閘閥用聚氨酯密封圈密封性能模擬研究

王曉冬,孫奉閣,代志響,夏立強,張家舜

(1.中港疏浚有限公司，上海 200000；2.山東科技大學機械電子工程學院，山東 青島 266000)

0 引言

密封件作為作為閘閥的核心部件，對系統正常工作起著重要作用。密封技術的改進可以加強設備的可靠性、增長使用壽命、降低能耗[1]，有效的密封可以防止介質泄漏，提高工作效率，減少故障失效。工作系統的壽命往往取決于密封件的使用壽命[2]，提高密封件使用壽命和改進密封結構已成為當前國內外閘閥行業迫在眉睫的問題[3～6]。

針對上述問題，國內外學者對密封結構密封性能進行了大量研究與探索。Bertolet[7]、Galloway[8]等對密封的形式、材料、溫度等領域做了專業性的研究；Kim B[9]等人通過有限元法采用Mooney-Rivlin模型，研究了密封圈的接觸力大小與分布情況；北京航空航天大學Zhang Y[10]等利用ANSYS Workb-ench研究往復密封中所產生的工作應力分布以及密封圈失效機理；王冰清[11]等利用 ANSYS軟件，分析了密封圈工作狀態下的密封機理、密封性能，預測了其易發生失效的具體部位。閘閥多用于疏浚工況，極易對密封圈造成磨損進而影響使用壽命，而聚氨酯材料具有高耐磨、壽命長等優點。因此，本文通過探究不同硬度聚氨酯材質的密封圈對其密封性能的影響，再對比分析不同結構密封圈的密封性能，從而對聚氨酯密封圈的推廣應用提供理論依據。

1 有限元模型的建立

在ANSYS程序中，兩個參數的Mooney-Rivlin本構模型所得到的曲線與拉伸曲線吻合度很高，可以滿足實際工程對密封圈的性能計算需要[12]。根據Mooney和Rivlin的研究，通常用應變能密度函數W對彈性材料的應力-應變行為進行表征[13～14]：

式中：Ii——各方向應變不變分量；

λi——各邊的拉伸率；

W——應變能密度函數。

Rivlin在Mooney的理論基礎上，導出不可壓縮材料的應變能函數：

其中Cmn為常數，且滿足C∞=0。取Cmn=0，則

式中C10、C01——材料常數。本研究采用Mooney-Rivlin模型來描述聚氨酯密封材料的本構關系。

2 有限元前處理

2.1 材料選用

聚氨酯材料不僅具有非線性特征，而且應力松弛或蠕變會使密封圈力學模型成為復雜的黏彈性問題。因此，為精確求解問題，提出如下假設[15]：

（1）忽略密封結構的重量，建模時對密封結構采用二維軸對稱模型。

（2）聚氨酯密封圈具有確定的彈性模量和泊松比，聚氨酯的泊松比接近于0.5。

（3）材料各向同性，變形可以完全恢復，蠕變不引起體積變化。

密封圈模型示意圖如圖1所示。后端密封圈主要是與閘板接觸形成密封，對材料的耐磨性有一定的需求，選用硬度較高的材料；而前端密封圈主要負責回彈，常選用硬度較低彈性較好的材料；閘板和閥體的材料為鋼。具體材料性能參數見表1。

表1 各材料性能參數

2.2 物理模型及網格劃分

利用ANSYS WORKBENCH有限元軟件對常溫下閘閥密封圈的工作狀態進行模擬，繪制密封結構在工作環境下的壓縮回彈特性曲線圖，為試驗探究提供一定的參考。將密封圈簡化為平面，由于密封圈的結構具有軸對稱性，因此建立二維單元有限元模型。利用ANSYS中的New Designmodeler Geometry分別對密封圈、閘板、部分閥體進行二維建模如圖2所示。密封圈是一個規則的區域，因此選用結構網格對其進行網格劃分。

在建立有限元模型的過程中，可大致分為幾何模型的構建、劃分網格、定義邊界與區域類型，網格劃分是一個非常重要的環節。由于本文所用模型是一個二維模型，并且計算結果只與密封圈有關，因此閘板和閥體網格質量可以低于密封圈。密封圈的單元尺寸設置為1 mm，閘板和閥體的單元尺寸設置為5 mm，劃分的網格數量為9 243個，節點數量為9 601個。

2.3 求解設置

整個求解過程共設置3個分析步，其中第一分析步為加載階段（閘板下落，密封圈被擠壓）；第二分析步為卸載階段(閘板升起，密封圈回彈)；第三分析步保持原狀態不動（閘板收回，密封圈回彈）。模型的約束設置關系到有限元的分析結果收斂性，約束不完全時，求解的收斂性比較低，會引起模型的扭曲變形，無法求解，導致發散；所以要對模型進行合理的約束設置，提高求解的成功率。為了使模型更加接近實際情況，對有限元模型施加的約束條件為：

（1）在密封圈左側面添加固定約束；

（2）閥體不動，即閥體上施加全約束，UX=0、UY=0，即ALLDOF=0；

（3）在閘板上施加X、Z軸方向固定約束，給其Y軸方向位移約束，位移量為-100 mm。

密封圈的接觸問題屬于剛柔接觸問題，在ANSYS有限元計算中，通常采用增廣拉格朗日法進行描述，接觸非線性方面的接觸類型選擇 Frictional 摩擦模型，為了提高計算結果的精確性，將其定義為面與面接觸的問題，且通常把剛性面(閘板和閥體接觸面)定義為目標面，柔性面(密封圈接觸面)定義為接觸面。

