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摘要：

采用有限元方法，對齒嚙式壓力容器Y形橡膠密封圈在不同內壓載荷、法蘭間隙、操作溫度等情況下的Von-Mises應力以及剪切應力分布規律進行有限元分析。結果表明在不同內壓載荷下，密封圈的最大Von-Mises應力以及最大剪切應力位置、大小發生改變；齒嚙式壓力容器法蘭間隙增加，Y形橡膠密封圈密封性能有所下降；操作溫度升高會導致Y形圈接觸應力下降。研究對齒嚙式壓力容器Y形橡膠密封圈設計及應用具有一定指導意義。

關鍵詞：

Y形密封圈；有限元分析；齒嚙式壓力容器；法蘭間隙

齒嚙式快開容器可分為帶平封頭的、帶凸形封頭的。其中帶凸形封頭的主要用于中、低壓壓力容器，工作壓力一般在0.8～6.4MPa之間，工作溫度在200℃左右[1]。齒嚙式快開結構法蘭密封多采用Y形橡膠密封圈，Y形圈的密封性能對齒嚙式快開容器的安全運行具有重要影響。隨著計算機技術的發展，有限元技術被運用于橡膠密封圈的研究，諶彪[2]等利用ANSYS分析了不同工作壓力下Y形密封圈的Von-Mises應力和接觸應力分布，并預測了Y形密封圈可能出現裂紋的位置；ManfredAchenbach[3]利用計算機仿真預測了密封圈不同環境下的使用壽命；谷云慶[4]等利用數值模擬分析了壓縮量及密封圈表面仿生凹坑對密封性能的影響。目前大多數的研究都集中液壓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對齒嚙式快開壓力容器密封圈進行數值模擬，分別研究了壓力容器不同內壓、法蘭間隙以及工作溫度對密封圈密封性能的影響。

1模型的建立及計算參數

1.1齒嚙式快開裝置及密封圈的幾何模型齒嚙式快開裝置的密封結構如圖1所示。密封槽開在筒體法蘭上，接觸面1為密封槽內側面與Y形圈接觸面、接觸面2為密封槽外側面與Y形圈接觸面、接觸面3為封頭法蘭與Y形圈接觸面，如圖2所示。根據密封結構的軸對稱特點，選取Y形密封圈的一個二維截面進行分析，其截面主要尺寸H=2mm，θ=80°，如圖2所示，其中。筒體法蘭、封頭法蘭及橡膠密封圈均采用二Y形橡膠密封圈維實體單元plane183、自由網格劃分，如圖3所示。

1.2容器和密封圈的材料模型有限元分析采用ANSYS軟件，容器材料為Q345R，其彈性模量E=209GPa，泊松比γ=0.3；密封圈材料近似為不可壓縮的超彈材料，密封圈材質為丁腈橡膠（NBR），硬度為IRHD85（國際橡膠硬度等級），線膨脹系數為1.2×10-4。橡膠材料模型采用Mooney-Rivlin模型函數更貼近橡膠材料的真實特性且被大量的實驗驗證[5,6]，其應變能偏量部分有關的材料常數C10和C01可由實驗獲得的經驗公式根據橡膠材料的硬度計算得出分別為1.87和0.47，該橡膠材料許用剪切強度為4.6MPa[7]。

1.3接觸屬性選取密封槽及封頭法蘭表面為目標面，密封圈表面為接觸面。模型中的接觸對由接觸單元conta172和目標單元targe169配對組成[8]。

1.4邊界條件齒嚙式快開裝置密封系統Y形密封圈Y唇朝向密封槽內側，在無內壓時，密封圈依靠密封唇尖變形產生的接觸壓力形成初始密封，在升壓的過程中密封腔與外供介質源相通，在工作階段，將密封槽與釜體內腔相通，起到自封自緊作用。根據齒嚙式壓力容器工作原理，對Y形圈施加以下邊界條件：1）對密封圈左側封頭法蘭施加固定約束，對密封圈上下兩側密封槽施加左右方向的固定約束；為使得如圖3中密封槽恢復到實際寬度，對密封圈上側密封槽施加-1.25mm的位移載荷，對密封圈下側密封槽施加1.25mm的位移載荷。2）密封槽內腔施加相應的內壓載荷之后再對密封圈內側裸露面施加相應的內壓載荷。

