給水泵油封裝置O形密封圈的有限元非線性分析

張振興1, 張江濤, 公茂濤, 夏軼捷

(1. 煙臺(tái)臺(tái)海瑪努爾核電設(shè)備股份有限公司， 山東煙臺(tái) 264003；2. 中國(guó)電建集團(tuán)上海能源裝備有限公司， 上海 201316)

引言

為貫徹國(guó)家節(jié)能降耗方針，我國(guó)火力發(fā)電“上大壓小”已向大容量、高效能的超超臨界先進(jìn)燃煤發(fā)電機(jī)組發(fā)展，機(jī)組對(duì)高效率、連續(xù)可靠地運(yùn)行提出更高的要求。鍋爐給水泵是電廠系統(tǒng)中最核心的輔機(jī)設(shè)備，其油封裝置易出現(xiàn)的油泄漏、使用壽命短、磨損主軸等實(shí)際問(wèn)題嚴(yán)重影響了機(jī)組的安全性、穩(wěn)定性，困擾著電廠維護(hù)人員。油封裝置中，密封關(guān)鍵元件為O形圈，其性能的優(yōu)劣決定了泵密封好壞，如選擇的密封圈材料是否適合工業(yè)潤(rùn)滑油的酸堿性，防止腐蝕失效； 密封圈尺寸保證有合理的壓縮率，避免膠料“擠出”而損壞；密封轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)槽加工精度必須滿足O形圈的要求，防止被溝槽劃損失效等現(xiàn)象[1-2]。

目前，國(guó)內(nèi)不少學(xué)者已對(duì)影響O形圈密封性能的各種因素進(jìn)行了大量研究[3-6]，但針對(duì)在泵油封裝置中通過(guò)有限元法解決實(shí)際密封問(wèn)題的應(yīng)用研究頗少。本研究采用Neo-Hookean本構(gòu)模型對(duì)給水泵油封裝置用O形密封圈進(jìn)行軸對(duì)稱有限元接觸分析，研究O形圈在安裝過(guò)程中截面不同壓縮率及油壓軸向力作用下對(duì)密封性能的影響，進(jìn)而改進(jìn)油封裝置為雙密封圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，了解其表面接觸應(yīng)力及應(yīng)變情況的綜合變化規(guī)律。將改進(jìn)后油封裝置實(shí)物裝配于給水泵中進(jìn)行不同工況下的密封性能試驗(yàn)，驗(yàn)證有限元分析的有效性，為探究油封裝置密封O形圈的失效準(zhǔn)則，解決電廠實(shí)際問(wèn)題提供技術(shù)依據(jù)。

1 物理模型

圖1為鍋爐給水泵用油封裝置結(jié)構(gòu)示意圖，主要由轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)、靜環(huán)、O形圈、限位螺釘?shù)冉M成。油封裝置采用非接觸式結(jié)構(gòu)，O形圈1安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)2環(huán)形槽內(nèi)，僅靠與主軸的壓縮接觸使轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)與主軸一起高速旋轉(zhuǎn)，使用過(guò)程中不會(huì)發(fā)生磨損主軸的情況，大大提高了使用壽命。靜環(huán)4的內(nèi)壁設(shè)置限位螺釘3，安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)的外槽內(nèi)， 以防止轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)與靜環(huán)分離。同時(shí)靜環(huán)沿軸向設(shè)置了回油槽， 當(dāng)油從軸承腔噴濺而出時(shí)，經(jīng)過(guò)三道回油槽(I-III)減速流入回油口。由于高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，油液有可能越過(guò)油槽而作用在密封圈上。

1.O形圈 2.轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán) 3.限位螺釘 4.靜環(huán) 5.O形副圈圖1 油封裝置結(jié)構(gòu)示意圖

O形密封圈安裝后會(huì)受到主軸與轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)的擠壓作用而發(fā)生非線性變形，接觸面上會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力分布，該接觸應(yīng)力起到初始密封的作用。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)槽內(nèi)充入一定壓力油介質(zhì)后，O形圈在橫向受到擠壓，縱向會(huì)伸長(zhǎng)，因而密封面的最大接觸應(yīng)力會(huì)變大。O形圈不僅因壓縮變形而產(chǎn)生接觸應(yīng)力，而且也會(huì)受到軸向油壓的作用，其最大接觸應(yīng)力要始終大于油壓，保證密封面能夠阻斷油泄漏，實(shí)現(xiàn)自密封功能[7-8]。

