旋轉(zhuǎn)水密封性能優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

摘 要：新型旋轉(zhuǎn)密封件在機(jī)械密封技術(shù)領(lǐng)域做出性能突破，其結(jié)構(gòu)主要包括O型圈和密封環(huán)，O型圈套設(shè)在密封環(huán)的外壁上，密封環(huán)的外壁周向設(shè)有泄壓槽。該密封件在工作時(shí)設(shè)置在密封溝槽之間，在設(shè)備工作時(shí)，工作介質(zhì)會(huì)流動(dòng)到密封件端面兩側(cè)的結(jié)合面的間隙內(nèi)，密封件阻隔密封件端面兩側(cè)的工作介質(zhì)，使間隙內(nèi)的工作介質(zhì)只能在各自的一側(cè)端面間隙內(nèi)流動(dòng)。同時(shí)通過(guò)在密封環(huán)的外周設(shè)置泄壓槽，改變O型圈和密封環(huán)外壁的接觸的密封表面，使O型圈和密封環(huán)的接觸面積減小，調(diào)整O型圈和密封環(huán)外壁的接觸的密封表面受外界偏壓作用時(shí)密封環(huán)的接觸壓力分布。最終實(shí)現(xiàn)改善密封效果，提升密封件使用壽命。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)格萊圈；O型圈；密封環(huán)

中圖分類號(hào)：TU506 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-6903（2023）01-0039-03

0 引言

密封件是機(jī)械結(jié)構(gòu)中常用的用于密封的零件，格萊圈是密封件中的一種，常用于徑向旋轉(zhuǎn)密封。格萊圈由一個(gè)丁腈橡膠O型圈及填充聚四氟乙烯密封圈組合而成。目前市場(chǎng)上格萊圈的進(jìn)口品牌以特康密封圈為主。進(jìn)口格萊圈成本高，市場(chǎng)上其他成本較低的國(guó)產(chǎn)品牌的格萊圈，往往密封性能低于進(jìn)口格萊圈[1]，為了獲得成本更低、質(zhì)量更優(yōu)的產(chǎn)品，特此對(duì)旋轉(zhuǎn)格萊圈作出技術(shù)改進(jìn)。

1 原因分析

橡膠密封圈密封的原理為密封面最大接觸壓力大于工作壓力即實(shí)現(xiàn)密封，旋轉(zhuǎn)格萊圈結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。格萊圈在實(shí)際使用過(guò)程中使用條件較復(fù)雜，多為交變載荷，同時(shí)承受高溫偏載作用。經(jīng)計(jì)算旋轉(zhuǎn)格萊圈要實(shí)現(xiàn)密封， O形橡膠密封圈壓縮率為15%～30%。由于橡膠圈在長(zhǎng)時(shí)間處于較大壓縮率的狀態(tài)下，橡膠圈受材料所限，溫升情況加劇，進(jìn)而會(huì)加速材料老化，導(dǎo)致彈性降低，產(chǎn)生永久破壞，無(wú)法保壓，最終失去密封效果。

密封圈工作安裝時(shí)裝配關(guān)系如圖2所示。兩道旋轉(zhuǎn)格萊圈安裝至溝槽中，其中O型橡膠圈與溝槽相接觸，密封環(huán)與下方旋轉(zhuǎn)隔套相接觸，O型圈自身與密封環(huán)相接觸。

2 改進(jìn)設(shè)計(jì)

本次改進(jìn)從以下3個(gè)方向，來(lái)提升旋轉(zhuǎn)格萊圈性能：①降低O型圈壓縮量，提高O型圈使用壽命。②解決密封圈承受偏置載荷時(shí)，對(duì)密封環(huán)的偏磨影響。③改善密封圈啟動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性。

