基于球墨鑄鐵管型式試驗(yàn)機(jī)的端部密封性能分析

1、基于球墨鑄鐵管型式試驗(yàn)機(jī)的端部密封 性能分析張偉 安徽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院摘要：球墨鑄鐵管型式試驗(yàn)機(jī)是一臺(tái)用來(lái)檢測(cè)球墨管承壓能力和密封性能的重要設(shè)備， 其端部的密封性能一直是試驗(yàn)機(jī)的技術(shù)核心。文中使用0型圈為密封件，利用有 限元軟件建立端部密封二維結(jié)構(gòu)，分析在不同過(guò)盈量下和不同水壓下0型圈的 密封性能。關(guān)鍵詞：球墨鑄鐵管;密封性能;0型圈;有限元;作者簡(jiǎn)介：張偉（1991 一），男，碩士研宄生，研宄方向?yàn)闄C(jī)械cad與cae。收稿日期：2017-03-11performance analysis of end sealing based on the ductile iron pipe type

2、 test machinezhang weischool of mechanical engineering， anhuiuniversity of technology;abstract：ductile iron pipe type test machine is an equipment for detecting ductile pipe bearing capacity and sealing performance of the important equipment. performance analysis of end sealing is the core technolog

3、y of this testmachine. this paper uses the o-ring as sealing. finite element software is used to establish two-dimensional structure of the end seal. seal performance of 0-ring is analyzed under the different interference quantity and different water pressure.keyword：ductile iron pipe; sealing; o-ri

4、ng; finite element;received： 2017-03110引言本文用于測(cè)試的球墨鑄鐵管的管徑在4ct600 mm,管長(zhǎng)1000 mm。以此為條件確 定端部密封形式、密封件和密封件的材料，分別為徑向密封、0型圈和聚氨酯。1有限元分析準(zhǔn)備選取公稱(chēng)直徑分別為100 mm、200 mm、400 mm、600mm鋼管作為仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)象。 如圖1，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)u1相應(yīng)的尺寸系列及公差，可以確定0型圈內(nèi)徑和線(xiàn)徑， 從而確定相應(yīng)管徑所適用的0型圈。0型圈分別與堵尖和鋼管存在過(guò)盈配合，根 據(jù)經(jīng)驗(yàn)，過(guò)盈量越大，密封性能就越好（在沒(méi)有出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中的情況 下）。在考慮流體密封時(shí)，就以它們之間的

5、最小過(guò)盈為參考對(duì)象。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)得出 0形密封圈的尺寸和過(guò)盈量如表1所示。圖10型密封圈結(jié)構(gòu)下載原圖參數(shù)100200鋼管外徑/mm118-2.8222+14:0型密封圈內(nèi)mm0型密封圈線(xiàn)徑/mm鋼管-()型圈最小過(guò)盈量/mm112土0.65218±1.2427±0.157±0.151.281.1影響橡圈的密封性能主要冇橡膠的壓縮率和von mises應(yīng)力拉1。0型圈的壓縮 率定義為截面的壓縮距離和0型圈的截面直徑兩者的比值，其表達(dá)式如下：s-(1)d-h(i式中:山為0型圈的截面直徑，mm;h為0型圈壓縮之后的截面高度，mm。前面計(jì)算出各個(gè)管徑相對(duì)于0型圈的過(guò)盈量，0

6、型圈的截面直徑(即線(xiàn)徑)都為 7 mm?？捎?jì)算出用于不同管徑0型圈的壓縮率分別為18.29%、15.71%、15%、12. 86%。0型圈的壓縮率為11%30%之間，所以本文屮的0型圈壓縮率均符合要 求。橡膠材料屬于超彈性體，用應(yīng)變函數(shù)來(lái)表示。mooney rivlin本構(gòu)模型通常用來(lái) 描述變形小于25%的超彈性材料，它的表達(dá)式如下：r=c10(/-3)+c01(/2-3)o式中:c10, c01為mooney rivlin系數(shù);w為應(yīng)變能密度函數(shù)。橡膠材料的硬度h （trhd硬度）與彈性模量試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合公式滿(mǎn)足下式/g£0=0.0198/-0.5432o弾性模量和mooney-ri

7、vlin系數(shù)之間，滿(mǎn)足下式:£(尸 6c10()110=2(o通常取c<n=0. 25cl0,最后確定有限元仿真參數(shù)，c10=0. 928 mpa, col=0. 232 mpao 通常硬度為邵氏硬度d90的聚氨酯橡膠能夠滿(mǎn)足大部分的需求，所以不作特殊 說(shuō)明的情況下，一般硬度取邵氐硬度d90，彈性模量為6. 963gpa。0型圈在溝槽內(nèi)單向受限，并處處結(jié)構(gòu)相同，可將模型簡(jiǎn)化成二維問(wèn)題來(lái)考慮。 使用ansys建立0型圈的二維軸對(duì)稱(chēng)模型，如圖2所示。其屮0型圈的線(xiàn)徑為7 mm,溝槽寬為12 mm,溝槽深度為4. 4 mm。圖2 0型圈有限元模型 下載原圖2水壓0 mpa下，0型密封

