旋轉水密封性能優化設計分析

摘 要：新型旋轉密封件在機械密封技術領域做出性能突破，其結構主要包括O型圈和密封環，O型圈套設在密封環的外壁上，密封環的外壁周向設有泄壓槽。該密封件在工作時設置在密封溝槽之間，在設備工作時，工作介質會流動到密封件端面兩側的結合面的間隙內，密封件阻隔密封件端面兩側的工作介質，使間隙內的工作介質只能在各自的一側端面間隙內流動。同時通過在密封環的外周設置泄壓槽，改變O型圈和密封環外壁的接觸的密封表面，使O型圈和密封環的接觸面積減小，調整O型圈和密封環外壁的接觸的密封表面受外界偏壓作用時密封環的接觸壓力分布。最終實現改善密封效果，提升密封件使用壽命。

關鍵詞：旋轉格萊圈；O型圈；密封環

中圖分類號：TU506 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2023）01-0039-03

0 引言

密封件是機械結構中常用的用于密封的零件，格萊圈是密封件中的一種，常用于徑向旋轉密封。格萊圈由一個丁腈橡膠O型圈及填充聚四氟乙烯密封圈組合而成。目前市場上格萊圈的進口品牌以特康密封圈為主。進口格萊圈成本高，市場上其他成本較低的國產品牌的格萊圈，往往密封性能低于進口格萊圈[1]，為了獲得成本更低、質量更優的產品，特此對旋轉格萊圈作出技術改進。

1 原因分析

橡膠密封圈密封的原理為密封面最大接觸壓力大于工作壓力即實現密封，旋轉格萊圈結構形式如圖1所示。格萊圈在實際使用過程中使用條件較復雜，多為交變載荷，同時承受高溫偏載作用。經計算旋轉格萊圈要實現密封， O形橡膠密封圈壓縮率為15%～30%。由于橡膠圈在長時間處于較大壓縮率的狀態下，橡膠圈受材料所限，溫升情況加劇，進而會加速材料老化，導致彈性降低，產生永久破壞，無法保壓，最終失去密封效果。

密封圈工作安裝時裝配關系如圖2所示。兩道旋轉格萊圈安裝至溝槽中，其中O型橡膠圈與溝槽相接觸，密封環與下方旋轉隔套相接觸，O型圈自身與密封環相接觸。

2 改進設計

本次改進從以下3個方向，來提升旋轉格萊圈性能：①降低O型圈壓縮量，提高O型圈使用壽命。②解決密封圈承受偏置載荷時，對密封環的偏磨影響。③改善密封圈啟動時的穩定性。

2.1 降低O型圈壓縮量

根據密封面最大接觸壓力大于工作壓力即實現密封，要實現密封，矩形密封圈的壓縮率應為8%～14%，O形密封圈壓縮率應為15%～30%[2]。經試驗驗證，在相同工況及作業環境條件下，改變單一壓縮量會降低密封圈老化情況，因此矩形圈的老化速度相比O形圈會相對較慢。

2.2 解決密封圈偏磨問題

當密封圈界面轉變為方形時，方形角配合溝槽圓角，可為密封圈提供斜向下壓力，使密封環壓力分布均勻，將密封環的內壁向與外壁設置泄壓槽，并將外壁上的泄壓槽和內壁上的泄壓槽交錯設置。詳細方案如圖3所示。

2.3 解決密封圈啟動穩定性問題

將密封圈的軸向兩個端面分別設有多個所述泄油槽，且兩個所述端面的多個所述泄油槽交錯設置。通過增加泄油槽來實現啟動時運行平穩、無滑動，方案詳情見圖4所示。

3 方案驗證

3.1 橡膠密封圈工作原理解釋說明

當介質工作空間存在壓力的時候，旋轉密封與剛性件接觸面上必須要有足夠大的接觸壓力，保證接觸壓力大于介質壓力，才能通過該壓力作用來阻擋介質泄漏。

因此橡膠圈工作原理是橡膠圈與橡膠密封圈的內外徑方向的剛性壁及自身密封接觸的接觸壓力均大于介質壓力值，其公式如式（1）所示。

min（P1，P2，P3）≥P ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：P為介質壓力，單位是MPa； P1 為外徑及剛性件接觸面壓力，單位是MPa；P2為外徑及剛性件接觸面壓力，單位是MPa；P3 為組件自身接觸面壓力，單位是MPa。

發生泄漏在各個方向接觸壓力的最低值都大于介質壓力時才能實現密封，否則就會密封失效。

3.2 橡膠材料超彈理論

O型密封圈常用的是丁晴橡膠材料，O型密封圈在非線性參數中的定量表述是很困難的，所以就需要采用行業通用的超彈性材料變形的本構關系理論來描述材料的應變能密度，進而合理地體現超彈性體非線性的定量表現。

