充氣密封圈非線性有限元分析范文
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《中國(guó)沼氣雜志》2016年第二期
摘要:
文章基于非線性有限元理論，考慮密封結(jié)構(gòu)的材料特性、幾何形狀和接觸的非線性，建立了“M”形充氣密封圈的平面應(yīng)變有限元模型，分析了充氣密封機(jī)理，得到了法向接觸應(yīng)力沿密封接觸面的分布規(guī)律，討論了充氣壓力、被密封介質(zhì)壓力和密封間隙對(duì)法向接觸應(yīng)力和密封效果的影響。結(jié)果表明，保證密封效果的法向接觸應(yīng)力隨充氣壓力的增大而增大，接觸橫截面寬度也隨之增長(zhǎng)，在外表面中間的凹陷圓弧部分達(dá)到應(yīng)力峰值;被密封介質(zhì)壓力使得靠近介質(zhì)一側(cè)的接觸應(yīng)力減小，密封面長(zhǎng)度變短;隨著密封間隙的增加，其接觸應(yīng)力也相應(yīng)增大。為了提升充氣圈的密封性能，需要結(jié)合密封圈的受力變形、環(huán)境溫度、壓力和材料特性等綜合進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，密封圈的表面應(yīng)做涂層防腐處理;選擇適當(dāng)?shù)谋幻芊饨橘|(zhì)壓力和充氣壓力比值，既能保證密封效果又能延長(zhǎng)充氣圈的使用壽命。
關(guān)鍵詞:
充氣式密封;非線性有限元;“M”形充氣圈;硅橡膠
干法發(fā)酵具有產(chǎn)生沼液少、容積產(chǎn)氣率高、物料適應(yīng)范圍廣和運(yùn)行穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，無(wú)濕法發(fā)酵中的浮渣、沼液難處理等問(wèn)題，受到了越來(lái)越多的關(guān)注。規(guī)模化沼氣干法發(fā)酵裝置主要有車(chē)庫(kù)型、氣袋型、滲出液存儲(chǔ)桶型、干濕聯(lián)合型和覆膜槽型等，其中車(chē)庫(kù)型干法發(fā)酵裝置容易實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展和規(guī)模化應(yīng)用，具有運(yùn)行管理簡(jiǎn)單、能耗低、利用效率高、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊［1－3］。為了滿足裝載機(jī)的快速進(jìn)出料，發(fā)酵庫(kù)門(mén)一般開(kāi)在發(fā)酵庫(kù)的側(cè)面，大門(mén)的密封面積大;密封面易有雜物，產(chǎn)生間隙;發(fā)酵物料成分復(fù)雜，腐蝕性強(qiáng)等問(wèn)題導(dǎo)致密封難的現(xiàn)象。國(guó)內(nèi)外已有學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)密封系統(tǒng)的研究，韓捷［4］等采用氣漲式夾緊密封方式對(duì)敞口式覆膜槽生物反應(yīng)裝置進(jìn)行密封，進(jìn)出料方便，氣體易排盡，但密封面積大，密封效果難保障，且設(shè)計(jì)的深度和容量受密封面積大小所限;趙國(guó)明［5］等在地面車(chē)庫(kù)型發(fā)酵槽敞口處采用輔助加強(qiáng)膜式封口、雙閉合液漲式密封結(jié)構(gòu)，反映直觀，安全可靠，但該方法僅適用于全年零度以上的地區(qū)，且密封面積過(guò)大，存在安全隱患;黑龍江省賓縣引進(jìn)德國(guó)的密封技術(shù)，采用液壓驅(qū)動(dòng)和粘黏式矩形充氣圈組合的密封方式，便于進(jìn)出料，自動(dòng)化程度高，但成本高，充氣圈底部易脫落，密封缺少可靠性和穩(wěn)定性;陳永生、文等研究開(kāi)發(fā)的柔性頂膜車(chē)庫(kù)式干發(fā)酵裝置采用復(fù)合“M”形氣漲式機(jī)械壓緊密封技術(shù)，雙重密封安全可靠，可調(diào)節(jié)密封間隙，但需要空壓機(jī)供氣保證圈內(nèi)氣壓。可見(jiàn)，針對(duì)復(fù)雜的沼氣運(yùn)行工況，復(fù)合“M”形氣漲式機(jī)械壓緊密封技術(shù)是比較合適的密封方式之一。