锥形滑环组合密封有限元分析

1、锥形滑环组合密封有限元分析*文华斌1,2，胡勇1，2，唐克伦1,2，胡光忠1，2,郭毅1,2（1，四川理工学院，四川 自贡 643000；2，过程装备与控制工程四川省高校重点实验室，四川 自贡 643000）摘要：采用ANSYS软件对锥形滑环组合密封进行了有限元分析。分析了高压及超高压密封状态下动、静密封面的密封效果以及各密封部件的使用性能，解决了有限元分析过程中大应变问题和接触问题带来的收敛性差的技术难题和密封内压动态加载的技术难题。数值模拟结果表明，锥形滑环组合密封能够实现高压及超高压密封，且各密封部件工作状态良好。数值模拟工作为锥形滑环组合密封产品的开发提供了辅助，并可为同类型数值模拟工

2、作提供借鉴。关键词：ANSYS；有限元分析；滑环组合密封；数值模拟 Finite-element Analysis of the Tapered Sliding Combined SealingWen Hua-bin1,2,Hu Yong1,2,Tang Ke-lun1,2,Hu Guang-zhong1,2,Guo Yi1,2(1, Sichuan University of Science & Engineering,Zigong,Sichuan,China. 643000;2,Key Lab. in SiChuan colleges on industry process equ

3、ipments 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 performance of the dynamic sealing surface and the static sealing surface under the high p

4、ressure 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 slip-ring sealing can satisfy seal requir

5、ements under the high pressure or the super high pressure, and the working conditions of sealing parts of are kept well. The numerical simulation offers helps for developing the combined cone slip-ring sealing, and provides references to the similar numerical simulations.Keywords: ANSYS; finite elem

6、ent analysis; combined cone ring sealing; numerical simulation0 引言锥形滑环组合密封是笔者所在研究小组开发设计的一新型滑环式组合密封结构，见图1所示。此结构采用了两个O型圈，在O型圈之间装有一挡隔圈，挡隔圈可在轴向自由滑动，左侧O型圈在密封腔内压作用下通过挡隔圈来挤压右侧O型圈。锥形滑环横截面为近似直角三角形，左端锐角大小控制滑环滑动过程中在轴向和径向的位移比例，右端锐角设计为一圆形倒角。在滑环左侧设计一组弹性元件，安装时给予一定的预压缩量，以其弹性恢复力作为零内压时的密封动力，使密封件在启动时也具有良好的密封性能。随着

7、密封内压的增加，滑环在密封内压作用下向右滑动，并由于套箍效应而紧贴在滑动密封面上，滑环移动的同时挤压O型圈，变形后的O型圈反作用于滑环，使滑环更紧贴于滑动密封面上，达到理想的密封效果。挡隔圈高度与缸筒沟槽深度一致，它们与滑环外侧面的初始间隙为。当滑环外侧面径向位移达到时，挡隔圈、缸筒与滑环接触，阻止滑环的径向变形，则O型圈最大截面直径压缩率可控制为。由于锥形滑环组合密封的工作特点，在进行有限元分析时存在以下3个技术难题。*基金项目：1,四川省教育厅项目(11ZB098)；2,国家“十一五”科技支撑项目(2008BADC4B15)图1锥形滑环组合密封1.锥形滑环 2.缸筒 3.O型圈4.挡隔圈

8、5.轴套Fig.1 The tapered sliding combined sealing 1. cone slip-ring 2.cylinder 3.O-ring 4.blocking ring 5. shaft sleeve注：b1沟槽宽度；b0挡隔圈厚度；dO型圈横截面直径； O型圈高出沟槽的高度；h滑环左侧厚度；滑环斜边与水平线夹角。 1，O型橡胶圈数值仿真难度大。橡胶材料属于超弹性材料，这种材料可承受大应变和大位移，而体积几乎不可压缩，泊松比接近于0.5，这种分析需要采用大应变理论，计算收敛性差。2，接触问题复杂，计算难以收敛。密封过程中滑环的轴向运动和O型圈的大应变都造成接触区

