弹性蓄能密封圈的密封特性分析及结构优化.pdf

IM机械与重工76 2023年增刊弹性蓄能密封圈的密封特性分析及结构 优化熊佳慧，王凤彪（沈阳理工大学，辽宁 沈阳 110159）摘要：为了优化弹性蓄能密封圈的结构，本文选取弹性蓄能密封圈中密封夹套的三个重要结构参数进行优化，分别是支撑高度、唇厚和根部圆角半径，采用控制变量法设计不同结构的弹性蓄能密封圈。利用 Marc 软件对不同预压缩量下弹性蓄能密封圈的接触应力的变化规律进行分析。根据有限元分析结果可优化弹性蓄能密封圈的结构设计，进而提高弹性蓄能密封圈的密封特性。关键词：弹性蓄能密封圈；Marc 软件；密封特性1 引言密封件作为机械基础零部件，在国民经济的各个领域中广泛应用，对于机械运行设备有至关重要的作用1。弹性蓄能密封圈作为新型密封件2，已广泛存在于各类机械工程结构中，弹性蓄能密封圈可以减小磨擦，可在苛刻环境下保证密封性，保证设备安全运作和减少设备检修停工时间。为了提高弹性蓄能密封圈的密封特性，本文基于 Marc 软件针对不同结构尺寸参数的密封夹套对其进行密封特性的有限元分析。进而对弹性蓄能密封圈结构进行优化设计。2弹性蓄能密封圈工作原理弹性蓄能密封圈是一个带有聚四氟乙烯（或其他高分子复合材料）夹套的压力辅助密封装置，其中特别装备了一个耐腐蚀的金属蓄能弹簧。当弹性蓄能密封圈装在密封沟槽内，弹簧受压促使夹套唇边紧贴密封沟槽，由此形成密封。弹簧给密封夹套提供永久弹力，并弥补材料磨损及配合零件的偏移或偏心。系统压力也会辅助密封夹套蓄能，无论在高压或低压下，都可实现有效密封3。弹性蓄能密封圈工作原理示意图如图 1 所示。图 1弹性蓄能密封圈工作原理示意图投稿网站：机械与重工IM 2023年增刊 773密封夹套的结构设计密封夹套关键尺寸位置示意图如图 2 所示。选择三个主要因素分别是支撑高度 h、唇厚 b、根部圆角半径 R。对它们进行正交结构设计，每个因素均取四个水平，选择 L12（34）的正交表。密封夹套结构参数尺寸见表 1。将最大接触应力作为评价弹性蓄能密封圈密封特性的指标。根据合理的参数组合生成相应的三维模型。图 2密封夹套关键尺寸位置示意图表 1密封夹套结构参数尺寸表单位：mm编号支撑高度 h唇厚 b根部圆角半径 R0.80.250.21.00.300.41.20.350.61.40.400.84弹性蓄能密封圈的有限元分析4.1弹性蓄能密封圈有限元模型的建立首先，在 CATIA 三维设计软件中设计弹性蓄能密封圈与密封沟槽装配的三维模型。如图 3 所示，将 CATIA三维模型通过 CAD 通用接口导入 Marc 软件中。三维模型包括四个部分：密封夹套、蓄能弹簧，活塞和壳体。图 3弹性蓄能密封圈有限元模型由于弹性蓄能密封圈密封夹套的几何对称性，可将其简化为一个二维的平面轴对称模型，对其进行数值模拟计算。但在有限元分析过程中不可忽略蓄能弹簧对结果的影响，需要将蓄能弹簧同时转化为二维的平面轴对称模型。丁大江4等将 O 形弯曲金属螺旋弹簧和空心金属 O 形圈的弹性特性进行对比，得出空心金属 O 形圈与O 形弯曲金属螺旋弹簧的真实径向刚度比值近似为 5.3 的结论。参照该结论，本文将蓄能弹簧等效为一个空心圆环，只需要在有限元分析时相应的缩小空心圆环的刚度输入即可得到有效的有限元分析结果。弹性蓄能密封圈的有限元分析轴对称模型如图 4 所示。图 4弹性蓄能密封圈轴对称有限元模型4.2弹性蓄能密封圈密封特性分析结果（1）不同预压缩量下密封夹套支撑高度对密封特性影响的分析不同支撑高度的密封夹套单边分别施加0.26mm、0.28mm、0.3mm、0.32mm，0.34mm 的预压缩量，其中，0.26mm 预压缩量下最大接触应力部分模拟结果云图如图 5 所示。不同装配预压缩量下、不同支撑高度的密封夹套最大接触应力的变化曲线图如图6所示。从变化曲线可以看出，最大接触应力总是随着预压缩量的增大而基本均匀增大；支撑高度为 0.8mm 的密封夹套在不同预压缩量下的最大接触应力最低，1mm、1.2mm 和 1.4mm 支撑高度的密封夹套在不同预压缩量下的最大接触应力基本重合，说明在 1mm 以下支撑高度的密封夹套的最大接触应力随支撑高度增大而增大，随着支撑高度的再增加最大接触应力变化幅度很小。