（1.武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢430074；

2.中國(guó)石化銷售有限公司華中分公司，湖北武漢430022）

自動(dòng)振打除灰裝置活塞處雙向密封研究

（1.武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢430074；

2.中國(guó)石化銷售有限公司華中分公司，湖北武漢430022）

為研究自動(dòng)振打除灰裝置活塞在工作狀態(tài)下的可靠密封，需要選擇合適的密封圈.運(yùn)用CAE軟件在自動(dòng)振打除灰裝置活塞與活塞桿密封處分別建立了雙Y密封結(jié)構(gòu)和X型圈密封結(jié)構(gòu)的非線性有限元模型，得出了在兩種不同的密封圈結(jié)構(gòu)下密封溝槽中的接觸應(yīng)力，Von－Mises應(yīng)力與工作流體壓力之間的關(guān)系，對(duì)比分析兩種計(jì)算結(jié)果確定了自動(dòng)振打除灰裝置活塞與活塞桿處合適的密封結(jié)構(gòu).

機(jī)械振打器；Y型圈；X型圈；CAE；接觸應(yīng)力

0 引 言

自動(dòng)振打除灰裝置運(yùn)用聲固耦合的原理能夠有效的解決石化行業(yè)，電力行業(yè)的高溫高壓爐體內(nèi)壁積灰問題.由于其內(nèi)部的活塞與活塞套管之間的密封結(jié)構(gòu)直接決定了自動(dòng)振打除灰裝置內(nèi)外密封的優(yōu)劣性，故對(duì)活塞與活塞套管之間的密封結(jié)構(gòu)形式的選擇尤為關(guān)鍵.由于自動(dòng)振打除灰裝置活塞處的特殊工況，此密封結(jié)構(gòu)需要承受雙邊壓力，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)承受單邊壓力的密封元件研究甚多，但是對(duì)承受雙邊壓力的異形密封元件的理論分析較少.筆者依據(jù)自動(dòng)振打除灰裝置的實(shí)際工況，擬選用雙Y密封結(jié)構(gòu)和X型圈密封結(jié)構(gòu)作為活塞與活塞套管之間的密封結(jié)構(gòu)形式.運(yùn)用有限元軟件對(duì)這兩種密封結(jié)構(gòu)的性能作對(duì)比分析.得出活塞與活塞套管之間合理的的密封結(jié)構(gòu)形式.

1 有限元模型的建立

1.1 幾何模型

自動(dòng)振打除灰裝置活塞處的工況：設(shè)計(jì)壓力為3.5 MPa，設(shè)計(jì)溫度為225℃.活塞的直徑為80 mm.依照HG4－335－66標(biāo)準(zhǔn)，選用Y型圈的尺寸為內(nèi)徑×外徑×高度＝65×85×10［1－3］.依照美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，選用X型圈的尺寸為內(nèi)徑×寬度＝65×7.兩種密封結(jié)構(gòu)的幾何模型及其材料參數(shù)如圖1和表1所示.

圖1 X型圈密封裝置幾何模型Fig.1 The geometrical model of sealing device about X－ring

圖2 雙Y密封結(jié)構(gòu)幾何模型Fig.2 The geometrical model of sealing device about double－Y－ring

表1 活塞與活塞桿的材料屬性Table1 The Material Properties of piston and rod

1.2 計(jì)算模型

Y型圈是一種典型的唇形密封圈，無(wú)內(nèi)壓時(shí)僅有很小的接觸應(yīng)力，隨著內(nèi)壓的增加，Y型圈依靠其與密封面接觸逐漸變寬的雙唇產(chǎn)生的自封作用，達(dá)到一個(gè)良好的密封效果.密封雙向流體時(shí)需要成對(duì)使用；X型圈（又稱星形圈）是一種自緊密封性的雙作用密封元件［4－5］.由于其飛邊位置在截面的凹處，且在密封唇之間能形成潤(rùn)滑容腔.依靠密封流體的擠壓，也能產(chǎn)生良好的密封效果.因?yàn)檫@兩種計(jì)算模型表現(xiàn)出很強(qiáng)的幾何非線性和材料非線性.對(duì)于超彈性體而言，其本構(gòu)方程表述為

其中Sij為Piola－Kirchhoff應(yīng)力，W為應(yīng)變能密度，Eij為格林應(yīng)變張量分量.