目前，非線性有限元法被廣泛的應(yīng)用于橡膠類(lèi)密封圈數(shù)值模擬研究，但僅有少數(shù)針對(duì)充氣式密封結(jié)構(gòu)，孟祥鎧［6］等利用MARC對(duì)“a”形充氣密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，賁可存［7］等利用ANSYS對(duì)“V”形充氣式柔性密封圈進(jìn)行了分析，周仕明［8］等利用MARC對(duì)充氣式自密封氣囊進(jìn)行了分析，但對(duì)于“M”形充氣密封結(jié)構(gòu)未見(jiàn)報(bào)道。本文利用大型有限元分析軟件ABAQUS，建立了截面結(jié)構(gòu)為“M”形充氣密封圈的軸對(duì)稱(chēng)有限元模型。分析了充氣圈的變形情況，以及充氣壓力、被密封介質(zhì)壓力、密封間隙對(duì)法向接觸應(yīng)力的影響，為充氣密封圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。
1“M”形充氣密封圈結(jié)構(gòu)和工作原理
發(fā)酵庫(kù)大門(mén)采用復(fù)合“M”形充氣圈組合密封技術(shù)，采用夾具固定的方式安裝在大門(mén)的四周，主要由兩個(gè)“M”形充氣密封圈、墊片、緊固圈、卡箍等組成，如圖1所示，兩道密封圈中間用緊固圈壓緊螺栓固定，兩側(cè)分別用墊片和卡箍加夾緊，使得密封圈既可以固定住也可以有一定的伸縮余量。該充氣密封圈材料選用以硅橡膠為基體材料，白炭黑為增強(qiáng)纖維，并添加硅油和硫化劑等。形狀設(shè)計(jì)為“M”形，實(shí)際尺寸25mm(寬度)×20mm(高度)，壁厚3mm。大門(mén)關(guān)閉后，利用空壓機(jī)對(duì)充氣圈加壓，充氣密封圈凹陷部位向外膨脹變形，與剛體門(mén)框相擠壓達(dá)到密封效果;當(dāng)發(fā)酵完畢后，將充氣圈內(nèi)的壓力卸載，密封圈脫離門(mén)框恢復(fù)充氣前“M”形。考慮到充氣密封圈因?yàn)殚L(zhǎng)期工作磨損、氣壓不穩(wěn)定等因素撕裂或泄漏，設(shè)計(jì)了兩道并行充氣密封圈，一旦其中一個(gè)密封圈發(fā)生破裂，另一個(gè)密封圈將保證發(fā)酵庫(kù)氣密性和穩(wěn)定性。影響充氣圈密封性能的因素主要有充氣密封圈的接觸應(yīng)力、結(jié)構(gòu)形式、材料回彈性能、充氣壓力、被密封介質(zhì)壓力、密封間隙大小以及接觸表面粗糙度［9］等。
2“M”形充氣密封圈有限元模型
2．1基本假設(shè)(1)由于大門(mén)的門(mén)體、門(mén)框和固定件的剛度較大，不考慮其變形，將門(mén)框、固定件和接觸的門(mén)體視為剛體邊界;(2)充氣密封圈采用的是硅橡膠材料，視為不可壓縮的而且在變形前是各向同性的;(3)充氣密封圈沿著門(mén)框安裝在大門(mén)四周，周長(zhǎng)遠(yuǎn)大于密封圈的高度和寬度，因此，密封圈及其接觸邊界均按平面應(yīng)變問(wèn)題處理。
2．2材料定義確定彈性體材料的非線性特性是困難的，但基于應(yīng)變能密度用于大彈性變形的幾種本構(gòu)理論已經(jīng)發(fā)展起來(lái)，對(duì)于橡膠類(lèi)物理非線性材料，常用Moo-ney-Rivlin模型來(lái)描述。
2．3有限元模型充氣密封圈材料為硅橡膠，硬度HA為55，采用Mooney-Rivlin模型，參數(shù)由上訴公式計(jì)算得出。根據(jù)氣囊的實(shí)際結(jié)構(gòu)，考慮材料的不可壓縮性，對(duì)硅橡膠采用四節(jié)點(diǎn)四邊形完全積分不可壓縮Herrmann軸對(duì)稱(chēng)單元，對(duì)大變形大應(yīng)變的部位重劃網(wǎng)格保證單元的質(zhì)量和計(jì)算的精度。模型中考慮密封圈底部與發(fā)酵庫(kù)門(mén)、密封圈頂部與門(mén)框的接觸，接觸間的摩擦采用庫(kù)侖摩擦模型，摩擦因數(shù)f=0．1，將充氣密封圈定義為變形體，采用離散描述;大門(mén)門(mén)體、固定件和門(mén)框定義為剛體，采用解析描述，并建立接觸體間的接觸關(guān)系。