9、域的不确定性，这是接触问题分析的一大难点。这里的接触问题要考虑摩擦作用，摩擦属于非线性问题，摩擦效应可能是无序的，所以摩擦问题使得接触分析的收敛性更加困难。3，密封内压作用过程模拟困难大。随着密封内压的变化，滑环将在轴向发生位移，同时改变对O型圈的挤压程度，这将引起受密封内压作用表面积的改变，即密封内压作用表面积大小是随内压变化而变化的，这使得准确模拟内压作用过程非常困难。本文旨在解决上述3个数值模拟技术难题，准确对锥形滑环组合密封进行有限元分析，为其产品设计开发提供有益辅助。1锥形滑环组合密封非线性问题分析1.1 超弹材料非线性分析橡胶是一种超弹材料，几乎不可压缩，泊松比接近0.5。不可压缩

10、材料在静水压力下不产生变形，对此类材料，在单元公式中必须考虑不可压缩条件。在ANSYS程序中，不可压缩超弹单元修改了应变能密度函数，在单元中明确包含了压力自由度，压力自由度使不可压缩条件得到满足。压力自由度是一种内部自由度，被凝聚在单元内部。对橡胶材料的应变能函数描述，ANSYS中通常采用Mooney-Revlin函数1，如下式： （1）式中：W为修正的应变势能；为泊松比，；、分别为应力张量第1、第2、第3的缩减不变量，、分别为应力张量第1、第2、第3不变量；AI为材料常数（Mooney-Revlin常数）。这是一个完整的非线性模型，可以取部分项做近似计算。ANSYS中可以定义2、3、5或9个

11、参数的Mooney-Revlin模型进行超弹材料的计算。1.2 边界非线性接触分析接触问题是一种高度非线性行为，在ANSYS中可以使用增进的拉格朗日方法或罚函数方法计算。罚函数是通过接触刚度在接触力与接触面间的穿透值（接触位移）间建立力与位移的线性关系：接触刚度×接触位移=法向接触力，罚函数的收敛需要定义一个合适的接触刚度值，但是接触刚度值较难确定。增进的拉格朗日方法是为了找到精确地拉格朗日乘子（即接触力），而对罚函数进行了一系列修正迭代。与罚函数的方法相比，拉格朗日方法容易得到良态条件，对接触刚度的敏感性较小。在接触面之间存在静摩擦和滑动摩擦。在基本的库伦摩擦模型中，两个接触面在开

12、始相互滑动之前，在界面上会有达到某一大小的剪应力产生的状态，这种状态称为粘合状态。库伦摩擦模型定义了一个等效剪应力，在某一法向压应力为p作用下，剪应力达到此值时，表面开始滑动（，为摩擦系数，F是粘聚力）。当剪应力超过此值，两表面相互滑动，叫滑动状态。粘合/滑动计算决定何时一个点从粘合状态到滑动状态，或从滑动状态到粘合状态。2 有限元模型的建立2.1 模型介绍O型橡胶圈采用腈基丁二烯橡胶(NBR)，弹性模量为14.04MPa，泊松比为0.499，摩擦系数为0.2，采用超弹性单元plane183模拟，超弹材料采用2参数Mooney-Revlin模型，两材料常数分别为1.87和0.472-6。接触单

13、元由接触单元CONTA172和目标单元TARGE169配对组成，在O型圈与轴套、O型圈与滑环、滑环与缸筒、O型圈与挡隔圈之间共建立了10对接触对。边界的非线性接触分析采用拉格朗日方法分析。滑环为填充聚四氟乙烯材料，压缩弹性模量取500MPa，泊松比取0.4，摩擦系数为0.04，采用PLANE82模拟。边界缸筒和轴套单元采用PLANE82模拟，材料的弹性模量取 MPa ,泊松比取0. 3。锥形滑环组合密封结构几何尺寸见表1所示。表1锥形滑环组合密封结构几何尺寸Table 1 Geometric dimension of the combined cone slip-ring seali

14、ng结构参数/mm/mm/mm/mm/mm/(o)参数值512.51110.0535锥形滑环组合密封为轴对称结构，采用轴对称有限元法分析。锥形滑环组合密封有限元分析以O型圈、滑环以及与之接触的接触面为主，所以仅建立轴套和缸筒的局部模型。锥形滑环组合密封轴对称有限元模型如图2所示，共建立1431个超弹性单元plane183，1948个平面单元PLANE82，476个接触单元及目标单元，共13663个节点。图2 有限元分析模型Fig.2 Model of the finite element method 2.2 边界及荷载介绍2.2.1位移边界加载方案轴套及缸筒固定不动，滑环、O型圈及挡隔圈均通

