(snode(i-1)*enddo*do,t,2,61time,tcmsel,s

18、?nodel*do,i,l,nodenum*g etjpress,node,snode(i),cont,pres*ifjpress,lt,t,thennschu,snodc(i)*endif*enddosf,all,presxt-l)solve*enddo3計(jì)算結(jié)果及分析3.1密封面接觸壓力結(jié)果及分析在滑環(huán)斜面上沿軸向方向定義一路徑，以該 路徑上接觸壓力結(jié)果分析動密封而的密封效果。 當(dāng)密封內(nèi)壓分別為lompa60mpa時(shí)，動密封面 上相應(yīng)的接觸壓力分布曲線如圖4所示。由圖可 知，在兩o型圈下方都存在一段密封寬度，其接 觸壓力大于密封內(nèi)壓，可以實(shí)現(xiàn)動密封要求；隨 密封內(nèi)壓的增加，左側(cè)o型圈下方達(dá)

19、到密封要求 的密封段寬度變化不明顯，且該區(qū)域最人接觸壓 力與密封內(nèi)壓的差值兒乎不變；隨密封內(nèi)壓的增 加，右側(cè)o型圈下方達(dá)到密封要求的密封段寬度 呈增人趨勢變化，且該區(qū)域最大接觸壓力與密封 內(nèi)壓的差值呈最大趨勢變化；當(dāng)密封內(nèi)壓為 60mpa ,動密封面上最大接觸壓力達(dá)到 72.386mpa,高出密封內(nèi)壓 12.386mpa。山此，錐形滑環(huán)組合密封動密封而上始終能 滿足動帑封條件；隨密封內(nèi)壓的增加，對滑環(huán)材 料的力學(xué)性能要求越高，尤其是抗壓能力。在錐形滑環(huán)組合密封中，o型圈屬于靜密封 件，以兩o型圈最下方點(diǎn)的接觸壓力來分析靜密 封面的密封效果。兩o型圈最下方點(diǎn)的接觸壓力 隨密封內(nèi)壓變化illi線如

20、圖5所示。由圖可知，隨 著密封內(nèi)壓的增加，兩o型圈的接觸壓力均大于 密封內(nèi)壓，能達(dá)到靜密封的密封條件；在密封內(nèi) 壓較小階段,0型圈接觸壓力增加速度大于密封內(nèi) 壓增加速度，當(dāng)密封內(nèi)壓達(dá)到一定值后，0型圈接 觸壓力增加速度與密封內(nèi)壓增加速度一致，此時(shí) 左、右側(cè)0型圈接觸壓力分別達(dá)到密封內(nèi)壓的1.24 和1.32倍。由此 在滑環(huán)、密封內(nèi)壓的共同擠壓作用下, 0型圈能達(dá)到自密封效應(yīng)，口靜密封血上的接觸壓 力值比較合理。ilompal20mpa 30mpa 40mpa -50mpa 60mpa7060504030r edz點(diǎn)呈鰹i4 e 010121416mm圖4動密封面上沿軸向路徑的接觸壓力曲線fig

21、.4 contact stress curve of the dynamic sealing surfacealong the axial左力右績o型磁施力-706050403020100102030405060空封«壓：mpa圖50型圈接觸壓力曲線fig.5 contact stress curve of the o-ring3.2應(yīng)力結(jié)果及分析采用形狀改變比能理論對o型圈的應(yīng)力狀態(tài) 進(jìn)行分析，認(rèn)為形狀改變比能是引起材料流動破 壞的主要原因8】。圖6為o型圈最大von.mises 應(yīng)力隨內(nèi)壓變化曲線。由圖町知，o型圈授大 von.mises應(yīng)力隨密封內(nèi)壓的增加址減速增人的趨 勢變化

22、，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的最大截面壓縮率z前，其 增長速度較大，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的最大截血壓縮率之 后，其增長速度較??；當(dāng)密封內(nèi)壓值達(dá)到一定值 后，右側(cè)o型圈最大von.mises應(yīng)力大于左側(cè)o 型圈最大von.miscs應(yīng)力，差異隨密封內(nèi)壓的增 大而增大，當(dāng)密封內(nèi)壓為60mpa時(shí)，左右o型圈 m 大 von.mises 應(yīng)力分別為 12.446mpa、 l5.692mpa,兩者差異達(dá)到3.246mpa°由圖7可 知，較大von.miscs應(yīng)力集中在o型圈被擠入直用 區(qū)域的部分，分布范圍極小，其余人部分區(qū)域的 von.mises應(yīng)力較小，當(dāng)密封內(nèi)壓為60mpa時(shí)，o 型圈von.mises應(yīng)力主要分布