根據(jù)實(shí)際工程運(yùn)行情況，對(duì)該模型先施加內(nèi)壓，待充氣密封圈膨脹穩(wěn)定后，再施加被密封介質(zhì)壓力。由于被密封介質(zhì)壓力對(duì)充氣密封圈外表面作用范圍不可預(yù)知，采用預(yù)先加載充氣圈內(nèi)壓力，待膨脹穩(wěn)定后將實(shí)際接觸面的路徑用ABAQUS標(biāo)記，再重新加載充氣圈內(nèi)壓力和被密封介質(zhì)壓力。該模型采用大位移全Lagrange格式的增量方法處理充氣密封圈的大變形幾何非線性問(wèn)題，通過(guò)調(diào)整加載時(shí)間步長(zhǎng)即可得到穩(wěn)定的計(jì)算結(jié)果。
3“M”形充氣圈密封性能分析
3．1等效應(yīng)力與變形分析圖2～圖4顯示了充氣密封圈原始狀態(tài)的網(wǎng)格劃分情況，不同加載階段的整體變形和von-Mises應(yīng)力分布情況。從圖2中可以看出，充氣密封圈未充氣時(shí)，呈現(xiàn)原始的“M”形，與頂部的大門(mén)門(mén)框存在一個(gè)密封間隙;如圖3所示，當(dāng)充氣密封圈內(nèi)充入一定壓力的氣體后，頂部的“M”形向外膨脹變形逐漸與頂部的大門(mén)門(mén)框貼合擠壓，將間隙填滿;如圖4所示，在充氣密封圈右側(cè)加載了被密封介質(zhì)壓力Po后，密封圈右側(cè)部分受到擠壓脫離了與門(mén)框的接觸，接觸橫截面寬度變小。充氣壓力加載后，接觸面處充氣密封圈的應(yīng)力分布呈軸對(duì)稱(chēng)分布，其中凹陷圓弧部位的應(yīng)力達(dá)到峰值，充氣密封圈的最大等效應(yīng)力主要出現(xiàn)在“M”形左右兩側(cè)內(nèi)部圓弧面、頂部凹陷圓弧與門(mén)框接觸面處。這主要由于這幾處圓弧部位發(fā)生了較大的彎曲變形，彎曲應(yīng)力較大。因此，進(jìn)行“M”形幾處圓弧角度的設(shè)計(jì)中，需選擇合適的倒角半徑，既保證有足夠的接觸應(yīng)力，又不至于圈內(nèi)應(yīng)力長(zhǎng)期過(guò)大使得工作壽命降低。
3．2充氣壓力對(duì)接觸應(yīng)力的影響當(dāng)密封間隙D=5mm，被密封介質(zhì)壓力Po=0MPa時(shí)，對(duì)“M”形充氣密封圈分別充入0．10MPa，0．15MPa和0．20MPa的壓力，如圖5所示為不同充氣壓力下沿著密封面的接觸應(yīng)力分布曲線，可見(jiàn)法向接觸應(yīng)力隨充氣壓力Pi的增大而增大。充氣密封圈膨脹后密封接觸橫截面寬度約為14mm，接觸應(yīng)力呈軸對(duì)稱(chēng)分布，整體呈現(xiàn)中間突出的倒“U”曲線形式。在接觸面中間2mm的長(zhǎng)度范圍內(nèi)，接觸應(yīng)力隨著密封圈的過(guò)度膨脹急劇增大達(dá)到峰值，這主要由于密封圈“M”形中間的凹陷圓弧部分，受到充氣壓力的強(qiáng)力反方向擠壓，大幅度變形而造成。為了確保充氣圈的密封效果，在密封連接結(jié)構(gòu)的接觸面上，法向接觸應(yīng)力必須大于或等于被密封介質(zhì)的壓力。如圖5所示充氣圈內(nèi)壓力在0．10MPa～0．20MPa之間，接觸應(yīng)力值基本在0．50MPa以上，最高達(dá)到2．24MPa;正常工作時(shí)，被密封介質(zhì)的壓力在0～1000Pa之間，接觸應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于被密封介質(zhì)的壓力，且接觸應(yīng)力峰值提高了充氣圈的密封性能。隨著充氣壓力的增大，法向接觸應(yīng)力不斷增大，接觸橫截面寬度也隨之增長(zhǎng)，充氣圈的密封性能不斷增強(qiáng)。但同時(shí)也需考慮到充氣圈的應(yīng)力過(guò)大容易導(dǎo)致硅橡膠老化和密封失效，因此，要綜合分析選擇合適的充氣壓力。
