武國(guó)義 廖延章 李長(zhǎng)禧 廖東太

(1.天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司；2.福建省三明雙輪化工機(jī)械有限公司)

硫化罐連接密封結(jié)構(gòu)的可靠性分析①

武國(guó)義1廖延章2李長(zhǎng)禧1廖東太1

(1.天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司；2.福建省三明雙輪化工機(jī)械有限公司)

利用Ansys Workbench分析軟件對(duì)硫化罐連接處卡箍結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析，同時(shí)對(duì)橡膠密封圈進(jìn)行變形分析，確保硫化罐連接處強(qiáng)度和密封性能可靠。

硫化罐 卡箍 橡膠密封圈 接觸強(qiáng)度 變形

硫化罐是橡膠制品生產(chǎn)中的重要設(shè)備，橡膠在罐內(nèi)一定溫度和壓力下硫化，因?yàn)楣に嚿闲枰l繁的開(kāi)啟和關(guān)閉，所以經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，其結(jié)構(gòu)形式由螺栓上緊式逐漸演變?yōu)榭扉_(kāi)式?？扉_(kāi)式結(jié)構(gòu)只需通過(guò)旋轉(zhuǎn)端蓋與鎖緊件相對(duì)角度啟閉罐體，省時(shí)省力，易于通過(guò)液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操作。針對(duì)快開(kāi)的鎖緊結(jié)構(gòu)又可分為兩件式連接和三件式連接，本文討論的設(shè)備選用三件式連接，通過(guò)旋轉(zhuǎn)活動(dòng)齒圈開(kāi)啟罐蓋，避免了旋轉(zhuǎn)罐蓋和密封圈直接摩擦，從而降低密封圈的磨損。密封結(jié)構(gòu)則采用自緊式密封，通過(guò)設(shè)備內(nèi)壓作用在密封圈上，使密封圈與上下法蘭緊密接觸從而達(dá)到阻止泄漏的效果。筆者通過(guò)Ansys Workbench軟件對(duì)卡箍連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度分析和疲勞分析，對(duì)橡膠密封圈進(jìn)行了變形分析，從而保證設(shè)備結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)合理。

1 硫化罐連接密封結(jié)構(gòu)

硫化罐設(shè)計(jì)壓力1.738MPa，循環(huán)載荷0.00～1.58MPa，循環(huán)次數(shù)29 200次，設(shè)計(jì)溫度200℃；筒體和封頭材料為Q345R，筒體法蘭和活動(dòng)齒圈材料為16MnII鍛件；密封橡膠圈材料為邵氏硬度HA74的耐熱硅橡膠；介質(zhì)為水蒸氣。

筒體平蓋、筒體法蘭與活動(dòng)齒圈的連接(圖1)屬于非線性接觸，同時(shí)設(shè)備承受循環(huán)載荷需要疲勞分析，超出常規(guī)分析范疇，故采用有限元法，按JB 4732-1995對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行應(yīng)力和疲勞評(píng)定。橡膠材料的應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系是非線性關(guān)系，工作狀態(tài)中的大變形以及與上下結(jié)構(gòu)的接觸都會(huì)引起結(jié)構(gòu)的非線性響應(yīng)，故同樣采用有限元法來(lái)分析密封結(jié)構(gòu)(圖2)的可靠性。

圖1 平蓋、法蘭和齒圈連接結(jié)構(gòu)

圖2 橡膠墊片密封結(jié)構(gòu)

2 連接結(jié)構(gòu)的接觸強(qiáng)度分析

2.1 有限元分析模型

根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選取1/12結(jié)構(gòu)作為有限

元分析模型，Workbench默認(rèn)實(shí)體單元類型選擇Solid186和Solid187，接觸對(duì)單元類型選擇為Conta174和Targe170。模型邊界條件載荷以及接觸區(qū)域分別如圖3、4所示。