23、在8mpa以內(nèi)。由此，o型圈的受力狀況良好，可有效提髙其使用 壽命。mpaa）女裝狀態(tài)時(shí)o世圈von.miscs應(yīng)力分布 024386 978564 1.93274 2.88692 3.8411 479528 574946 6.70363 7.65781 8.61199圖6 o型圈繪人von.mises應(yīng)力隨內(nèi)壓的變化fig.6 change of the biggest von.niiscs stress of the o-ringwith the sealing pressure009839 157661 .305483 .453305 601127 748949 896771b）密封內(nèi)e

24、為lompa時(shí)o烈圈von.miscs應(yīng)力分布 .0929031.18254 2.27218 3.36182 445146 554111 663075 772039 881003 9.89967c）密封內(nèi)壓為40mpa時(shí)o型圈vcm.mises應(yīng)力分布160168 1.88597 3.61177 5.33757 7.06337 878917 10.515 12.2408 13.9666 15.69241.04459 1.19242 1.34024c）密封內(nèi)壓為20mpa時(shí)o型圈von.mises應(yīng)力分布 134019 1.315912.4978 3.67969 4.86158 6.043477

25、22536 840725 9.58914 丄0771d）密封內(nèi)壓為60mpa時(shí)o型圈von.mises應(yīng)力分布圖7 o型圈von.mises應(yīng)力分布：mpafig.7 von.miscs stress distributions of the o-ring3.3位移、變形結(jié)果及分析圖8所示為滑環(huán)軸向位移隨密封內(nèi)壓變化曲 線。由圖可知，在密封內(nèi)壓較小階段，滑環(huán)軸向 位移增長迅速，當(dāng)密封內(nèi)壓達(dá)到一定值后，滑環(huán) 軸向位移與密封內(nèi)壓呈線性關(guān)系。究具原因在于, 當(dāng)密封內(nèi)壓較小時(shí)，滑環(huán)外側(cè)而沒有與擋隔圈、 缸筒接觸，僅由斜面和0型圈阻止滑環(huán)移動，隨 著滑環(huán)向右移動，斜面和o型圈提供的阻力越大, 所以，滑壞

26、軸向位移隨密封內(nèi)壓增長呈減速增大 變化趨勢；當(dāng)密封內(nèi)壓達(dá)到一定值后，滑壞外側(cè) 面與擋隔圈、缸筒接觸，由斜面、0型圈、缸筒摩 擦力及擋隔圈摩擦力阻止滑環(huán)移動，使得滑環(huán)軸 向移動速度減慢，綜合各阻力因素，滑環(huán)軸向位 移與密封內(nèi)壓呈線性關(guān)系增長。圖9所示為0型圈截面直徑壓縮率隨密封內(nèi) 壓變化illi線。由圖可知，兩0型圈截面直徑壓縮 率均控制在設(shè)定的最大截血直徑壓縮率20%以內(nèi)； 在密封內(nèi)壓較小階段，由于滑壞外側(cè)面沒有與擋 隔圈、缸筒接觸，對o型圈擠壓能力強(qiáng)，以致o 型圈截面直徑壓縮率快速增反；當(dāng)密封內(nèi)壓達(dá)到 定值后，擋隔圈與缸筒與滑環(huán)外側(cè)血相接觸， 阻止滑環(huán)徑向變形，rti于擋隔圈和缸筒的剛度大,

27、 使得o型圈受滑環(huán)擠壓程度不再增加，截而總徑 壓縮率也不再變化而呈一水平直線?？梢姡F形滑環(huán)可以利用5值的設(shè)計(jì)來有效 控制o型圈最大截面直徑壓縮率，達(dá)到提高o型 圈使用壽命的目的。圖8滑環(huán)軸向位移隨密封內(nèi)壓的變化fig.8 change of the axial displacement of the slip-ring with圖9 o熨圈截面直徑壓縮率隨密封內(nèi)壓的變化fig.9 change of the section diameter compression ratio of theo-ring with the sealing pressure4結(jié)論本文采用ansys對錐形滑環(huán)組合密

28、封進(jìn)行 冇限元分析，分析了高壓及超高壓密封狀態(tài)下動、 靜密封面的密封效果以及各密封部件的使用性 能。數(shù)值模擬工作結(jié)論為錐形滑環(huán)組合密封裝置 的設(shè)計(jì)開發(fā)捉供了幫助，可有效縮短產(chǎn)品開發(fā)周 期和節(jié)約成本。數(shù)值模擬過程中所涉及的關(guān)鍵性 技術(shù)可為同類型的有限元分析工作提供借鑒。參考文獻(xiàn)：i edited by peter kohnkc.ansys theory rcfcrcncc|m.rc- -lease 5.7.ansys inc. 19992王偉，鄧濤，趙樹高.橡膠mooney-rivlin模型屮材料的確 定j.特種橡膠制品,2004,25(4):8-10wang wei,deng tao,zhao

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