使用常用的Mooney－Rivlin模型對(duì)雙Y密封結(jié)構(gòu)和X型圈密封結(jié)構(gòu)做有限元分析［6］.其應(yīng)變能函數(shù)模型表述為

式中Cij，N，dk為Mooney常數(shù)，J取為1（不可壓縮材料）.上式的二項(xiàng)三階展開表達(dá)式為

1.3 有限元實(shí)體模型

由于自動(dòng)振打除灰裝置活塞與活塞套管處結(jié)構(gòu)的軸對(duì)稱性，故可采用二維平面的軸對(duì)稱模型來(lái)模擬三維結(jié)構(gòu).Y型圈和X型圈采用八節(jié)點(diǎn)超彈性單元PLANE183模擬［7－10］，活塞及活塞導(dǎo)筒采用八節(jié)點(diǎn)線性實(shí)體單元PLANE82模擬.二者的二維軸對(duì)稱實(shí)體模型如圖3和圖4所示.因?yàn)榛钊盎钊坠芟鄬?duì)于X型圈和Y型圈而言是剛性的，所以認(rèn)為活塞及活塞套管是此兩種密封元件變形時(shí)的約束邊界.求解時(shí)，在活塞套管上定義一個(gè)豎直方向的位移Uy＝－0.4，并對(duì)水平方向進(jìn)行約束Ux＝0.在密封結(jié)構(gòu)的左側(cè)逐漸施加壓力到3.5 MPa，右側(cè)逐漸施加壓力到4 MPa.模擬自動(dòng)振打除灰裝置活塞與活塞套管處的實(shí)際工況［11－16］.

圖3 X型圈密封裝置有限元模型Fig.3 The finite element model of sealing device about X－ring

圖4 雙Y密封結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.4 The finite element model of sealing device about double－Y－ring

2 計(jì)算結(jié)果及分析

在密封流體的作用下，Y型圈依靠其張開的雙唇產(chǎn)生自封作用，X型圈依靠其本身變形的回彈力.都能產(chǎn)生較大的接觸應(yīng)力，并能達(dá)到良好的密封效果.筆者主要通過對(duì)比兩種密封結(jié)構(gòu)中密封面間的最大接觸應(yīng)力及Von－Mises應(yīng)力的影響，并通過位移矢量來(lái)分析得到自動(dòng)振打除灰裝置活塞與活塞套管處合適的密封結(jié)構(gòu)形式.

2.1 密封面間最大接觸應(yīng)力

如圖5所示（以工作流體側(cè)的壓力為準(zhǔn)，右側(cè)氮?dú)饷芊鈮毫κ冀K高于工作流體側(cè)壓力0.5 MPa），在不同的雙邊流體作用下，雙Y密封結(jié)構(gòu)和X型圈密封結(jié)構(gòu)的最大接觸應(yīng)力始終大于流體的壓力.隨著雙邊密封流體壓力的對(duì)應(yīng)增加，密封結(jié)構(gòu)的最大接觸應(yīng)力也同時(shí)增加.二者均能滿足密封要求（PM均表示最大接觸應(yīng)力，PL均表示工作流體壓力）.

圖5 工作流體壓力與最大接觸應(yīng)力的關(guān)系Fig.5 Relationship between working sealed fluid pressure and maximum contact stress

圖6表示的是安裝狀態(tài)下（左右均無(wú)流壓）雙Y密封結(jié)構(gòu)的接觸應(yīng)力云圖；圖7表示在實(shí)際工況下（左側(cè)工作流體的壓力均為3.5 MPa，右側(cè)氮?dú)饷芊鈮毫_(dá)到4 MPa）又Y密封結(jié)構(gòu)的接觸應(yīng)力云圖.由此兩圖可知，工況下的雙Y密封結(jié)構(gòu)與初始安裝狀態(tài)相比，上下唇的壓力分布比較均勻；接觸應(yīng)力峰值相對(duì)變化明顯；因?yàn)樗xY型圈的幾何非線性，上唇較下唇短，上唇唇表面與活塞套管的接觸面積較少，所以上唇出現(xiàn)了雙峰值.

