深井超聲波清洗裝置的O型密封圈有限元分析*

樂澤鋅，雷澤勇，鐘 林，李 魁，李興鎮，鄭幫龍

(南華大學 機械工程學院，湖南 衡陽 421000)

0 引 言

地浸采鈾技術始于20世紀50年代[1-2]，目前是我國應用范圍較廣的采鈾方式。在鈾礦地浸生產井使用過程中，容易形成CaSO4、SiO2膠體等沉淀造成過濾器堵塞，影響浸出效率[3]。目前常用洗井清堵方式主要為壓縮空氣洗井和活塞洗井。但這兩種方法作業程序復雜，工人勞動強度大、清洗時間長等[4]。相比較而言超聲波清洗技術具有除垢效果明顯、清洗時間短，對工件表面無損傷等諸多優點，因此考慮采用超聲波清洗裝置對地浸生產井進行清洗。研制了一套超聲波洗井裝置，由超聲波震頭和魚雷接頭兩部分構成，鋼管中裝有24個50 W的超聲波震頭，超聲波發生器通過魚雷接頭的鋼絲繩電纜與震動棒的電纜相連，實現0～1 200 W可調，從而達到不同的清洗效率。超聲波魚雷接頭是連接超聲波發生器與超聲波震動棒的關鍵部件，起著連接密封的作用，其O型密封圈的結構強度直接影響整個超聲波清洗系統的安全性和穩定性。但在現場使用超聲波進行清洗作業時發現超聲波清洗裝置與魚雷接頭連接密封性較差，在水下高壓環境壓力下容易出現滲水、電器短路現象，嚴重影響清洗效果和工作效率。為提高裝置的連接密封性，對超聲波清洗裝置與魚雷接頭處O型密封圈的密封性能進行了重點研究。

目前，國內對于O型橡膠圈的密封防水能力沒有明確的計算方法，通常是通過試驗予以確定。但試驗條件較為理想，不能完全反映實際工程中各種不利因素的影響。文獻[5]～[8]介紹了通過有限元軟件進行分析和預估的方法，有效地反映了密封圈的密封性能。基于已有文獻研究資料，利用有限元軟件ANSYS對O型橡膠密封圈的工作過程進行模擬，分析其接觸應力，得出不同條件下 O 型橡膠密封圈防水性能，對于高壓密封結構有著重要的研究價值。

1 超聲波魚雷接頭設計方案

1.1 超聲波魚雷接頭結構

超聲波洗井裝置如圖1所示，其中重要連接部分超聲波魚雷接頭如圖2所示，主要由儀器接頭18、魚雷主體13和過渡接頭4等組成。為保證井下超聲波系統能長時間的正常工作，超聲波裝置與魚雷接頭對接并用橡膠密封圈密封，超聲波發生器和震動棒通過魚雷接頭連接以及傳輸信號。由于當整個系統運行的過程中，超聲波鋼管將下放至井內不同深度處，進而管壁將在不同壓力下工作，為了保證密封處的穩定，魚雷主體的O型密封圈尤為重要。

圖1 超聲波洗井裝置

圖2 魚雷接頭1.O型密封圈 2.防轉釘 3.拉緊套 4.過渡接頭 5.單芯密封塞 6.銅插孔 7.黑膠套 8.尾簧 9.橡膠套 10.固定螺釘 11.注脂螺釘 12.橡膠墊 13.魚雷主體 14.緊定螺釘 15.魚雷錐體外殼 16.魚雷中錐套 17.魚雷小錐套 18.儀器接

1.2 O型密封圈選型及溝槽尺寸設計

O型密封圈按照密封結構的不同主要分為兩大類：徑向密封和軸向密封，其中徑向密封分為活塞密封和活塞桿密封，魚雷接頭和超聲波鋼管的密封屬于活塞桿密封，通過查閱《機械設計手冊》O型密封圈規格表如表1所示，選取合適的密封圈截面直徑。

在設計時，考慮到裝置的直徑的限制，在保證壓縮率和密封性的前提下，盡可能選擇直徑較小的O型圈規格。根據圖3裝置的尺寸模型，按照表1的推薦，選擇截面直徑為3.55 mm的O型圈，結合文獻[9]《液壓氣動用O型橡膠密封圈 第一部分尺寸系列及公差標準》GB/T 3542.1-2005，選取的O型圈內徑規格D1為50 mm，O型圈密封屬于擠壓密封，對于活塞桿密封，在O型圈的裝配過程中存在預壓縮和壓縮擠壓的兩個過程，O型圈密封效果的好壞很大程度上取決于密封圈壓縮量、預壓縮量及O型圈尺寸與溝槽尺寸的正確匹配，O型圈溝槽底徑直徑D3和O型圈溝槽深度t的極限尺寸計算公式，分別為：

表1 O型密封圈規格

圖3 超聲波鋼管與魚雷接頭連接處的尺寸模型1.魚雷接頭 2.O型密封圈 3.超聲波鋼管壁

D3max=(1-Ymin)(D1min+2D2min)

(1)

D3min=(1-Ymax)(D1max+2D2max)

(2)

(3)

(4)