综合对比下，支撑高度为 1mm、1.2mm和 1.4mm 的密封夹套最大接触应力表现都良好。（2）不同预压缩量下密封夹套唇厚对密封特性影响IM机械与重工78 2023年增刊的分析不同唇厚的密封夹套单边分别施加 0.26mm、0.28mm、0.3mm、0.32mm，0.34mm 的预压缩量，其中，0.26mm 预压缩量下最大接触应力部分模拟结果云图如图7 所示。a）支撑高度 0.8mm b）支撑高度 1mm c）支撑高度 1.2mm d）支撑高度 1.4mm图 50.26mm 预压缩量下不同支撑高度的密封夹套最大接触应力云图图 6不同支撑高度的密封夹套预压缩量和最大接触应力的关系不同装配预压缩量、不同唇厚密封夹套下的最大接触应力的变化曲线图如图 8 所示。从变化曲线可以看出，最大接触应力总是随着预压缩量的增大而增大；唇厚为0.25mm 的密封夹套在不同预压缩量下的最大接触应力均比其他三种密封夹套大，且随着密封夹套唇厚的增加最大接触应力逐渐降低，在 0.26mm 到 0.32mm 的预压缩量下最大接触应力降低的幅度基本相当，0.32mm 到 0.34mm预压缩量下最大接触应力降低的幅度减小。综合对比下，唇厚为 0.25mm 的密封夹套最大接触应力最大，密封性能最优。（3）不同预压缩量下密封夹套根部圆角半径对密封特性影响的分析不同根部圆角半径的密封夹套单边分别施加 0.26mm、0.28mm、0.3mm、0.32mm，0.34mm 的预压缩量，其中，0.26mm 预压缩量下最大接触应力模拟结果云图如图 9 所示。投稿网站：机械与重工IM 2023年增刊 79 a）唇厚 0.25mm b）唇厚 0.3mm c）唇厚 0.35mm d）唇厚 0.4mm图 70.26mm 预压缩量下不同唇厚的密封夹套最大接触应力云图图 8不同唇厚的密封夹套预压缩量和最大接触应力的关系不同装配预压缩量下，不同根部圆角半径的密封夹套最大接触应力的变化曲线图如图 10 所示。从变化曲线可以看出，最大接触应力随着预压缩量的增大而增大；根部圆角半径为 0.2mm、0.4mm、0.6mm、0.8mm 的密封夹套在不同预压缩量下的最大接触应力曲线基本重合，说明根部圆角半径对最大接触应力几乎没有影响。a）根部圆角半径 0.2mm b）根部圆角半径 0.4mm图 90.26mm 预压缩量下不同根部圆角半径的密封夹套最大接触应力云图IM机械与重工80 2023年增刊 c）根部圆角半径 0.6mm d）根部圆角半径 0.8mm图 90.26mm 预压缩量下不同根部圆角半径的密封夹套最大接触应力云图（续）图 10不同根部圆角半径的密封夹套预压缩量和最大接触应力的关系5弹性蓄能密封圈结构优化设计根据仿真结果的分析，以最大接触应力作为优化目标考量各参数对弹性蓄能密封圈密封特性影响重要度，以此为根据设计优化后的密封夹套5，其尺寸结构如图11所示。图 11密封夹套套尺寸参数6结论根据不同预压缩量下对不同结构密封夹套密封特性影响的有限元分析，可得出如下结论：1）总体上，最大接触应力总是随着预压缩量的增大而增大。2）相同预压缩量下，随着密封夹套支撑高度的增加最大接触应力变化幅度很小。但在 1mm 以下支撑高度的密封夹套的最大接触应力较小，密封性能较差。3）相同预压缩量下，密封夹套的唇厚越薄，最大接触应力越大，密封性能越好。4）相同预压缩量下，密封夹套的根部圆角半径的大小对最大接触应力没有影响，因此对密封性能也没有影响。参考文献1 安丽丽浅谈泛塞封在机械设备密封中的应用 J工业 B，2015(34)：219-2212 俞鲁五新型密封元件泛塞密封 J液压气动与密封，1999，73(1)：43-44，493 耿志翔，蔡纪宁，张秋翔螺旋弹簧 PTFE 密封圈的性能分析 J中国设备工程，2005(6)：56-57 4 丁大江，刘照智，王飞，等径向弹簧蓄能密封结构最大接触应力的有限元分析 J润滑与密封，2019，44(5)：142-1485 胡泽华一种旋转轴端面弹簧蓄能器密封的结构优 化 J润滑与密封，2016，41(6)：122-124