2 有限元接觸模型

油封裝置用O形圈分析模型為接觸強(qiáng)非線性，其接觸行為為剛性體-柔性體，O形圈與轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)溝槽及主軸的接觸狀態(tài)為不相互穿透，并且能夠傳遞法向壓力和切向摩擦力，同時(shí)蠕變不引起體積的變化。實(shí)際運(yùn)行工況下，O形圈會(huì)在預(yù)接觸壓力和油壓共同作用下，產(chǎn)生大變形，材料表現(xiàn)為超彈特性。為保證計(jì)算精度，同時(shí)又提高模型收斂性，將模型簡(jiǎn)化為二維軸對(duì)稱模型，如圖2所示。

圖2 O形圈有限元接觸模型

O形圈接觸模型來(lái)源于國(guó)內(nèi)首臺(tái)1000 MW等級(jí)超超臨界100%容量鍋爐給水泵。其中O形圈內(nèi)徑φ170.6 mm，截面直徑φ3.1 mm，材料為丁晴橡膠，彈性模量為9.3 MPa,泊松比為0.498，采用Neo-Hookean超彈本構(gòu)模型，剪切模量為3.1 MPa,不可壓縮參數(shù)為1.2 MPa-1；轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)溝槽寬度4 mm，材質(zhì)ZQSn10-1，主軸材質(zhì)為0Cr13Ni4Mo，其彈性模量均遠(yuǎn)大于O形圈，均設(shè)為剛性體。工作過(guò)程主要3個(gè)接觸面，接觸類型為Frictional,摩擦系數(shù)為0.1，采用Augmented Lagrange公式求解；轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)全約束，施加荷載分為兩時(shí)間步，第一步為O形圈預(yù)壓縮，給主軸施加一個(gè)位移荷載，模擬實(shí)際安裝過(guò)程；第二步施加油壓，在靠近油壓側(cè)施加壓力，模擬O形圈自密封效果[6]。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 壓縮率影響

壓縮率是衡量O形密封圈密封性能和使用壽命的重要參數(shù)，合適的壓縮率既可以保證密封接觸面足夠的接觸壓力，又可以避免發(fā)生永久變形，它是密封設(shè)計(jì)的重要因素[9-10]。假設(shè)油壓已在油封裝置3道層疊回油槽完全卸壓，無(wú)壓力作用在密封圈上，壓縮量分別設(shè)置為10%，15%，20%，25%，得到O形圈在不同壓縮率下的接觸應(yīng)力云圖如圖3所示。

圖3 不同壓縮率下O形密封圈接觸壓應(yīng)力分布

從圖3可知，隨著O形圈壓縮率的增大，接觸壓應(yīng)力在不斷增大，10%壓縮率下密封面上最大壓應(yīng)力為0.53 MPa，在油壓設(shè)定范圍值0.2～0.6 MPa內(nèi)，其余壓縮率均滿足最大接觸壓力大于油壓的設(shè)計(jì)要求。同時(shí)接觸寬度也隨著壓縮量的增大而增大，密封面積越大，密封效果越好。

從圖4可知，不同壓縮率下O形圈Von-Mises應(yīng)力均成“啞鈴狀”分布，最大應(yīng)力值發(fā)生在密封圈與轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)接觸面上。O形圈壓縮率越大，Von-Mises區(qū)域應(yīng)力越大，越容易出現(xiàn)密封圈裂紋而導(dǎo)致性能降低，影響使用壽命；如果壓縮率過(guò)小，密封圈則不能提供足夠的接觸應(yīng)力，導(dǎo)致密封泄漏[6]。因此，選擇O形圈壓縮率的原則是在保證密封接觸壓力前提下，壓縮率盡量小來(lái)延長(zhǎng)使用壽命。

