过滤器滤芯密封性能的数值分析.pdf

年第 期过滤器滤芯密封性能的数值分析徐少可,李谨,侯宗宗,张辉,岳顺利(洛阳船舶材料研究所,河南 洛阳 )摘要:为了保证过滤器滤芯O形圈密封的可靠性,通过AN S Y S软件创建了密封圈的二维轴对称几何模型,仿真分析了O形圈在不同的介质压力和预压缩率作用下的受力及变形情况.计算表明:O形圈在滤芯支撑环和过滤器壳体间隙处应力集中最显著,表明此处易发生O形圈的密封失效;随着预压缩率的增加,密封圈的等效应力逐渐增大;随着预压缩率和介质压力的增加,O形密封圈的接触压力不断变大,介质压力始终小于接触压力,滤芯O形圈密封有效.关键词:过滤器;密封;有限元中图分类号:U 文献标识码:A文章编号:X()N u m e r i c a lA n a l y s i so fS e a l i n gP e r f o r m a n c eo fF i l t e rE l e m e n tX uS h a o k e,L i J i n,H o uZ o n g z o n g,Z h a n gH u i,Y u eS h u n l i(L u o y a n gS h i pM a t e r i a lR e s e a r c hI n s t i t u t e,L u o y a n g ,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t oe n s u r e t h e r e l i a b i l i t yo f t h eO r i n gs e a l o f f i l t e r e l e m e n t,a t w o d i m e n s i o n a l a x i s y m e t r i cg e o m e t r i cm o d e l o f t h es e a l r i n gw a sc r e a t e db yAN S Y Ss o f t w a r e T h es t r e s sa n dd e f o r m a t i o no f t h eO r i n gu n d e rd i f f e r e n tm e d i u mp r e s s u r ea n dp r e c o m p r e s s i o nr a t ew e r es i m u l a t e da n da n a l y z e d T h er e s u l t ss h o wt h a t t h es t r e s sc o n c e n t r a t i o no fO r i n g i sm o s t s i g n i f i c a n t i nt h eg a pb e t w e e nt h e f i l t e r e l e m e n t s u p p o r t r i n ga n dt h e f i l t e rh o u s i n g,w h i c h i n d i c a t e s t h a t t h e s e a l i n g f a i l u r eo fO r i n g i s e a s y t oo c c u rh e r e W i t h t h e i n c r e a s eo f p r e c o m p r e s s i o nr a t i o,t h ee q u i v a l e n t s t r e s so f t h es e a l i n gr i n g i n c r e a s e sg r a d u a l l y W i t ht h e i n c r e a s eo fp r e c o m p r e s s i o nr a t ea n dm e d i u mp r e s s u r e,t h ec o n t a c tp r e s s u r eo f t h es e a l i n gr i n g i s c o n s t a n t l y i n c r e a s i n g,a n dt h em e d i u mp r e s s u r ei sa l w a y s l e s s t h a nt h ec o n t a c tp r e s s u r e T h eO r i n gs e a l i n go f t h e f i l t e re l e m e n t i se f f e c t i v e K e yw o r d s:F i l t e r;S e a l;F i n i t ee l e m e n t作者简介:徐少可(),女,助理工程师,硕士,研究方向:过滤器设计.