15、过边界接触进行约束。2.2.2荷载加载求解方案采用时变结构的多荷载步方法1进行加载求解。首先在滑环左侧施加0.1MPa压力作为安装状态时弹簧的压力，并求解。再分n步逐渐施加密封内压并求解，而且每次加载之前，确定左侧O型圈和滑环处于密封腔内的表面区域，仅在该表面区域施加密封内压，准确模拟O型圈和滑环受内压作用过程。图3所示为计算过程中内压加载情况，由图可知，随密封内压的增加，密封内压作用面范围逐渐减少。a)安装状态荷载作用情况b)密封内压为10MPa时荷载作用情况c)密封内压为30MPa时荷载作用情况d)密封内压为60MPa时荷载作用情况图3 时变结构的多荷载步方法加载求解过程Fig.3 Sol

16、ution process of the Time-varying structure through the multi-load-step method 模拟O型圈受密封内压作用过程的APDL程序为：nsel,s, cm,node1,node *get,nodenum,node,count*dim,snode,nodenum*get,nodei,node,num,minsnode(1)=nodei*do,i,2,nodenumsnode(i)=ndnext(snode(i-1)*enddo/solu*do,t,2,61time,tcmsel,s,node1*d

17、o,i,1,nodenum *get,jpress,node,snode(i),cont,pres *if,jpress,lt,t,then nsel,u,snode(i) *endif *enddosf,all,pres,(t-1)solve*enddo3 计算结果及分析3.1 密封面接触压力结果及分析在滑环斜面上沿轴向方向定义一路径，以该路径上接触压力结果分析动密封面的密封效果。当密封内压分别为10MPa60MPa时，动密封面上相应的接触压力分布曲线如图4所示。由图可知，在两O型圈下方都存在一段密封宽度，其接触压力大于密封内压，可以实现动密封要求；随密封内压的增加，左侧O型圈下方达到密封要

18、求的密封段宽度变化不明显，且该区域最大接触压力与密封内压的差值几乎不变；随密封内压的增加，右侧O型圈下方达到密封要求的密封段宽度呈增大趋势变化，且该区域最大接触压力与密封内压的差值呈最大趋势变化；当密封内压为60MPa，动密封面上最大接触压力达到72.386MPa，高出密封内压12.386MPa。由此，锥形滑环组合密封动密封面上始终能满足动密封条件；随密封内压的增加，对滑环材料的力学性能要求越高，尤其是抗压能力。在锥形滑环组合密封中，O型圈属于静密封件，以两O型圈最下方点的接触压力来分析静密封面的密封效果。两O型圈最下方点的接触压力随密封内压变化曲线如图5所示。由图可知，随着密封内压的增加，两

19、O型圈的接触压力均大于密封内压，能达到静密封的密封条件；在密封内压较小阶段，O型圈接触压力增加速度大于密封内压增加速度，当密封内压达到一定值后，O型圈接触压力增加速度与密封内压增加速度一致，此时左、右侧O型圈接触压力分别达到密封内压的1.24和1.32倍。由此，在滑环、密封内压的共同挤压作用下，O型圈能达到自密封效应，且静密封面上的接触压力值比较合理。图4 动密封面上沿轴向路径的接触压力曲线Fig.4 Contact stress curve of the dynamic sealing surface along the axial图5 O型圈接触压力曲线Fig.5 Contact

20、 stress curve of the O-ring 3.2 应力结果及分析采用形状改变比能理论对O型圈的应力状态进行分析，认为形状改变比能是引起材料流动破坏的主要原因7,8。图6为O型圈最大Von.mises应力随内压变化曲线。由图可知，O型圈最大Von.mises应力随密封内压的增加呈减速增大的趋势变化，当达到设定的最大截面压缩率之前，其增长速度较大，当达到设定的最大截面压缩率之后，其增长速度较小；当密封内压值达到一定值后，右侧O型圈最大Von.mises应力大于左侧O型圈最大Von.mises应力，且差异随密封内压的增大而增大，当密封内压为60MPa时，左右O型圈最大Von.mises

21、应力分别为12.446MPa、15.692MPa，两者差异达到3.246MPa。由图7可知，较大Von.mises应力集中在O型圈被挤入直角区域的部分，分布范围极小，其余大部分区域的Von.mises应力较小，当密封内压为60MPa时，O型圈Von.mises应力主要分布在8MPa以内。由此，O型圈的受力状况良好，可有效提高其使用寿命。图6 O型圈最大Von.mises应力随内压的变化 Fig.6 Change of the biggest Von.mises stress of the O-ring with the sealing pressurea) 安装状态时O型圈Von.mises应