3.2 軸向壓力影響

給水泵油封裝置實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，部分油液會(huì)沿著轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)與軸之間的間隙高速離心旋轉(zhuǎn)，形成側(cè)向油壓作用在密封O形圈上，改變密封圈的受力狀態(tài)，從而影響密封性能。根據(jù)密封圈壓縮率的選擇原則， O形圈初步壓縮率選定為15%，分別施加側(cè)向油壓0.2, 0,3, 0.4, 0.6 MPa。O形密封圈在不同油壓下的接觸應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖4 不同壓縮率下O形密封圈Von-Mises應(yīng)力分布

圖5 不同油壓下O形密封圈接觸壓應(yīng)力分布

從圖5可知，不同油壓作用下，O形圈3個(gè)接觸面均出現(xiàn)了壓應(yīng)力，隨著左側(cè)油壓逐漸增大，O形圈的應(yīng)力分布開(kāi)始發(fā)生變化，側(cè)面接觸應(yīng)力值逐漸增大。當(dāng)油壓大于0.3 MPa時(shí)，側(cè)面應(yīng)力值大于了主壓應(yīng)力，而主應(yīng)力遠(yuǎn)大于無(wú)油壓作用的接觸應(yīng)力，說(shuō)明O形圈受到橫向油壓的擠壓越大，傳遞縱向的接觸應(yīng)力越大，這也說(shuō)明密封性能良好。

從圖6油壓對(duì)O形圈Von-Mises應(yīng)力分布可知，隨著左側(cè)油壓逐漸的增大，O形圈Von-Mises應(yīng)力由主接觸面底部向側(cè)面逐步集中，接觸應(yīng)力也隨之增大。同時(shí)，O形圈應(yīng)變也發(fā)生了較大改變，側(cè)面接觸寬度急劇增大。雖然O形圈無(wú)發(fā)生 “擠出”現(xiàn)象，但如果硬度選擇不當(dāng)，轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)槽內(nèi)表面粗糙度低或圓角不合理都會(huì)引起O形圈發(fā)生蠕變，撕裂或磨損，降低其使用壽命[10]。因此，在設(shè)計(jì)油封裝置O形圈時(shí)，即要考慮到壓縮率的作用，同時(shí)也要充分考慮惡劣工況下油壓對(duì)O形圈性能的影響。

圖6 不同油壓下O形密封圈Von-Mises應(yīng)力分布

4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)與分析

4.1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)模型

為提高密封效果的可靠性，將油封裝置中的轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)單密封改進(jìn)為雙密封結(jié)構(gòu)，如圖7所示。轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)中雙密封O形圈與單密封尺寸規(guī)格保持一致，材料均為丁睛橡膠，其余油封裝置中的零件均未發(fā)生變化。理論上密封效果將優(yōu)于常規(guī)軸面密封效果的2倍，而且雙O形圈能夠提供更完整的驅(qū)動(dòng)，并優(yōu)化動(dòng)態(tài)運(yùn)行期間油封裝置的穩(wěn)定性。

圖7 油封裝置轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)前、后對(duì)比

4.2 運(yùn)行工況分析

不同工況下雙密封O形圈結(jié)構(gòu)接觸壓應(yīng)力云圖如圖8所示，密封圈壓縮率為15%，模擬惡劣運(yùn)行工況兩轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)凹槽油壓分別為p1，p2。

裝配過(guò)程工況下，無(wú)油壓作用，兩個(gè)O形圈變形基本一致，上下主面承受壓接觸壓力，最大應(yīng)力為0.61 MPa，均大于外荷載油壓，側(cè)面接觸應(yīng)力則非常??；油液首先作用于左端O形圈，施加荷載p1,當(dāng)此出現(xiàn)密封不嚴(yán)問(wèn)題時(shí)，油液流向右端O形圈，考慮了多個(gè)可能性來(lái)模擬實(shí)際過(guò)程,p2對(duì)第一道(左側(cè))密封圈的作用力是很小的。假設(shè)工況為油壓p1分別為0.25， 0.4 MPa,而p2相應(yīng)地衰減到0.2， 0.1 MPa作業(yè)時(shí)，不難發(fā)現(xiàn)，隨著油介質(zhì)壓力的不斷增大，左側(cè)凹槽內(nèi)O形圈側(cè)面應(yīng)力增大，逐漸成為主接觸應(yīng)力，接觸寬度變長(zhǎng)，密封圈有被擠入轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)與軸之間間隙的趨勢(shì)，右側(cè)凹槽內(nèi)O形圈變化趨勢(shì)基本與左側(cè)一致，接觸應(yīng)力超過(guò)了介質(zhì)壓力，起到自密封的效果，雙O形圈結(jié)構(gòu)大大增強(qiáng)了密封性能的可靠性。