引言过滤器被广泛地应用于水、油、蒸汽等多种介质间的分离和过滤,在工业和农业的发展中发挥着十分重要的作用.其工作原理是流动介质由过滤器进口流入而由出口流出,期间经过具有一定过滤精度的滤网过滤作用,滤网精度依据系统工况需求而设定,保证下游设备可以正常运转.由于滤网通过紧密配合的方式安装于过滤器内部,容易密封效果不好而导致未达到要求的精度指标,可能造成数百万甚至更巨大的损失,所以滤芯的密封形式及效果显得尤为重要.目前,O形圈由于自密封性佳且性能可靠,设计标准化程度高,市场成本低,规格齐全,易于使用便于购买,在各种机械设备密封结构中广泛应用,同时,O形圈兼具有轴向和径向同时密封,拆卸极其方便的特点,与过滤器滤芯密性需求极其吻合,因此,O形圈是过滤器滤芯密封的重要选择之一.近年来,众多学者针对O形圈密封开展了许多研究并取得了丰硕的成果.蔡智媛等在AN S Y S仿真软件中分析了O形密封圈往复运动中的静力学行为,得出了等效应力和剪切应力在相关结构参数下的变化规律,并计算了安装密封圈的最佳结构参数值.田俊等使用AN S Y S分析了O形密封圈在工况中出现的破损现象的原因,得出了截面尺寸公差对密封性能的影响规律.同时,计算出密封圈在不同油压工况下的最优预压缩率,并分析了较大油压下密封圈尺寸与应力的关系.周志鸿等研究了影响O形圈接触压力、摩擦力的因素及规律,对设计O形圈具有一定的指导意义.陈占清等在工程案例通过仿真计算了压缩率在密封性能方面的影响,有效的解决了密封圈的泄漏.王琳等分析了液压缸往复运动中O形圈的受力情况,发现在介质压力大于 MP a时,剪切应力直线加大,密封圈损伤加剧,寿命减少.任琪琛等利用AN S Y S仿真软件创建了两种形式的密封槽有限元分析模型,对比探究了O形圈等效应力、接触长度在不同预压缩率及真空度下的变化,分析总结了真空泄漏率的影响因素.王伟等运用MA R C仿真软件,探究了O形圈在密封沟槽中接触面变形规律和接触应力的分布.综上所述,许多学者对O形圈密封进行了大量的试验和仿真计算分析,大多数集中在压强相对较低的工况下,而对于过滤器滤芯高压工况服役状态下密封方面研究甚少.过滤器滤芯对密封性能要求较高,O形圈的密封有效性是由接触压力和工作压力的大小决定的.等效应力越大,材料中裂纹出现的概率越大,破损更快,大大缩短了O形圈的使用寿命.为研究过滤器滤芯O形圈密封的可靠性,本文采用A n s y s软件的超弹性材料本构模型,以过滤器滤芯密封为研究对象,建立了密封的二维模型,分析了在不同预压缩率和介质压力作用下,O形圈在滤芯支撑环沟槽中的等效应力和接触压力的变化情况,为后续过滤内燃机与配件w w w n r j p j c n器中O形圈的选择和应用提供了技术参考与支持.计算模型及方法 几何模型滤芯O形圈的安装见图.该结构由滤芯支撑环、O形圈和过滤器壳体三部分组成,其几何模型示意图见图所示,O形圈材质 为 丁 腈 橡 胶,规 格 尺 寸 为 mm mm,符合G B/T ;滤芯支撑环采用矩形沟槽,沟底尺寸直径为 mm,密封的槽宽为 mm,深度为 mm,底部圆角R为 mm,顶部圆角R为 mm.图滤芯O形圈安装示意图图几何模型 材料的本构模型由于丁腈橡胶属于超弹性材质,弹性变形大,具有强烈的非线性变形行为,一般通过建立应变能密度函数来进行非线性问题的有限元求解.众多学者在试验的基础上归类总结,建立了多种该材料的本构方程,例如M o o n e y R i v l i n、N e o H o o k e a n、O g d e n T s c h o e g l等模型 ,本文采用的是M o o n e y R i v l i n本构方程,它几乎适用于各种橡胶材质力学行为的模拟,在AN S Y S仿真中被普遍应用,典型的应变能表达式为:WC(I)C(I)公式中W表示应变能密度,C,C 是本构模型力学性能常量,I是第一应变张量不变量,I是第二应变张量不变量.本文C 和C 分别取 MP a和 MP a.假设密封圈压缩变形时体积不产生变化,且弹性模量固定,泊松比不变.O形圈的弹性模量 MP a,泊松比 .过滤器壳体和滤芯支撑环均是 L,其弹性模量远大于丁腈橡胶,可将其视为刚体.理想状态下,O形圈的密封结构、载荷和约束呈轴对称状态分布,所以简化模型,建立O形圈的二维轴对称数学模型进行分析.有限元模型及边界条件O形圈密封模型划分网格,见图,采用网格是六面体单元,其中节点总数为 ,单元总数为 .