筒式過濾器杯口密封有限元分析設計

宋文博+許聰+吳德慧

摘 要：建立了丁腈橡膠材料的Mooney-Rivlin本構(gòu)模型，利用ANSYS有限元軟件建立二維軸對稱模型，并分析計算了槽深對密封能力和軸向壓緊反力的影響。結(jié)果表明：O形圈表面最大接觸壓力及軸向壓緊反力隨槽深的增加而遞減，在保證O形圈不易從槽中脫落及控制適當軸向壓緊反力的前提下，槽深值應盡量小。

關(guān)鍵詞：過濾器 密封 有限元

中圖分類號：TQ051.89 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）08（b）-0033-02

筒式過濾器是乏燃料后處理X尾端批式流程中的重要工藝設備之一。該設備采用可升降的過濾杯作為造真空的抽吸小室，即采用批式操作的方案過濾來自上游的懸浮料液，并將濾餅與母液分離，獲得初步干燥的濾餅，為下游提供物料。由于每過濾一批料液都需要升降一次過濾杯，杯口的密封圈處于被反復壓縮和放松的工況下，加之每次過濾密封圈都受到較高放射性強度的輻照和酸氣（或酸液）的腐蝕，因此，這就對過濾杯杯口處的密封結(jié)構(gòu)及密封可靠性提出了較高的要求。

為了使杯口密封在反復壓縮和放松下不易損壞，且過濾杯在遠距離操作下容易套入法蘭，該文采用杯口倒角面作為密封面。另外，為了使O形圈不易脫落、易安裝及拆卸，最終將過濾杯杯口處的密封設計成如圖1所示的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)具有3組密封面，其O形圈變形情況較為復雜。該文利用ANSYS有限元分析軟件對杯口密封進行分析設計。主要目標是研究凹槽深度對密封性能的影響，最終確定最佳凹槽深度。

1 槽深尺寸分析設計

1.1 確定理論模型

對O形圈的有限元分析較一般金屬結(jié)構(gòu)的靜力分析有很大的不同和困難。其同時具有材料非線性、變形非線性和接觸非線性等高度非線性特征。模擬結(jié)果的準確性，與對所研究問題的簡化程度、采用的橡膠本構(gòu)關(guān)系模型以及該模型中材料常數(shù)測試的準確性有密切的關(guān)系。

首先，確定彈性體的非線性特性是困難的，目前應用于超彈性體相對成熟的理論是基于應變能密度的本構(gòu)關(guān)系模型，如：Mooney-Rivlin材料模型、Ogden材料模型、Yeoh材料模型等。該文采用在橡膠中較常用的Mooney-Rivlin材料模型。

對于大多數(shù)橡膠而言，在應變?yōu)?50%以內(nèi)時，此模型與試驗數(shù)據(jù)具有很好的一致性[1]。

該文中的O形圈采用丁腈橡膠材料，其硬度在65IRHD（或邵爾A）時，材料常數(shù)C01和C10分別為1.87和0.47[2]，由于橡膠材料一般具有近似不可壓縮性，因此這里將可壓縮系數(shù)取0。

1.2 ANSYS建模

在ANSYS中建立如圖1所示的杯口密封軸對稱局部平面模型。該平面模型以“Y軸”為對稱軸，即將“Y軸”設定為O形圈、法蘭及過濾杯的回轉(zhuǎn)中心，并將所有圖線置于第一象限內(nèi)，法蘭和過濾杯的底邊與“X軸”重合。將法蘭和過濾杯的材料屬性設置為剛性材料，O形圈設置為1.1節(jié)定義好的65IRHD丁腈橡膠超彈材料，并開啟非線性計算模式。

進而，對3個零件分別進行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格類型為四邊形，并對所有接觸表面的網(wǎng)格進行細化和優(yōu)化。

1.3 設置參數(shù)及邊界條件

1.3.1 設置初始接觸狀態(tài)

（1）O形圈與凹槽的底面和側(cè)面之間的接觸類型設置成“非對稱”的“摩擦接觸”，摩擦系數(shù)取為0.1。利用一次拉格朗日方程進行迭代計算，每次迭代計算后均重新計算接觸剛度，并修正接觸的網(wǎng)格范圍及位置。

（2）O形圈與過濾杯杯口倒角面之間的接觸類型設置成“非對稱”的“摩擦接觸”，摩擦系數(shù)取為0.1。利用一次拉格朗日方程進行迭代計算，每次迭代計算后均重新計算接觸剛度，并修正接觸的網(wǎng)格范圍及位置。

1.3.2 分析計算設置

（1）迭代步控制：開啟“自動時間步長”，“初始子迭代步”取10，“最小迭代子步”取10，“最大迭代子步”取1 000。

（2）開啟“大變形”計算模式。

（3）其他設置讓軟件自行選定。

1.3.3 設置邊界條件

（1）法蘭：施加“固定支撐”約束。

（2）過濾杯：施加沿Y軸向上的位移約束，最終使過濾杯杯口頂住法蘭下表面。

（3）介質(zhì)壓力：在O形圈的下1/3與介質(zhì)接觸的表面施加0.2 MPa均布壓力，壓力方向與切線方向垂直。

1.4 結(jié)果分析

利用ANSYS軟件按上述設置，分別對O形圈槽深為1.0 mm、0.9 mm、0.8 mm、0.7 mm、0.6 mm、0.5 mm的6個模型進行迭代計算。其中0.5 mm槽深的模型的計算結(jié)果如圖2所示。

從計算結(jié)果可以看出如下幾點。

（1）O形圈的截面發(fā)生了很大的變形，與3個密封面的接觸面積超過60%的外露表面積，幾乎成為直角三角形。

（2）O形圈大部分接觸面發(fā)生了滑移，部分接觸面發(fā)生粘滯。發(fā)生粘滯處的接觸應力更大，其密封能力也更好。

（3）將O形圈對過濾杯杯口倒角面的正壓力進行正交分解，即可獲得完全壓緊O形圈所需的最小軸向壓緊力Fymin。

將6種槽深尺寸的模型計算結(jié)果進行整理，并繪制成槽深與O形圈接觸應力和軸向壓緊力的關(guān)系曲線，如圖3所示。并對結(jié)果進行了“二次”擬合，并得到曲線方程，以便精確計算。

分析上述曲線可知，接觸應力和軸向壓緊力隨槽深的增加而降低。當槽深為0.5 mm時有最大的接觸應力，為1.5 MPa，其密封能力最佳，但同時壓緊O形圈所需的壓緊力也最大，為1 656 N。

由于槽深小于0.5 mm時我們認為O形圈容易從托架上脫落，因此最終確定托架的最佳凹槽深度為0.5 mm。

2 結(jié)論

筒式過濾器杯口處的密封屬于三角密封，具有3組密封面，其O形圈變形情況較為復雜。通過利用ANSYS有限元軟件建立二維軸對稱模型，對6種槽深尺寸的模型進行模擬分析，最終得到槽深與最大接觸應力和所需軸向壓緊力的曲線關(guān)系。

結(jié)果表明，O形圈表面最大接觸壓力及軸向壓緊反力隨槽深的增加而遞減，在保證O形圈不易從槽中脫落及控制適當軸向壓緊反力的前提下，槽深應盡量小，以提高密封能力。

參考文獻

[1] 王偉，鄧濤，趙樹高.橡膠Mooney-Rivlin模型中材料常數(shù)的確定[J].特種橡膠制品，2004，25（4）：8-10.

[2] 田國紅，李剛，齊艷.基于ANSYS的車用橡膠件剛度特性研究[J].遼寧工學院學報，2006，6（3）：183-185.