3 結果與討論

為了探究密封圈不同材料的密封特性，將60 A、72 A和85 A硬度聚氨酯分成三種組合，為了保證密封面的耐磨性，后端所用密封圈材料硬度要比前端高一些。具體組合如表2所示，下文將用ABC表示。分別從密封面接觸應力、摩擦應力及回彈等方面等方面分析它們的變化規律，以及對密封件密封性能的影響。

表2 材料分配組合

3.1 不同材質密封圈對比模擬分析

（1）接觸應力

閘板加載與卸載過程密封圈所受應力曲線如圖3所示。從圖中可知，密封圈在加載與卸載過程中所受應力呈對稱分布；在加載過程階段，密封圈所受應力大小隨閘板位移增加而增加，呈上升趨勢，在0.5 s時達到最大值，隨閘板繼續下移，其所受壓力開始逐漸減小直至趨于穩定；在卸載過程階段，當閘板運行至1.5 s時，密封圈內部又一次出現應力最大值。分析可知，兩次應力最大值均是出現在閘板與密封圈倒角處接觸時所產生。

三種組合對比來看，密封圈所受應力趨勢一致，均呈現對稱趨勢，從中分析可知，AB組合屬于前端密封圈材質一致而后端不同，所產生的接觸應力相差不大；而BC組合屬于后端密封圈材質一樣，前端不一樣，但C所產生的應力要遠遠大于B。說明密封圈產生應力大小主要取決于起回彈作用的前端密封圈，這是因為當閘板下落時，施加給后端密封圈的力傳給前端，此時，前端密封圈較軟時，密封圈容易受力產生壓縮，從而密封圈所產生的應力較??；當前端密封圈較硬時，密封圈不容易產生壓縮，其內部產生的回彈力反作用于后端密封圈，使后端密封圈的密封面緊緊貼合閘板側面，從而所產生的接觸應力也是最大的。

（2）摩擦應力

摩擦應力也是評判密封性能好壞的標準之一。摩擦應力大有助于密封，這是因為較大的摩擦應力會使密封面緊靠閘板，從而提高密封效果，但又不宜過大，否則，會使密封圈過早磨損，降低壽命，引發安全問題。

加載時密封面所受摩擦應力分布曲線與卸載時密封面所受摩擦應力分布曲線如圖4，圖5所示。從中分析可知，三種組合所產生的摩擦應力均呈對稱趨勢，而C所產生的摩擦應力最大，A所產生的摩擦應力最小。從密封效果中分析，受摩擦應力的影響，C的密封面可以緊靠閘板，密封性能最好，但過高的摩擦應力又會使C的使用壽命大大降低，而B相較于C摩擦應力降低，使用壽命增加，相較于A密封性能又有所提高。從實際工況角度出發，應該在保證密封效果的情況下優先選用所受摩擦應力小的材料。

（3）回彈性能

聚氨酯密封圈有一定的回彈性，壓縮應力卸掉后，密封圈不會立即恢復到原來的狀態。作為密封材料，理應在壓縮應力卸掉后，即刻恢復到原來狀態。通過模擬繪制出密封圈回彈特性曲線如圖6所示。從圖中分析可知，密封圈的回彈曲線是一根光滑的曲線，這說明其回彈特性具有一定的非線性；三種材質組合均在1.9 s時，回彈至初始位置，說明三種材料組合均能滿足回彈性能要求。

3.2 密封圈不同結構對比模擬分析

為了更好的改善密封性能，提高使用壽命，將密封圈倒角改為圓角，分別采用R15、R20和R25三種尺寸進行模擬研究，圓角結構示意圖如7所示。

根據模擬結果繪制出不同結構所產生的接觸應力曲線如圖8所示，從圖中分析可知，當模擬運行到0.38 s時，閘板與密封圈倒角發生接觸，其產生的接觸應力急劇升高，這是因為密封圈倒角尖銳處與閘板接觸時出現了碰撞；當閘板繼續向下運行，接觸應力出現了最大值，其值呈不穩定狀態，但將倒角優化成圓角后，其應力呈穩定狀態。

將倒角改為圓角之后，所產生的應力出現了大幅度降低。隨著圓角尺寸的增大，密封圈所產生的應力呈下降趨勢，這是因為圓角連接密封面可以光滑過渡，尺寸越大，過渡越平滑；但進一步增大圓角尺寸時，將會減少密封面的長度，縮短與閘板接觸尺寸，從而削弱其密封性能，導致密封圈使用壽命減低，產生安全隱患。密封圈倒角改為圓角不僅可以使密封面增大，提高密封性能，還能減少應力，提高其使用壽命。

4 結論

本文通過有限元方法分析了不同材質的密封圈對其密封性能的影響，再對比分析了不同結構密封圈的密封性能，根據仿真結果得出如下結論：

（1）密封圈在受壓回彈過程中產生了兩次最大接觸應力，均是在閘板與密封圈倒角處接觸所發生的，同時，其所產生的應力主要取決于起回彈作用的前端密封圈。

（2）摩擦應力曲線表明，當組合為60 A和85 A聚氨酯材料時，能夠保證較小的摩擦應力以及較高的密封性能。

（3）回彈性能曲線表明，三種材料組合均符合回彈要求。

（4）密封圈倒角優化成圓角可以大幅度降低所產生的應力，同時，還能使應力峰值光滑過渡，這樣一來，有利于提高密封圈使用壽命。