Mooney-Rivlin分析模型是在工程中用于橡膠材料分析常用的模型。在其模型中，其中的應變能密度公式如式（2）、式（3）、式（4）所示：

（2）

（3）

（4）

式中：N為橡膠應變能密度，單位是MPa； T1，T2 為Green應變不變量，常量；Cij 為Rivlin系數，常量。

通過分析，為簡化后續計算，將此模型簡化到一個參數來描述，則模型式如式（5）所示：

N=C10（T1－3） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

根據資料信息，將此模型簡化為兩個相關練得mooney-Rivlin 系數參數來描述[3]，如式（6）所示：

N=C10（T1－3）+C01（T2－3） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

式中：C10，C01為正定常數，統稱為 mooney-Rivlin 模型系數。通過這兩個參數來描述的模型使用的應變變化范圍，這兩個變形系數可適應的應變范圍達到1.5倍。

3.3 橡膠材料計算模型

橡膠材料模型選用 Mooney-Rivlin 模型，其中C10，C01數值由公式（7）、式（8）、式（9）得到。

lgE =0.0198Y－0.5432 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（7）

E=6（C10+C01） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（8）

C01/C10=0.01 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（9）

式中： Y為橡膠硬度值，單位是HA； E為橡膠彈性模量，單位是MPa。

因此在給定材料硬度值，就能確定計算出其橡膠彈性模量E， Mooney-Rivlin 模型系數C10/C01的比值。根據橡膠材料硬度不同取值，IRHD硬度為40時取0.1，IRHD硬度為60時取0.05，IRHD硬度為70時取0.02。比值隨材料的硬度增加而降低，本次取在常溫下材料硬度值為 76。

根據式（7）、式（8）、式（9）三個公式計算得：

E=9.15 MPa；C10=1.51；C01=0.0151。

經試驗，材料試驗機測得材料的泊松比v=0.46。

3.4 旋轉密封圈有限元分析數據計算

3.4.1 有限元模型建立

通過designmodel模塊進行模型建立，在AnsysWorkbench中建立單側偏載3 MPa，介質為水，采用 Mooney-Rivlin 非線性應變能量密度本構模型。在徑向方向對其力學行為進行數值模擬，通過正交試驗，研究不同截面形狀O型圈在相同作業環境中的變形、Von Mises 應力和密封面最大接觸壓力的影響，來進行分析截面形狀參數與密封性能的關系，研究選取以250 mm×265.5 mm×6.3 mm型格萊圈為例進行方案驗證，并建立了徑向位移受限的格萊圈有限元分析模型[4-5]。O型圈材料參數，見表1。密封環材料參數，見表2。約束及載荷條件，見表3。溝槽參數，見表4。隔套42CrMo材料參數如下，見表5。

3.4.2 旋轉密封圈的加載方式及邊界條件

旋轉密封圈的加載數值模擬主要分成兩個載荷步來完成。

第一載荷步是模擬格萊圈的初始安裝時（O型圈壓縮自適應，密封環抱死隔套）。

第二載荷步是單側3 MPa介質壓力對旋轉密封圈的側向單邊壓縮過程，來模擬旋轉密封圈工作時（27 ～ 54 r/min）的實際負載。

3.4.3 接觸定義

建立剛性件與O型圈外徑的面接觸，建立O型圈內徑與密封環之間的摩擦接觸。同時建立密封環與隔套之間的面接觸，接觸關系不同時，其摩擦情況也不同，為保證收斂增加摩擦系數為0.2。

4 結語

相同轉速及相同偏載時，圓形截面接觸壓力偏差絕對值為10 MPa，數據穩定性差，在相同水壓情況下，側偏影響較大，磨損加劇。

方形截面接觸壓力偏差絕對值為3.744 MPa，數據穩定性優。在相同水壓情況下，側偏影響較小，運行穩定。

參考文獻

[1] 張翠彬.橡膠O型圈的材料選擇分析[J].中國設備工程，2017 （21）：155-157.

[2] 張成富.O形密封圈的壓縮率計算方法及實例驗證[J].中國石油和化工標準與質量，2018（10）：175-180.

[3] 鄧向彬，黃樂，向宇，等.橡膠O形圈最大接觸壓力、IRHD硬度和壓縮率之間的函數關系研究[J].橡膠科技，2019，17（3）： 132-135.

[4] 郭麗霞，關靜巖.O型橡膠圈動密封結構的有限元分析[J].科技與創新，2015（3）：19-20.

[5] 趙敏敏.基于Ansys的O形圈橡膠密封圈密封性能及可靠性研究[J].橡膠工業，2020（2）：131-134.