石莹;陈平;周淑敏
【摘 要】高放废液The finite element model of rubber C⁃ring used in the quick⁃opening blind plate of domestic high⁃pressure natural gas filter was established.The influences of the seal groove width,internal pressure,initial seal clearance,hardness of materials,notch radius,rim diameter of steel⁃ring on the sealing performance of rubber C⁃ring were analyzed by using ABAQUS software,and the reasonable range of these parameters were suggested.The results show that the hardness of mate⁃rials has little effect on seal performance,while the seal groove width has a certain impact on the sealing reliability,with the sealing groove width increasing,the maximum contact pressure is decreased and the sealing reliability is also decreased. With the increase of internal pressure,the difference between the maximum contact pressure and internal pressure is in⁃creased,the sealing reliability is increased.With the increase of initial gap seal,the stress is increased and the sealing reli⁃ability is decreased.The sealing notch chamfer radius has large influence on the shear f
ailure of sealing ring,the increasing of chamfer radius will result in large possibility of shear failure.Steel⁃ring diameter has large effect on the strain and stress of C⁃shaped rubber ring,and he increasing of steel⁃ring diameter will result in the decrease of shear stress.%针对国内高压大型天然气过滤器快开盲板用C形橡胶密封圈，利用ABAQUS建立其有限元模型，分析密封槽宽度、内压、初始密封间隙、材料硬度、槽口倒角半径、钢圈直径对其性能的影响，得到这些参数的合理取值范围。结果表明：材料硬度对密封圈密封性能的影响较小，密封槽宽度对密封可靠度有一定影响，随密封槽宽度增加，最大接触压力呈下降趋势，密封可靠度有所降低；随着内压的增加，最大接触压力与内压的差值呈增大趋势，密封可靠性增加；随初始密封间隙增加，应力增加，密封可靠度有所降低；密封槽口倒角半径对密封圈剪切破坏的影响较大，倒角半径增大密封圈发生局部剪切破坏的可能性增大；钢圈直径对C形橡胶圈应力应变影响较大，钢圈直径增大，剪切应力呈减小趋势。 【期刊名称】《润滑与密封》
【年(卷),期】2015(000)005
电机支架
【总页数】5页(P89-93)
【关键词】C形橡胶圈;接触压力;密封性能;快开盲板
【作 者】石莹;陈平;周淑敏
【作者单位】北京化工大学机电工程学院 北京100029;北京化工大学机电工程学院 北京100029;北京化工大学机电工程学院 北京100029
【正文语种】中 文
【中图分类】TH311;TH136
由于C形橡胶密封圈可利用较小的初始压缩实现初始密封，依靠工作压力实现自紧密封，因而在国内外天然气过滤器快开盲板上得到大量应用[1]。目前国内天然气输送管线设计最大直径将达1 550 mm,工作压力达12.6 MPa，为此，国内厂家也正加紧研制高压大直径快开盲板，其橡胶密封圈密封性能如何对天然气过滤器安全工作有着重要影响。目前查阅到的已有分析和研究C形密封圈的文献较少[2-4]，显然现有分析研究工作也未达到上述使用
工况，为此本文作者借助ABAQUS有限元软件，针对大直径高压工况下的C形密封圈的密封性能进行了模拟分析，得出了不同参数下密封圈关键密封面上的接触压力以及包含钢骨架的密封圈整体应力应变分布状态，并对主要影响密封性能参量进行了具体分析，对其合理结构设计及参数选择具有重要参考意义。