2.1 降低O型圈壓縮量

根據(jù)密封面最大接觸壓力大于工作壓力即實(shí)現(xiàn)密封，要實(shí)現(xiàn)密封，矩形密封圈的壓縮率應(yīng)為8%～14%，O形密封圈壓縮率應(yīng)為15%～30%[2]。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，在相同工況及作業(yè)環(huán)境條件下，改變單一壓縮量會(huì)降低密封圈老化情況，因此矩形圈的老化速度相比O形圈會(huì)相對(duì)較慢。

2.2 解決密封圈偏磨問(wèn)題

當(dāng)密封圈界面轉(zhuǎn)變?yōu)榉叫螘r(shí)，方形角配合溝槽圓角，可為密封圈提供斜向下壓力，使密封環(huán)壓力分布均勻，將密封環(huán)的內(nèi)壁向與外壁設(shè)置泄壓槽，并將外壁上的泄壓槽和內(nèi)壁上的泄壓槽交錯(cuò)設(shè)置。詳細(xì)方案如圖3所示。

2.3 解決密封圈啟動(dòng)穩(wěn)定性問(wèn)題

將密封圈的軸向兩個(gè)端面分別設(shè)有多個(gè)所述泄油槽，且兩個(gè)所述端面的多個(gè)所述泄油槽交錯(cuò)設(shè)置。通過(guò)增加泄油槽來(lái)實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)時(shí)運(yùn)行平穩(wěn)、無(wú)滑動(dòng)，方案詳情見(jiàn)圖4所示。

3 方案驗(yàn)證

3.1 橡膠密封圈工作原理解釋說(shuō)明

當(dāng)介質(zhì)工作空間存在壓力的時(shí)候，旋轉(zhuǎn)密封與剛性件接觸面上必須要有足夠大的接觸壓力，保證接觸壓力大于介質(zhì)壓力，才能通過(guò)該壓力作用來(lái)阻擋介質(zhì)泄漏。

因此橡膠圈工作原理是橡膠圈與橡膠密封圈的內(nèi)外徑方向的剛性壁及自身密封接觸的接觸壓力均大于介質(zhì)壓力值，其公式如式（1）所示。

min（P1，P2，P3）≥P ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：P為介質(zhì)壓力，單位是MPa； P1 為外徑及剛性件接觸面壓力，單位是MPa；P2為外徑及剛性件接觸面壓力，單位是MPa；P3 為組件自身接觸面壓力，單位是MPa。

發(fā)生泄漏在各個(gè)方向接觸壓力的最低值都大于介質(zhì)壓力時(shí)才能實(shí)現(xiàn)密封，否則就會(huì)密封失效。

3.2 橡膠材料超彈理論

O型密封圈常用的是丁晴橡膠材料，O型密封圈在非線性參數(shù)中的定量表述是很困難的，所以就需要采用行業(yè)通用的超彈性材料變形的本構(gòu)關(guān)系理論來(lái)描述材料的應(yīng)變能密度，進(jìn)而合理地體現(xiàn)超彈性體非線性的定量表現(xiàn)。

Mooney-Rivlin分析模型是在工程中用于橡膠材料分析常用的模型。在其模型中，其中的應(yīng)變能密度公式如式（2）、式（3）、式（4）所示：

（2）

（3）

（4）

式中：N為橡膠應(yīng)變能密度，單位是MPa； T1，T2 為Green應(yīng)變不變量，常量；Cij 為Rivlin系數(shù)，常量。

通過(guò)分析，為簡(jiǎn)化后續(xù)計(jì)算，將此模型簡(jiǎn)化到一個(gè)參數(shù)來(lái)描述，則模型式如式（5）所示：

N=C10（T1－3） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

根據(jù)資料信息，將此模型簡(jiǎn)化為兩個(gè)相關(guān)練得mooney-Rivlin 系數(shù)參數(shù)來(lái)描述[3]，如式（6）所示：

N=C10（T1－3）+C01（T2－3） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

式中：C10，C01為正定常數(shù)，統(tǒng)稱為 mooney-Rivlin 模型系數(shù)。通過(guò)這兩個(gè)參數(shù)來(lái)描述的模型使用的應(yīng)變變化范圍，這兩個(gè)變形系數(shù)可適應(yīng)的應(yīng)變范圍達(dá)到1.5倍。