2計算結果與分析

利用有限元軟件ANSYS對Y形密封圈進行有限元分析，得出相應的接觸壓力、Von-Mises應力分布。Von-Mises應力反映了截面上各主應力差值的大小，一般來說，Von-Mises應力越大，越會加速橡膠材料的松弛，造成剛度下降，容易出現裂紋。接觸應力大于或等于工作內壓載荷是Y形密封圈保證密封能力的必要條件，因此接觸應力是密封失效判據的首要條件[9]。

2.1不同內壓載荷作用下Y形圈應力分布在1MPa內壓載荷下，密封圈的最大Von-Mises應力以及最大剪切應力出現在密封唇唇尖部位；在5MPa內壓載荷下，密封圈最大Von-Mises應力與最大剪切應力均出現在密封圈上下唇交匯處如圖4、圖5所示。由圖6可知，接觸面1與接觸面2接觸壓力分布特性相近且接觸面1接觸壓力略小于接觸面2，因此只分析接觸面1、3的接觸壓力。如圖6、圖7所示，隨著內壓載荷的增大，Y形圈各應力最大值均不斷增大，但不同的內壓載荷下最大接觸壓力均高于內壓載荷，密封可靠。圖7表明，在6.4MPa內壓載荷下，最大剪切應力為2.32MPa小于材料剪切強度4.6MPa；因此本文結構型式的Y形密封圈能滿足內壓載荷6.4MPa以下的齒嚙式壓力容器的密封要求。

2.2不同法蘭間隙下Y形密封圈應力變化齒嚙式快開裝置法蘭間隙通常為1mm～4mm[10]。如圖8所示，在1MPa內壓載荷下法蘭間隙的影響較小；在5MPa內壓載荷下，隨著法蘭間隙的增大密封圈最大Von-Mises應力和剪切應力增大，接觸面3最大接觸壓力則逐漸減小。且法蘭間隙在2mm以下密封圈最大Von-Mises應力、最大剪切應力及最大接觸壓力變化不明顯。因此內壓載荷大于等于5MPa時，齒嚙式壓力容器中法蘭間隙取1mm～2mm較為合適。(a)1MPa內壓載荷(b)5MPa內壓載荷圖8法蘭間隙對Y形圈應力的影響

2.3不同溫度下Y形密封圈應力變化齒嚙式快開容器工作溫度一般在200℃左右，溫度的升高會產生熱應力同時還會導致橡膠材料機械性能的下降[11,12]。假設室溫為20℃分別對Y形圈施加20℃、60℃、100℃、140℃、180℃、220℃的均勻溫度載荷。內壓載荷取3MPa，法蘭間隙取2mm，分析結果如圖9所示，溫度升高導致Y形圈的最大Von-Mises應力變大，接觸面1、3最大接觸壓力減小。溫度變化對最大剪切應力沒有影響。

3結論

1）在1MPa內壓載荷下，密封圈的最大Von-Mises應力以及剪切應力出現在密封唇唇尖部位；在5MPa內壓載荷下，密封圈最大Von-Mises應力與剪切應力均出現在密封圈上下唇交匯處。Von-Mises應力越大，越會加速橡膠材料的松弛，造成剛度下降，容易出現裂紋。2）隨著內壓載荷的增大，Y形圈各應力最大值均不斷增大；本文結構型式的Y型橡膠密封圈在不同內壓載荷下最大接觸壓力均高于內壓載荷，密封可靠。3）隨著法蘭間隙的增大密封圈最大Von-Mises應力和剪切應力增大，接觸面3最大接觸壓力則逐漸減小。法蘭間隙在2mm以下時，密封圈Von-Mises應力、剪切應力及接觸壓力變化不明顯。因此本文結構齒嚙式壓力容器法蘭間隙取1mm～2mm較為合適。4）溫度升高導致Y形圈的最大Von-Mises應力變大，接觸面1、3最大接觸壓力減小，密封圈的密封性能有所下降。

參考文獻：

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

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作者：孟華榮 劉雪東 李柏賢 單位：常州大學 機械工程學院