圖6 初始安裝狀態(tài)下雙Y密封結(jié)構(gòu)的接觸應(yīng)力分布Fig.6 Contact stress distribution of sealing structure of double－Y at the condition of initial installation

圖8表示的是安裝狀態(tài)下（左右均無(wú)流壓）X型圈密封結(jié)構(gòu)的接觸應(yīng)力云圖；圖9表示在實(shí)際工況下（左側(cè)工作流體的壓力均為3.5 MPa，右側(cè)氮?dú)饷芊鈮毫_(dá)到4 MPa）X型圈密封結(jié)構(gòu)的接觸應(yīng)力云圖.由兩圖可知，X型圈密封結(jié)構(gòu)在這兩種情況下，X型圈右半部分承受的接觸應(yīng)力較大.安裝時(shí)是由于初始的預(yù)緊產(chǎn)生的側(cè)移造成的的，在實(shí)際工況下是由于預(yù)緊和兩端壓差的共同作用產(chǎn)生的；在實(shí)際工況下的X型圈密封結(jié)構(gòu)與初始安裝狀態(tài)相比，接觸壓力分布更加均勻，接觸應(yīng)力峰值相變化明顯.

圖8 初始安裝狀態(tài)下X型圈密封結(jié)構(gòu)的接觸應(yīng)力分布Fig.8 Contact stress distribution of sealing structure of quad ring at the initial installing condition

對(duì)比圖7和圖9，實(shí)際工況下雙Y密封結(jié)構(gòu)的最大接觸應(yīng)力達(dá)到7.153 MPa，X型圈密封結(jié)構(gòu)的密封面間的最大接觸應(yīng)力達(dá)到5.75 MPa.皆在密封要求之內(nèi)，但雙Y密封結(jié)構(gòu)的接觸應(yīng)力分布更廣且勻稱.

2.2 Von－mises應(yīng)力

圖10表示的是工作流體壓力與Von－mises應(yīng)力峰值的關(guān)系，由圖可知，隨著工作流體壓力的增大，2種密封結(jié)構(gòu)的Von－mises應(yīng)力都是增加的，但是2種密封結(jié)構(gòu)的Von－Mises應(yīng)力差值卻是隨之減小的（PV均表示最大Von－Mises應(yīng)力）.

圖10 工作流體壓力與最大Von－mises應(yīng)力的關(guān)系Fig.10 Relationship between working sealed fluid pressure and maximum Von－mises stress注：

如圖11和圖12所示，在實(shí)際工況下（工作流體壓力值為3.5 MPa）兩種密封結(jié)構(gòu)的Von－Mises應(yīng)力云圖.，由于Von－mises應(yīng)力反映的是密封圈材料截面上主應(yīng)力差值的大小.其值越大，密封件越易產(chǎn)生裂紋，咬傷，松弛等降低密封元件壽命的情況.圖示中X型圈的Von－mises峰值為4.968 MPa，而Y型圈的Von－mises峰值為4.89 MPa，為了保證密封件的使用壽命，在滿足密封的條件下，應(yīng)優(yōu)先選擇應(yīng)力小的密封結(jié)構(gòu).

圖11 工作流體壓力為3.5 MPa時(shí)Y型圈的Von－Mises應(yīng)力分布Fig.11 Von－Mises stress distribution of sealing structure of double－Y at the working fluid pressure of 3.5 MPa

圖12 工作流體壓力為3.5 MPa時(shí)X型圈密封結(jié)構(gòu)的Von－Mises應(yīng)力分布Fig.12 Von－Mises stress distribution of sealing structure of quad ring at the working fluid pressure of 3.5 MPa

2.3 工況下變形后與變形前的形狀對(duì)比

如圖13和圖14所示，雙Y密封結(jié)構(gòu)中Y型圈的變形較為勻稱，單邊變形較小.且變形主要集中在上下唇；X型圈的變形主要集中在圈體的右半部分，且其變形較大.而左半部分變形甚微.