圖8 不同工況下雙密封O形圈接觸壓應(yīng)力分布

從圖9不同工況下O形圈Von-Mises分布可知，最大應(yīng)力隨著油壓的增大而增大， 發(fā)生在左側(cè)凹槽底部接觸面上；兩槽內(nèi)由于荷載的不同，應(yīng)力也相應(yīng)有所不同，均小于密封圈材料的許用應(yīng)力，如長(zhǎng)期作業(yè)于過(guò)大的工作壓力會(huì)對(duì)O形圈使用壽命不利，而油封裝置中的雙密封結(jié)構(gòu)提供了 “雙保險(xiǎn)”，延長(zhǎng)了裝置的適用壽命。

圖9 不同工況下雙密封O形圈Von-Mises應(yīng)力分布

4.3 實(shí)物模型及試驗(yàn)

圖10為1000 MW超超臨界100%容量鍋爐給水泵油封裝置實(shí)物，采用了改進(jìn)后的雙密封結(jié)構(gòu)，裝配過(guò)程中每個(gè)零件表面清洗干凈，不得有雜質(zhì)或毛刺，各配合面涂上透平油，將有油封裝置安裝于給水泵傳動(dòng)端、自由端兩側(cè)，共3套進(jìn)行性能試驗(yàn)如圖11所示，測(cè)試不同工況下油封裝置的密封性能。

圖10 1000 MW全容量給水泵油封裝置實(shí)物圖

圖11 1000 MW全容量給水泵試驗(yàn)裝置

通過(guò)工廠熱態(tài)聯(lián)機(jī)試驗(yàn)，1000 MW等級(jí)100%容量鍋爐給水泵從小流量工況到大流量工況，自由端、傳動(dòng)端油封裝置均未發(fā)現(xiàn)漏油現(xiàn)象；芯包解體檢查油封裝置零件未擦痕，轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)凹槽內(nèi)的O形圈完好無(wú)損。給水泵油封裝置用雙O形密封圈結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝、拆卸便捷，有效地提高了給水泵的運(yùn)行安全系數(shù)，減小了日常維修量， 確保電廠生產(chǎn)安全和穩(wěn)定，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和推廣價(jià)值。

5 結(jié)論

本研究利用有限元法，建立1000 MW等級(jí)100%容量鍋爐給水泵油封裝置O形圈非線性接觸模型，研究不同壓縮率、軸向油壓等因素對(duì)密封性能的影響，進(jìn)而改進(jìn)結(jié)構(gòu)分析，最后加工成實(shí)物裝配于泵中進(jìn)行密封性能試驗(yàn)。結(jié)果表明：

(1) O形圈接觸應(yīng)力和Von-Mises應(yīng)力隨著壓縮率的增大而增大，保證密封接觸壓力前提下，壓縮率盡量小來(lái)越長(zhǎng)使用壽命，選定壓縮率為15%；

(2) 在一定的壓縮率下,隨著軸向油壓的增加，側(cè)面接觸應(yīng)力值逐漸增大，最大接觸壓應(yīng)力始終大于油壓，自密封性能良好；在荷載設(shè)計(jì)范圍，O形圈無(wú)“擠出”現(xiàn)象；

(3) 改進(jìn)后的雙O形圈結(jié)構(gòu)在不同工況下進(jìn)行密封性能試驗(yàn)，密封裝置無(wú)“滴、漏”現(xiàn)象，解體O形圈無(wú)磨損，密封性、可靠性能良好，延長(zhǎng)了是使用壽命。