圖3 邊界條件和載荷

圖4 接觸區(qū)域

2.2 結(jié)果分析

應(yīng)力云圖如圖5所示，圖中顯示筒體平蓋與齒圈接觸部分的應(yīng)力水平較高，其余部位應(yīng)力水平低，為保證結(jié)構(gòu)的合理性，應(yīng)對(duì)高應(yīng)力區(qū)進(jìn)行線性化路徑處理和疲勞分析，分析接觸面表面壓力大小以及查看密封結(jié)構(gòu)處的變形量。

圖5 應(yīng)力云圖

2.2.1 應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定

應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定分析路徑如圖6所示，本結(jié)構(gòu)筒體平蓋和齒圈接觸部位沒(méi)有受到徑向和轉(zhuǎn)角位移限制，故將此結(jié)構(gòu)視為一次結(jié)構(gòu)，應(yīng)力評(píng)定結(jié)果見(jiàn)表1。本設(shè)備原有結(jié)構(gòu)平蓋上加12片筋板增加強(qiáng)度，但經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，增加筋板對(duì)分析部位應(yīng)力水平影響較小，不增加筋板結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度安全要求，故在設(shè)備設(shè)計(jì)中平蓋上未增加筋板。

圖6 應(yīng)力分析路徑

應(yīng)力分類強(qiáng)度校核評(píng)定結(jié)果局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度SⅡ=92．8<1．5Smt=240MPa通過(guò)一次薄膜+一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度SⅢ=218<1．5Smt=240MPa通過(guò)

2.2.2 疲勞強(qiáng)度評(píng)定

本設(shè)備承受0～1.738MPa的脈動(dòng)載荷，設(shè)計(jì)疲勞曲線采用JB 4732-95中圖C-1極限抗拉強(qiáng)度不大于552MPa的曲線。疲勞分析結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大點(diǎn)許用循環(huán)次數(shù)為85 735次，大于設(shè)計(jì)循環(huán)次數(shù)29 200次，疲勞強(qiáng)度合格。

2.2.3 最大接觸壓力

經(jīng)過(guò)分析，筒體平蓋與齒圈接觸部位接觸壓力最大，為419MPa，所選材料的許用接觸應(yīng)力470MPa。實(shí)際接觸壓力小于材料許用接觸壓力，不會(huì)對(duì)材料表面造成破壞。

2.2.4 密封部位變形量

圖7中A線和B線是橡膠墊片接觸密封區(qū)域，平蓋和下法蘭的受力變形會(huì)造成密封區(qū)域的間隙增加，提取A線和B線的最大變形位移分別為0.61mm和0.18mm，故在下文中分析橡膠變形時(shí)將間隙由3mm改為4mm進(jìn)行建模分析。

圖7 密封接觸部位A線和B線位置

3 橡膠密封圈變形分析

本設(shè)備所選密封圈結(jié)構(gòu)特殊，通過(guò)計(jì)算密封橡膠的變形以及與上下法蘭的接觸進(jìn)而優(yōu)化密封槽結(jié)構(gòu)。

3.1 橡膠材料的力學(xué)性能和本構(gòu)關(guān)系

根據(jù)硫化罐工作環(huán)境溫度和密封圈抗硫化性能要求，密封圈選用硅橡膠材料，其力學(xué)性能如下：

邵氏硬度 HA74

伸長(zhǎng)率 680%

拉伸強(qiáng)度 11.5MPa

耐壓縮形變 12%

摩擦系數(shù) 0.75

撕裂強(qiáng)度 45kN/m

使用溫度范圍 -100～300℃

本構(gòu)模型選擇Mooney-Rivlin模型：

W(I1,I2)=C10(I1-3)+C01(I2-3)

其中，W(I1,I2)為應(yīng)變能密度函數(shù)，C10、C01為材料常數(shù)，I1、I2分別為應(yīng)變張量的第1、第2不變量。根據(jù)文獻(xiàn)[1]，邵氏硬度HA74的橡膠材料對(duì)應(yīng)的C10和C01分別為1.099MPa和0.022MPa。