3．3被密封介質(zhì)壓力對(duì)接觸應(yīng)力的影響圖6所示為充氣壓力Pi=0．20MPa，密封間隙D=5mm時(shí)，不同被密封介質(zhì)壓力下接觸應(yīng)力沿密封面分布曲線圖。在“M”形充氣密封圈內(nèi)加載0.20MPa的壓力后，模擬工作狀態(tài)，在充氣圈的右側(cè)分別加載0MPa，0．05MPa，0．10MPa的被密封介質(zhì)壓力。從圖6中可知，密封圈與被密封介質(zhì)接觸的一側(cè)在被密封介質(zhì)壓力的作用下，法向接觸應(yīng)力不斷減少，且波動(dòng)較大;另一側(cè)的接觸應(yīng)力略有增加;密封圈受到擠壓脫離了與門(mén)框的接觸，接觸橫截面寬度也隨之變短。當(dāng)密封圈受到庫(kù)內(nèi)氣體和沼液的壓力作用時(shí)，密封面被迫發(fā)生分離，此時(shí)就要求密封圈能釋放出足夠的彈性應(yīng)變能，能夠彌補(bǔ)這個(gè)分離量，并留有保持密封所需要的接觸應(yīng)力［12］。因此，在提高密封圈的接觸應(yīng)力的基礎(chǔ)之上，需選擇適當(dāng)?shù)拿芊饨橘|(zhì)壓力和充氣壓力比值，既能保證密封效果又能延長(zhǎng)充氣圈的使用壽命。同時(shí)，為了提升充氣圈的吹出抗力，可以結(jié)合密封圈的受力變形、環(huán)境溫度和材料特性等綜合進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，例如加大充氣圈和門(mén)框密封面的摩擦力，特別是接觸密封介質(zhì)的一側(cè)，密封圈的表面還應(yīng)做一些涂層防腐處理。
3．4密封間隙對(duì)接觸應(yīng)力的影響圖7所示為充氣壓力Pi=0．20MPa，被密封介質(zhì)壓力Po=0MPa時(shí)，不同密封間隙下接觸應(yīng)力沿密封面分布曲線圖。隨著密封間隙的增加，要求密封圈膨脹拉伸量也增加，導(dǎo)致其內(nèi)部接觸應(yīng)力也相應(yīng)增大。雖然密封間隙較大的時(shí)候，圈內(nèi)的接觸應(yīng)力也較大，能帶來(lái)較好的密封效果;但是，如果密封間隙過(guò)大，一方面會(huì)帶來(lái)接觸應(yīng)力增加，大大降低了材料的使用壽命，對(duì)材料的性能要求較高;另一方面容易造成“M”形的展開(kāi)程度不夠，即中間圓弧角半徑大的部位展不開(kāi)，與密封面產(chǎn)生空洞，形成兩段接觸面，如圖8所示，為密封效果帶來(lái)隱患。因此，需要根據(jù)充氣圈的結(jié)構(gòu)、材料、尺寸和充氣壓力、密封介質(zhì)壓力，選擇合適的密封間隙。
4結(jié)論
(1)通過(guò)有限元分析變形情況可知，“M”形充氣密封圈最大von-Mises應(yīng)力主要出現(xiàn)在“M”形左右兩側(cè)內(nèi)部圓弧面、頂部凹陷圓弧與門(mén)框接觸面處。因此，要選擇合適的倒角半徑，既保證有足夠的接觸應(yīng)力，又不至于圈內(nèi)應(yīng)力長(zhǎng)期過(guò)大使得工作壽命降低。(2)法向接觸應(yīng)力是保證密封效果的關(guān)鍵，該應(yīng)力隨充氣壓力的增大而增大，接觸橫截面寬度也隨之增長(zhǎng)，在外表面中間的凹陷圓弧部分達(dá)到應(yīng)力峰值;被密封介質(zhì)壓力使得靠近介質(zhì)一側(cè)的接觸應(yīng)力減小，接觸橫截面寬度變短;隨著密封間隙的增加，其內(nèi)部接觸應(yīng)力也相應(yīng)增大。(3)為了提升充氣圈的密封性能，需要結(jié)合密封圈的受力變形、環(huán)境溫度、環(huán)境壓力和材料特性等綜合進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，密封圈的表面還應(yīng)做涂層防腐處理;選擇適當(dāng)?shù)拿芊饨橘|(zhì)壓力和充氣壓力比值，既能保證密封效果又能延長(zhǎng)充氣圈的使用壽命。(4)利用有限軟件ABAQUS對(duì)充氣密封圈進(jìn)行仿真模擬和優(yōu)化設(shè)計(jì)是可行的。
作者：李瑞容 文 王鵬軍 韓柏和 陳明江 陳永生 單位：農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所 農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源開(kāi)發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室