式中：Y%為預壓縮率；S%：壓縮率；D1為O型圈內徑，單位為mm；D2為O型圈截面直徑，單位為mm；D3為O型圈溝槽底徑直徑，單位為mm；t為O型圈溝槽深度，單位為mm。已知最小預壓縮Ymin%為0，最大預壓縮Ymax%、最小壓縮率Smin%和最大壓縮率Smax%分別為5%、11.5%和27.5%，將O型圈內徑尺寸D1和截面直徑尺寸D2的數值代入公式(1)～(4)得到溝槽底徑直徑和深度尺寸，O型圈溝槽深度t得最大值為3.19 mm，最小值為2.29 mm，取值2.8 mm。

2 O型密封圈結構有限元分析

O型圈密封原理是發生了擠壓彈性變形，橡膠圈和超聲波鋼管壁及魚雷接頭溝槽的接觸面由于橡膠材料產生了彈性變形以及橡膠材料的不可壓縮性，接觸面上產生了接觸壓力，Pjmax表示最大接觸壓力，P表示缸體內介質的壓力，O 型密封圈的最大接觸應力越大密封性能越好[10]，當Pjmax>P時，滿足靜密封的要求。

2.1 ANSYS有限元模型的建立

將魚雷接頭內的密封結構進行簡化如圖4所示，屬于活塞桿和活塞的密封方式，結構圖形是軸對稱，載荷也是軸對稱的，因此采用2D軸對稱作為分析模型，能提高計算的效率和準確性。由上文得知，O型密封圈的溝槽深度t取值2.8 mm，外界初始載荷壓力為0，將這一次參數設置為模擬分析的對象，以1 MPa為增量梯度分析不同壓力下最大接觸壓力的大小值，檢驗密封圈在壓力作用下的密封性能。利用SolidWorks軟件建立O型密封圈的幾何模型，通過保存好的.STEP文件模型導入到ANSYS分析軟件中，對O型密封圈進行工作載荷下的應力和變形仿真分析。

圖4 有限元模型 圖5 網格劃分

2.2 模型網格的劃分及材料參數計算

對O型密封圈的網格尺寸大小為0.2 mm的自由網格劃分，超聲波鋼管和魚雷接頭的網格尺寸大小也為0.2 mm，得到的網格圖如圖5所示，O型圈選取的材料為氟橡膠其彈性模量E為7.84 MPa，泊松比μ為0.49，ANSYS材料庫中增加Field Variables，彈性模量E和泊松比μ代入各向同性的相關設置里，取楊氏模量為7.84 MPa，泊松比為0.49，將其數值輸入到ANSYS材料庫中，如圖6所示。

圖6 材料屬性

2.3 設置接觸類型

O型密封圈與魚雷接頭、超聲波鋼管壁之間的接觸是非線性行為[11]，是屬于包含非線性材料的接觸，當接觸條件滿足無穿透約束條件，即認為接觸物與目標物發生了接觸，接觸問題屬于帶約束條件的泛函極值問題[12]，在解決非線性接觸中常用方法一般為增廣拉格朗日乘子法。增廣拉格朗日乘子法是一種通過乘子對帶約束極值問題的接觸體施加其必須要滿足的無穿透約束條件的一種方法[13]。本次模擬O型密封圈與魚雷接頭的接觸求解方法即為增廣拉格朗日乘子法，類型設置為摩擦接觸，摩擦系數為0.05，接觸截面如圖7所示。

圖7 接觸截面

2.4 載荷約束及后處理結果

超聲波鋼管壁的底部設置位移約束，限制其Y方向上的位移為0，在-X方向上設置為0.7 mm的位移距離，同時對魚雷接頭采用fixed support命令進行約束，其載荷約束見圖8所示：在后處理過程查看接觸應力，研究壓力載荷與接觸應力的關系。

圖8 約束載荷

為探究外界壓力對接觸壓力的影響，研究O型密封圈在高壓下的密封性能，設定O型圈直徑為3.55 mm、溝槽寬度4.5 mm固定不變，將外界壓力載荷作為變量。圖9分別為外界壓力為0、1 MPa、2 MPa、3 MPa下的應力云圖，表2為接觸壓力與外界壓力的關系。

圖9 不同外界壓力對應的接觸壓力云圖

表2 不同外界壓力下對應的接觸壓力值/MPa

由圖4～5和表2所示，外界壓力越大，O型密封圈與超聲波鋼管壁和魚雷接頭接觸時產生的接觸應力越大，在壓力為3 MPa時產生的應力最大為18.98 MPa，在不施加壓力時產生的應力最小為3.36 MPa，接觸應力隨著外界壓力的增加而顯著提高。深井內超聲波清洗裝置使用的環境水壓是3 MPa，為了保證該裝置的密封性和可靠性，O型密封圈的接觸應力必須要大于3 MPa，顯然從分析結果來看接觸應力遠遠大于環境壓力，所以該O型密封圈的密封性能達到要求，可以保證超聲波清洗裝置在水下正常工作。

3 結 語

探討深井超聲波清洗裝置的O型密封圈結構，確定O型密封圈以及溝槽的選型，通過ANSYS有限元分析軟件對密封圈的結構進行靜力學仿真分析，模擬出了不同環境壓力對O型密封圈接觸應力的影響，環境壓力為3 MPa時，分析結果顯示密封圈的最大應力值為18.98 MPa，滿足密封性能要求。對深井超聲波清洗裝置研究提供了技術支持，為同類型高壓工作裝置的O型密封結構探索提供有益借鑒。