8、圈有限元分析2.1水壓0 mpa下，不同壓縮率對(duì)接觸應(yīng)力的影響這里將鋼管直徑向下位移一段距離模擬裝配過(guò)程。圖3是壓縮率分別為12. 86%、 15%、15. 71%和18. 29%，水壓為0 mpa時(shí)，0型圈主密封面的接觸應(yīng)力分布。從 圖中可以看出，0型圈的應(yīng)力應(yīng)變主要分布在0型圈與鋼管和溝槽的接觸處，且 呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)分布，隨著過(guò)盈量的增大，接觸應(yīng)力和應(yīng)變也隨著增大。這個(gè)結(jié)果符合 hertz理論4，驗(yàn)證丫仿真的正確性。2.2水壓為0 mpa,不同壓縮率下von mises應(yīng)力分布圖4為水壓0 mpa,不同過(guò)盈量對(duì)0型圈主密封區(qū)域von mises應(yīng)力的影響。從 圖中可以看出，整個(gè)von mises

9、應(yīng)力分布呈現(xiàn)上下對(duì)稱(chēng)的規(guī)律，應(yīng)力主要集中在 中部位置，兩側(cè)的應(yīng)力較小。隨著過(guò)盈量的增加，von mises應(yīng)力也逐漸增加， 且最大值區(qū)域面積也逐漸增大。當(dāng)過(guò)盈量為1. 28 mm時(shí)，應(yīng)力主要集屮在0型圈 中間位置，最大應(yīng)力值為6. 18 mpa,出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，而兩側(cè)位置上 的von mises應(yīng)力變化不大。說(shuō)明0型圈在使用過(guò)程中，中間部位的材料最容易 出現(xiàn)裂紋而被損壞。soujtigbscau scunxoistb .55 td4e-1cowt?r£3 uvg) not 置.9 smstem 3tb 繼33 7iw-1conw£5 <av3) smc -1.

10、05 sm岣，討1221.23c953.438>3.710844.94t««ei84?11.6；5423.092374,32»32$.56(2(x.3s303.699152-09374(b)kcidai solotkw.5.913：47369017283022.u4913.64151s.099116.5s4720l.tcoi.9504092.5514(a) =12.86%(d)<?(c)<9=15.71%圖3水壓0 mpa,不同壓縮率下接觸應(yīng)力分布下載原圖5tts*i sot -asna:stf<做> 00u6910223x.eoc?

11、1.c97913.st57s.4535391.3s11s2.24s993.14«&34.01467mp-i sj8 »toc-13eqv (jlv5>no -i.os aw w.oomcidtt <4.77554 r_»oosaol6531j.12s32s3530c1.b9531(b)<?=(a)尸 12.86%srth*i sob &£t«tt=iseviavc)tm .i.i，.0ckh67 «x «5.04<72x xkowx sccttnion3ttr-i sob -5$tim

12、i-1seqv(avc)lkc «1.2b«.047ffli 2w hi. 17479 3幼33totnee1.4093227t：7zi23s2.09c3bz» 240)6neaicb2 的s023<«?37><o«?2(c)s= 15.72%( d)<9=圖4水壓0 mpa,不mj壓縮率下von mises應(yīng)力分布下載原圖3不同水壓下0型圈的密封性能的影響分析以下分析的是壓縮率力15%情況下，不同水壓對(duì)0型圈接觸應(yīng)力、vonmises應(yīng) 力的影響。3. 1不同水壓下接觸應(yīng)力分布由圖5可以很直觀(guān)看出，接觸應(yīng)力依舊主要分布

13、在0型圈與鋼管接觸位置和0 型圈與溝槽接觸位置處。0型圈在水壓作用不，左側(cè)與溝槽一壁面發(fā)生接觸并產(chǎn) 生應(yīng)力和應(yīng)變。隨著水壓的增大，3處接觸區(qū)域的應(yīng)力應(yīng)變都隨之增大。這說(shuō)明 0型圈的密封性能好壞和內(nèi)部水壓大小成正比（在一定水壓范圍內(nèi)），水壓越大， 密封性能越好。當(dāng)水壓增加到試驗(yàn)壓力20 mpa時(shí)，3個(gè)主密封區(qū)域的最大接觸 應(yīng)力約為27. 67 mpa,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于試驗(yàn)水壓20 mpa,說(shuō)明0型圈可以?xún)有У貙?shí)現(xiàn)鋼 管端部密封。此時(shí)，最大接觸應(yīng)力為31. 13 mpa,出現(xiàn)在密封圈與槽門(mén)拐角處， 這是因?yàn)闇喜酃战沁^(guò)尖所致。水壓從5 mpa到10 mpa再到15 mpa,主密封區(qū)域 的接觸壓力均大于對(duì)應(yīng)的