3.2 有限元分析模型

根據(jù)結(jié)構(gòu)特性，視平蓋和下法蘭部位為剛性構(gòu)件，建立二維軸對(duì)稱模型(圖8)，單元類型為Plane183，接觸單元和目標(biāo)單元分別Conta172和Targe169。載荷狀況分預(yù)壓縮狀態(tài)和操作狀態(tài)，分兩步施加載荷，第1步在上構(gòu)件施加沿Y軸負(fù)方向位移3mm，第2步在上構(gòu)件施加沿Y軸正方向位移1mm，在橡膠件壓力側(cè)施加1.738MPa壓力。接觸區(qū)域如圖8所示，橡膠與凹槽及上平蓋接觸類型選擇為摩擦接觸。

圖8 接觸區(qū)域示意圖

3.3 分析結(jié)果

共進(jìn)行了233次力收斂控制迭代計(jì)算，說(shuō)明非線性問(wèn)題的難收斂性。圖9顯示是預(yù)緊狀態(tài)下橡膠密封圈的變形結(jié)果，圖10為操作狀態(tài)下橡膠密封圈的變形結(jié)果。

圖9 預(yù)緊狀態(tài)下密封圈變形示意圖

圖10 操作狀態(tài)下密封圈變形示意圖

3.3.1 密封失效準(zhǔn)則

根據(jù)密封理論，實(shí)現(xiàn)可靠密封的充要條件是密封圈與凹槽、封蓋連接界面上的接觸應(yīng)力不小于被密封壓力，模擬得出橡膠圈與平蓋接觸壓力最大值為1.97MPa，橡膠圈與凹槽接觸壓力最大值為3.26MPa，均大于工作壓力(1.58MPa)，滿足判定條件，密封結(jié)構(gòu)可靠。

3.3.2 密封結(jié)構(gòu)凹槽和間隙的優(yōu)化設(shè)計(jì)

考慮到過(guò)小的上、下法蘭間隙不利于硫化罐蓋體的組裝，應(yīng)盡可能增大法蘭密封間隙。但密封間隙太大會(huì)導(dǎo)致密封圈擠出凹槽，故綜合考慮在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)上、下法蘭間隙選擇3mm，由上文計(jì)算得知上、下法蘭密封面有0.79mm的變形量，故在橡膠圈密封結(jié)構(gòu)分析模型中取間隙為4mm。

考慮到凹槽邊沿直角的剪切作用會(huì)影響橡膠密封圈的壽命，故對(duì)凹槽邊沿進(jìn)行倒角處理，倒角半徑為2.5mm，模擬凹槽倒角處理后橡膠密封圈最大剪切應(yīng)力值為2.71MPa，小于橡膠材料的抗剪切強(qiáng)度4.60MPa[2]，故不會(huì)對(duì)橡膠密封圈造成剪切破壞。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用有限元方法對(duì)硫化罐連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更安全、合理、經(jīng)濟(jì)；對(duì)密封結(jié)構(gòu)的分析，使研究人員對(duì)橡膠密封圈在凹槽中的變形有更直觀的認(rèn)識(shí)，有利于解決泄漏問(wèn)題。本設(shè)備設(shè)計(jì)方案已交付用戶使用，效果良好。

[1] 胡殿印，王榮橋，任全彬，等．橡膠O形圈密封結(jié)構(gòu)的有限元分析[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，31(2):255～260.

[2] 吳廣平，宋筆鋒，崔衛(wèi)民．O形圈剪切破壞的可靠性分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009，(8):125～127.

AnalysisofSealingStructureReliabilityforVulcanizingTankConnection

WU Guo-yi1, LIAO Yan-zhang1, LI Chang-xi1, LIAO Dong-tai1

(1.TianhuaChemicalMachineryandAutomationInstituteCo.,Ltd.; 2.FujianSanmingDouble-WheelChemicalMachineryCo.,Ltd.)

Making use of Ansys Workbench to analyze the clamp strength at vulcanizing tank connection was implemented, including deformation analysis of the rubber seal ring to ensure reliable connection strength and sealing performance.

vulcanizing tank, clamp, rubber sealing ring, contact strength, deformation

武國(guó)義(1983-)，工程師，從事壓力容器設(shè)計(jì)工作，thkjwgy@126.com。

TQ051.3

A

0254-6094(2017)01-0093-04

2016-01-28，

2016-12-26)