22、力分布b)密封内压为10MPa时O型圈Von.mises应力分布c)密封内压为20MPa时O型圈Von.mises应力分布c)密封内压为40MPa时O型圈Von.mises应力分布d)密封内压为60MPa时O型圈Von.mises应力分布图7 O型圈Von.mises应力分布：MPaFig.7 Von.mises stress distributions of the O-ring3.3 位移、变形结果及分析图8所示为滑环轴向位移随密封内压变化曲线。由图可知，在密封内压较小阶段，滑环轴向位移增长迅速，当密封内压达到一定值后，滑环轴向位移与密封内压呈线性关系。究其原因在于，当密封内压较小时，滑环

23、外侧面没有与挡隔圈、缸筒接触，仅由斜面和O型圈阻止滑环移动，随着滑环向右移动，斜面和O型圈提供的阻力越大，所以，滑环轴向位移随密封内压增长呈减速增大变化趋势；当密封内压达到一定值后，滑环外侧面与挡隔圈、缸筒接触，由斜面、O型圈、缸筒摩擦力及挡隔圈摩擦力阻止滑环移动，使得滑环轴向移动速度减慢，综合各阻力因素，滑环轴向位移与密封内压呈线性关系增长。图9所示为O型圈截面直径压缩率随密封内压变化曲线。由图可知，两O型圈截面直径压缩率均控制在设定的最大截面直径压缩率20%以内；在密封内压较小阶段，由于滑环外侧面没有与挡隔圈、缸筒接触，对O型圈挤压能力强，以致O型圈截面直径压缩率快速增长；当密封内压达到一

24、定值后，挡隔圈与缸筒与滑环外侧面相接触，阻止滑环径向变形，由于挡隔圈和缸筒的刚度大，使得O型圈受滑环挤压程度不再增加，截面直径压缩率也不再变化而呈一水平直线。可见，锥形滑环可以利用值的设计来有效控制O型圈最大截面直径压缩率，达到提高O型圈使用寿命的目的。图8 滑环轴向位移随密封内压的变化Fig.8 Change of the axial displacement of the slip-ring with the sealing pressure图9 O型圈截面直径压缩率随密封内压的变化Fig.9 Change of the section diameter compression ratio

25、 of the O-ring with the sealing pressure4 结论本文采用ANSYS对锥形滑环组合密封进行有限元分析，分析了高压及超高压密封状态下动、静密封面的密封效果以及各密封部件的使用性能。数值模拟工作结论为锥形滑环组合密封装置的设计开发提供了帮助，可有效缩短产品开发周期和节约成本。数值模拟过程中所涉及的关键性技术可为同类型的有限元分析工作提供借鉴。参考文献：1 Edited by Peter Kohnke.ANSYS theory ReferenceM.Re-lease 5.7.ANSYS Inc.19992 王伟,邓涛,赵树高.橡胶Mooney-Rivlin模型中

26、材料的确定J.特种橡胶制品,2004,25(4):8-10Wang Wei,Deng Tao,ZHAO Shu-gao.Determination for Material Constants of Rubber Mooney-Rivlin ModelJ. Special Purpose Rubber Products,2004,25(4):8-103 黄建龙,解广娟,刘正伟. 基于Mooney-Rivlin模型和Yeoh模型的超弹性橡胶材料有限元分析J.橡胶工业2008(8):467-471.Huang Jian-long,Xie Guang-juan,Liu Zheng-wei.FEA o

27、f hyperelastic rubber material based on Mooney-Rivlin model and Yeoh modelJ. China Rubber Industry,2008(8):467-471.4 饶建华,陆兆鹏.O形橡胶密封圈配合挡圈密封的应力与接触压力有限元分析J.润滑与密封,2009,34 (5):65-68.Rao Jian-hua,Lu Zhao-peng.Finite Element Analysis of Stress and Contact Pressure of Rubber O-sealing Ring with Back-up RingJ.Lubrication Engineering,2009,34(5):65-68.5 胡勇,文华斌,颜伟等.电石反应器斜锥滑环组合密封装置的设计与分析J.机械设计与制造,2010(10):59-61.Hu Yong,