大直径高压快开盲板用C形橡胶密封圈，其截面形状及主要参数说明如图1所示。橡胶材质选择低温乳液聚合法生产的耐油气性较好、耐磨性较高的低温橡胶(丙烯腈丁二烯橡胶)。外径为1 610 mm，截面高度为23.8 mm，宽度为18 mm(两者都按尖角处计算)；嵌入橡胶圈中的钢圈为实心金属材料06Cr19Ni10，其外径为1 609 mm，钢丝截面直径为D(作为分析变量)；密封槽长度为20 mm，宽度为L。关键密封面为A和B。
对橡胶材质密封圈建立有限元分析模型前，有几方面问题需要说明：
(1)C形橡胶圈密封判据及失效：由于C形密封圈采用的橡胶为超弹性材料，其弹性变形最高可达1 000%，能很好地填充密封间隙以阻止密封介质通过。但橡胶密封会随着橡胶的老化而发生一系列的变化，这里对由此导致的密封失效情况不做具体分析。目前评判橡胶圈密封是否失效的依据一般是看密封关键面上的接触压力是否大于密封内压：若密封面
接触压力大于内压，则可实现密封。在强度失效方面，橡胶材料一般抗拉断及撕裂破坏能力较弱，承受压应力及抗变形破坏能力则相对较好。C形密封圈的主要部位承受的是压应力，而且密封槽口处通过钢丝骨架得以加强，可防止过大的局部剪切应力而出现的橡胶挤出撕裂，所以该型密封圈结构应能承受较大压力作用。但应力水平高对橡胶材料抗松弛老化性能是不利的，进而影响其使用寿命[5]。
(2)橡胶材料为超弹性材料，橡胶密封圈材料在压力作用下的位移和变形关系已经远远超出了弹性力学小变形假设的范畴，属于大变形问题，也即几何非线性问题[6]。研究表明，基于统计热力学的Mooney-Rivlin模型能较好地描述橡胶类不可压缩超弹性材料在大变形下的力学特性[7]，它是将橡胶的应变能函数表征为应变或变形张量的纯量函数，应力表征为应变能函数对应变的偏导数。其应变能函数表示为
w=C1(I1-3)+C2(I2-3)+k(I3-1)2/2
式中：Ii为第i方向的应变不变量；k为体积弹性模量；C1和C2待定的Mooney-Rivlin常数，由所选用的橡胶材料的拉压试验数据进行拟合；对不可压缩超弹性体，引入条件I3=1。
(3)橡胶密封圈计算的边界条件非常复杂，包括接触问题的计算。密封圈与门盖和法兰的接触、密封圈与其内部钢圈的接触，属于刚体与柔体之间的面-面接触，是高度的非线性行为。目前的求解算法有直接约束法、子结构法以及罚函数算法等[3]，本文作者将采用应用比较广泛的罚函数算法。
鉴于橡胶密封研究的复杂性，为了研究的方便，做以下假设[8]：
信息配线箱
(1)C形橡胶密封圈材料拉伸与压缩的性质相同，不考虑橡胶材料的松弛老化现象；
(2)由刚构件构成的门盖和法兰的刚度是橡胶的几万倍，可以不考虑其变形，即视为C形密封圈变形的约束边界(解析刚体)；
(3)C形密封圈受到的的压缩视为由门盖和法兰约束边界的指定位移引起。
经上述分析，本文作者建立了C形橡胶密封结构计算模型，即利用ABQUS建立了轴对称有限元分析模型，如图2所示，模型中橡胶截面采用CAX4H杂交单元划分网格，钢圈模型采用CAX4单元划分网格，门盖以及法兰则采用解析刚体模型。C形橡胶圈与周围的切向接触采用库仑摩擦控制，摩擦因数取0.2(考虑接触面有润滑)，法向接触采用硬接触控制，允许
接触后分离。C形橡胶圈内的钢圈弹性模量取210 GPa，泊松比取0.3。
2.1 密封槽宽度的影响
盲区监测
密封槽的宽度L直接影响着C形橡胶密封圈的初始压缩量，进而影响其密封性能。在工作压力为12.6 MPa及其他参数恒定的情况下，L在15～17.8 mm之间变化，计算C形橡胶密封圈关键密封面上接触压力、密封圈最大挤出量(槽口位置橡胶圈最大水平位移)、槽口位置密封圈剪切应力三者随L的变化情况，如图3所示。
可以看出，在工作压力12.6 MPa作用下，随着密封宽度的增加，A面和B面上的最大接触压力呈下降趋势，密封可靠度有所降低；而最大挤出量呈下降趋势，槽口转角处剪切应力呈上升趋势。综合考虑，密封槽宽度取为16～16.5 mm较合适。
2.2 内压变化的影响
取密封槽宽度为16 mm，初始密封间隙为1 mm，硬度值为80，槽口倒角半径为1 mm，钢圈直径为3 mm，计算分析内压变化(内压变化范围为1～19 MPa，19 MPa为水压试验压力)对C形橡胶圈密封性能的影响，如不同内压作用下橡胶密封圈内的应力，关键密封面上
的接触压力，以及易挤出部位的挤出情况。
内压为工作压力12.6 MPa时，接触压力的分布如图4所示。可以看出，在12.6 MPa内压作用下，关键密封面A和B上的最大接触压力均大于内压，可以满足密封要求。
不同内压作用下关键密封面A和B上的最大接触压力与相应内压的差值柱状图如图5所示。可以看出，随着内压的增加，A面和B面上的最大接触压力与相应内压差值均为正，说明两个关键接触面均可实现密封。初始压差较小，随着内压升高，A面和B面上压力与内压差值均呈现增长趋势，说明随着内压的升高，C形橡胶圈密封是十分可靠的。
风力发电机叶片设计2.3 初始密封间隙的影响
初始密封间隙δ的大小直接影响到密封圈挤出量的大小。密封圈挤出越多，其在槽口处的应力越大，造成橡胶圈局部失效或门盖开启困难。但只要钢圈强度足够，则一般不会造成整体密封失效。内压为12.6 MPa，初始密封间隙为1 mm时密封圈变形情况和应力分布情况以及钢圈的应力分布情况如图6、7、8所示。
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