3.3 橡膠材料計(jì)算模型

橡膠材料模型選用 Mooney-Rivlin 模型，其中C10，C01數(shù)值由公式（7）、式（8）、式（9）得到。

lgE =0.0198Y－0.5432 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（7）

E=6（C10+C01） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（8）

C01/C10=0.01 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（9）

式中： Y為橡膠硬度值，單位是HA； E為橡膠彈性模量，單位是MPa。

因此在給定材料硬度值，就能確定計(jì)算出其橡膠彈性模量E， Mooney-Rivlin 模型系數(shù)C10/C01的比值。根據(jù)橡膠材料硬度不同取值，IRHD硬度為40時(shí)取0.1，IRHD硬度為60時(shí)取0.05，IRHD硬度為70時(shí)取0.02。比值隨材料的硬度增加而降低，本次取在常溫下材料硬度值為 76。

根據(jù)式（7）、式（8）、式（9）三個(gè)公式計(jì)算得：

E=9.15 MPa；C10=1.51；C01=0.0151。

經(jīng)試驗(yàn)，材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)得材料的泊松比v=0.46。

3.4 旋轉(zhuǎn)密封圈有限元分析數(shù)據(jù)計(jì)算

3.4.1 有限元模型建立

通過(guò)designmodel模塊進(jìn)行模型建立，在AnsysWorkbench中建立單側(cè)偏載3 MPa，介質(zhì)為水，采用 Mooney-Rivlin 非線性應(yīng)變能量密度本構(gòu)模型。在徑向方向?qū)ζ淞W(xué)行為進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)正交試驗(yàn)，研究不同截面形狀O型圈在相同作業(yè)環(huán)境中的變形、Von Mises 應(yīng)力和密封面最大接觸壓力的影響，來(lái)進(jìn)行分析截面形狀參數(shù)與密封性能的關(guān)系，研究選取以250 mm×265.5 mm×6.3 mm型格萊圈為例進(jìn)行方案驗(yàn)證，并建立了徑向位移受限的格萊圈有限元分析模型[4-5]。O型圈材料參數(shù)，見(jiàn)表1。密封環(huán)材料參數(shù)，見(jiàn)表2。約束及載荷條件，見(jiàn)表3。溝槽參數(shù)，見(jiàn)表4。隔套42CrMo材料參數(shù)如下，見(jiàn)表5。

3.4.2 旋轉(zhuǎn)密封圈的加載方式及邊界條件

旋轉(zhuǎn)密封圈的加載數(shù)值模擬主要分成兩個(gè)載荷步來(lái)完成。

第一載荷步是模擬格萊圈的初始安裝時(shí)（O型圈壓縮自適應(yīng)，密封環(huán)抱死隔套）。

第二載荷步是單側(cè)3 MPa介質(zhì)壓力對(duì)旋轉(zhuǎn)密封圈的側(cè)向單邊壓縮過(guò)程，來(lái)模擬旋轉(zhuǎn)密封圈工作時(shí)（27 ～ 54 r/min）的實(shí)際負(fù)載。

3.4.3 接觸定義

建立剛性件與O型圈外徑的面接觸，建立O型圈內(nèi)徑與密封環(huán)之間的摩擦接觸。同時(shí)建立密封環(huán)與隔套之間的面接觸，接觸關(guān)系不同時(shí)，其摩擦情況也不同，為保證收斂增加摩擦系數(shù)為0.2。

4 結(jié)語(yǔ)

相同轉(zhuǎn)速及相同偏載時(shí)，圓形截面接觸壓力偏差絕對(duì)值為10 MPa，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性差，在相同水壓情況下，側(cè)偏影響較大，磨損加劇。

方形截面接觸壓力偏差絕對(duì)值為3.744 MPa，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性優(yōu)。在相同水壓情況下，側(cè)偏影響較小，運(yùn)行穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)

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