14、實(shí)時(shí)水壓，保證向被測(cè)鋼管內(nèi)部充入高壓水時(shí)，不會(huì) 因?yàn)榻佑|應(yīng)力過(guò)小而出現(xiàn)密封現(xiàn)象。符合試驗(yàn)要求。(a)水壓5 mpa(b)水壓1bodu soinrioi mp»2助«m t»«-305.301*5lotsott15.msc21.20742.sscs3x3s27813.2suxb.ss6sogiu 90lct1mi5iw*ioc.番 i霉i>«aa9.<3>10,3”23.8s83(c)水壓15 mpa(d)水壓圖5 e =15%,不同水壓下最大接觸應(yīng)力分布 下載原圖圖6給出了最大接觸應(yīng)力隨水壓和壓縮率的變化關(guān)系，可以得到水壓變

15、化對(duì)最 大應(yīng)力的影響遠(yuǎn)大于壓縮率對(duì)最大應(yīng)力的影響，并得出結(jié)論:在水壓試驗(yàn)時(shí)，試 驗(yàn)水壓對(duì)密封性能的影響占主要地位。3530252015101015水壓/mpa20圖6最大接觸應(yīng)力隨水壓和壓縮率的變化關(guān)系下載原圖3.2 von mises應(yīng)力分布圖7為壓縮率15%時(shí)不同水壓對(duì)0型圈von mises應(yīng)力的影響。由圖7可知，隨 著水壓的增加，von mises應(yīng)力分布位置由原來(lái)的中部慢慢向左側(cè)移動(dòng)，使得左 側(cè)部分橡膠材料容易出現(xiàn)應(yīng)力集中。水壓分別在15 mpa和20 mpa時(shí)，最大vonmises應(yīng)力為11. 12 mpa和11. 43 mpa,我們發(fā)現(xiàn)，這時(shí)水壓的增加對(duì)von mises 應(yīng)力的

16、影響變小。e«130?3.00911.8310cstep，2 sub .55 i dc-251(av5).2709411.3b42.498033.6us4.72509.8277281.941263-05钃194,1卷9335.281&6(a)水壓5 mpamo&jll squniqmstep«25砷 *55i7 ik-23eqv (avg) zea . 3685*s< 340327. 7983101934sx7057«, s-100»9.8495611.im(c)水壓 15 mpa圖7 e =15%,不同水壓下von mises應(yīng)力

17、分布下載原圖圖8為最大von mises應(yīng)力隨水壓和壓縮率的變化關(guān)系圖。從圖8中可以看出，當(dāng) 水壓在（tlompa時(shí)，水壓對(duì)von mises應(yīng)力的影響較小，隨后應(yīng)力在水壓增大 情況下增大較為明顯。由此可以得出，0型圈會(huì)因高壓水造成的應(yīng)力集中而出現(xiàn) 損傷。20101520水壓/mpa圖8最大von mises應(yīng)力隨水壓和壓縮率的變化關(guān)系 下載原圖4結(jié)論關(guān)于密封圈的失效準(zhǔn)則和失效判斷，目前普遍采用的是密封面最人接觸壓力人 于工作壓力和密封槽槽門(mén)轉(zhuǎn)交位置處應(yīng)力小于0型密封圈的橡膠材料的抗剪強(qiáng) 度，在0型圈的設(shè)計(jì)和選擇時(shí)耍滿(mǎn)足這2個(gè)失效準(zhǔn)則和失效判據(jù)5。實(shí)際經(jīng)驗(yàn) 表明，通常以這兩個(gè)參數(shù)來(lái)判定密封圈的

18、密封性能。通過(guò)以上的分析可以得到以 下結(jié)論：1) 端部密封在裝配時(shí)，鋼管對(duì)0型圈造成一定的壓縮，形成了預(yù)密封區(qū)域，這 種預(yù)密封區(qū)使得在鋼管水壓試驗(yàn)之前就有一定的密封能力，保證注入低壓水時(shí) 不會(huì)泄漏。同時(shí)，隨著過(guò)盈量增大，這種密封性能越好。2) 當(dāng)鋼管內(nèi)部注入高壓水并加至試驗(yàn)水壓時(shí)，鋼管內(nèi)部的水壓逐漸增加，0型 圈在水壓作用下接觸應(yīng)力和von mises應(yīng)力也隨之增加。當(dāng)水壓達(dá)到一定程度時(shí)， 0型圈產(chǎn)生較大變形，有一部分會(huì)被擠壓到鋼管和堵頭之間的縫隙中。由于這些 縫隙被填補(bǔ)上密封圈，所以使得0型圈的密封性能得到提高。3) 以過(guò)盈量1. 1 mm為例，水壓0 mpa時(shí)，密封區(qū)域最大接觸應(yīng)力為6. 55 mpa, 當(dāng)鋼管內(nèi)部水壓為20 mpa時(shí)，密封區(qū)域最大接觸壓力為27. 62 mpa。此時(shí)密封 區(qū)域的壓力大于試驗(yàn)水壓，所以端部密封方案可行。4) 0型圈的抗剪切應(yīng)力可達(dá)30 mpa,當(dāng)水壓15 mpa吋密封圈受到的最人剪切力 為4. 4