圖13 工作流體壓力為3.5 MPa時(shí)X型圈變形與初始狀態(tài)的形狀對(duì)比Fig.13 The comparison about shape of deformation of sealing structure of quad ring at the working fluid pressure of 3.5 MPa and the initial installing condition

圖14 工作流體壓力為3.5 MPa時(shí)Y型圈變形與初始狀態(tài)的形狀對(duì)比Fig.14 The comparison about shape of deformation of sealing structure of double－Y－ring at the working fluid pressure of 3.5 MPa and the initial installing condition

3 結(jié) 語(yǔ)

a.在自動(dòng)振打除灰裝置設(shè)計(jì)壓力內(nèi)，隨著工作流體和氮?dú)饷芊鈮毫Φ南鄳?yīng)增大，兩密封結(jié)構(gòu)的接觸應(yīng)力也隨之增大.兩密封結(jié)構(gòu)的最大接觸應(yīng)力均大于雙邊的流壓，均能滿足密封要求

b.在自動(dòng)振打除灰裝置設(shè)計(jì)壓力內(nèi)，相同的雙邊流壓狀態(tài)時(shí)，雙Y密封結(jié)構(gòu)的中的Y型圈上產(chǎn)生的Von－Mises應(yīng)力峰值始終較X型圈密封結(jié)構(gòu)中的X型圈上產(chǎn)生的Von－Mises應(yīng)力峰值小，隨著雙邊流壓的相應(yīng)增加，兩密封結(jié)構(gòu)的Von－Mises應(yīng)力皆隨之增加，但兩者的差值隨著雙邊流壓的增加而減小.

c.在實(shí)際工況下，雙Y密封結(jié)構(gòu)中Y型圈的變形相對(duì)X型圈密封結(jié)構(gòu)中X型圈的變形要?jiǎng)蚍Q，單邊變化小，變形區(qū)域小.

d.在實(shí)際工況下雙Y密封結(jié)構(gòu)和X型圈密封結(jié)構(gòu)均能滿足自動(dòng)振打除灰裝置活塞與活塞桿處的密封要求，但是X型圈密封結(jié)構(gòu)相對(duì)雙Y密封結(jié)構(gòu)而言，其密封元件的更易損壞.故自動(dòng)振打除灰裝置活塞與活塞桿處優(yōu)先選用雙Y密封結(jié)構(gòu).

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Comparative analysis and selection for sealing structure between piston and rod of rapping device

CHEN Yi－wen，YU Jiu－yang，XIE Hong－bo，ZHENG Xiao－tao，NIE Si－h(huán)ao
（1.School of Mechanial and Electrical Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430074，China；
2.Sinopec Sales Co.，LTD，Central China Branch，Wuhan 430022，China）

To explore the reliable sealing performances of the piston of rapping device under working condition，we should choose appropriate seal－ring.The CAE software was employed to build nonlinear finite element model of Double－Y and X－ring sealing structure.Under sealing groove of the piston of rapping device respectively，the relationship between contact stress and pressure of sealed fluid and the connection between.Von－Mises stress and pressure of sealed fluid in the sealing groove under two different kinds of leakproof structure are approached.Comparison of the two Calculation results is helpfull to determine the proper sealing structure between the piston and rod of rapping device.

Rapping device；quad－ring；Y－ring；CAE；contact stress

陳小平

TB42

A

10.3969／j.issn.1674－2869.2011.10.019

16742869（2011）10008105

20110810

陳以文（1988），男，湖北黃岡人，碩士研究生.研究方向：化工機(jī)械.

指導(dǎo)老師：喻九陽(yáng)，男，教授，碩士，碩士研究生導(dǎo)師.研究方向：高效節(jié)能技術(shù).＊通信聯(lián)系人