模型建立了两个摩擦接触对,一个是密封圈外表面与壳体内表面的接触对,另一个是滤芯支撑环密封槽的底部、侧面与密封圈的对应接触,均设置为面面接触方式,刚柔接触类型,间摩擦系数设置为 ,接触算法选择增强拉格朗日法.为达到密封圈实际安装,过程的仿真效果滤芯支撑环在整个计算过程中位移始终为,可设置为固定约束.其他边界约束条件设置如下:第一步对所建模型中的壳体施加Y轴正方向位移,通过调整壳体和支撑环之间不同的间隙距离控制O形圈单边压缩量,模拟不同的预压缩率变化;第二步在密封圈一侧加载一定的介质压力,模拟服役工况下密封圈的受力.图O形圈有限元模型结果与分析 不同预压缩率对应力的影响预压缩率表达式为:DHD D表示O形圈的初始截面直径,H表示O形圈被压缩后的截面高度.O形圈预压缩率值分别为、,其等效应力的变化情况,如图所示.由图可以看出,O形圈的等效应力随着预压缩率增大,呈线性增加的趋势.这是由于在变形范围内,橡胶体积几乎不变,预压缩率越大,密封圈与滤芯支撑环沟槽的接触面越大,摩擦力随之增加,同时,抵抗变形的能力变强,安装强度随之加大,材料也越容易发生屈服破坏.因此,当使用需求满足时,设计选型尽量选择较低的压缩率.图不同预压缩率的等效应力曲线 不同介质压力对应力的影响以预压缩率为 的情况进行过滤器滤芯支撑环密封分析,当介质压力为MP a、MP a、MP a、MP a时进行计算,O形圈的变形情况,如图所示.图是等效应力变化云图,可以看出随着介质压力的增大最大等效应力由MP a增大到 MP a.不同的工况下,最大等效应力分布的位置不同,当介质压力较大时,密封圈被挤压到支撑环和壳体的间隙处,最大等效应力值也逐渐向壳体和滤芯支撑环间隙方向集中.随着压力的进一步增大,密封圈挤入间隙的趋势越明显,最大等效应力值也越大,此处越易发生密封圈间隙挤伤破坏,造成密封失效.同时,当等效应力不断增大密封圈材料内部越易产生疲劳失效.年第 期图不同介质压力时等效应力的变化 不同介质压力对密封性能的影响O形圈有效密封的判断条件是接触压力大于工况下的介质压力.图是当预压缩率固定为 时,介质压力不同时接触压力的分布情况.从云图中可以看出,接触压力较大值分别出现在过滤器壳体与密封圈接触的区域、密封圈与滤芯支撑环密封槽接触边界及槽底.当介质压力逐渐增大时,O形密封圈和过滤器壳体及滤芯支撑环密封槽的接触界面宽度逐渐变大,密封圈变形越剧烈,接触压力随其增大而增大.因此,当工况要求较大的介质压力时,O形圈的选型要求越高.图不同介质压力时接触压力的变化图接触压力变化曲线图为预压缩率、介质压力不同时,O形圈接触压力变化的曲线.可以看出,在介质压力为唯一值时,接触压力随着预压缩率的增大逐渐变大;在预压缩率为唯一值时,虽然接触压力在介质压力的增大时呈线性增大趋势,但是始终大于介质压力,说明O形圈的密封是有效可靠的,可以保证过滤器滤芯的密封性能.结论本文通过AN S Y S仿真软件对过滤器滤芯的密封性能进行计算,分析了在不同介质压力和预压缩率下,O形圈的等效应力和最大接触压力的变化规律.得出结论如下:()等效应力和最大接触压力随着预压缩率的增大逐渐变大,较大的预压缩率易加大装配难度,从而增加了装配的劳动强度,所以在满足使用需求时,应适当选择预压缩率较小的.()等效应力和最大接触压力随着介质压力的增大不断增大,同时,O形圈也发生了显著变形,呈现出挤入壳体和支撑环的间隙的趋势.()通过仿真分析可以直观地判断出应力集中的位置,能够为合理地选择过滤器密封槽倒角半径以及密封圈接触面机加工精度等方面的参数,提供一定的参考.参考文献:翟浩东封隔器配套用O形圈性能研究D中国石油大学(华东),蔡智媛,王冰清,彭旭东,等基于安装过程的O形圈安装结构优化分析J中国机械工程,():田俊,潘平逊,杨宗邦,等基于有限元分析法的O形橡胶密封圈应力分析J航空维修与工程,():周志鸿,张康雷,李静,等 O形橡胶密封圈应力与接触压力的有限元分析J润滑与密封,():陈占清,詹永麒,朱昌明,等压缩率对O形橡胶密封圈密封性能的影响J流体传动与控制,():王琳,陈庆,邹昕桓,等介质压力及O形橡胶圈压缩率对往复运动轴封性能的影响J吉林化工学院学报,():任琪琛,孙志和,王沛,等 O形橡胶圈真空密封性能有限元分析J真空,():王伟,赵树高橡胶O形密封圈的接触变形及应力分析J弹性体,():王璐,徐鹏,陶家辉,等高压氢气环境下橡胶O形圈静密封结构有限元分析J液压与气动,():黎伟,刘志新,陈曦,等 O形与C形组合密封圈的力学性能对比分析J应 用 力 学 学 报,():张峰 O形圈及组合密封结构的密封性能数值研究D兰州理工大学,