郭建章 王燁塵

(青島科技大學(xué) 山東青島 266100)

0 引言

超臨界流體萃取技術(shù)具有節(jié)能、安全、高效等諸多優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)如今在食品、香料、油脂萃取等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。超臨界流體萃取過(guò)程在高壓環(huán)境下進(jìn)行，故需要選用合適的密封形式來(lái)保證裝置的密封性。溫皓白[1]設(shè)計(jì)了一套高壓往復(fù)動(dòng)密封設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，并通過(guò)ANSYS軟件對(duì)O型圈密封過(guò)程進(jìn)行模擬，驗(yàn)證了O型圈的密封可靠性。何廣德等[2]論述了矩形密封圈的密封機(jī)理，并通過(guò)有限元分析技術(shù)，驗(yàn)證了矩形密封圈的密封可靠性。

仿生學(xué)理論對(duì)減小物體間的摩擦阻力、增加耐磨性和提高能源的利用率等方面具有重要作用。JIANG等[3]設(shè)計(jì)了一系列基于鳥(niǎo)翼的密封溝槽，利用有限差分法研究了仿生溝槽干氣密封的靜密封性能，結(jié)果表明在高速低壓條件下，仿生團(tuán)螺旋槽比普通螺旋槽具有更高的薄膜剛度和更低的泄漏率。GU等[4-6]為了解決氣動(dòng)滅火炮的發(fā)射過(guò)程中的密封問(wèn)題，基于仿生學(xué)理論，建立了仿生凹坑密封圈模型，對(duì)其進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)了具有凹坑特征的密封圈對(duì)滅火炮的密封性能沒(méi)有負(fù)面影響。趙建英[7]、許國(guó)玉等[8]建立了一種以三角形方式排布的仿生凹坑密封圈模型，并對(duì)其密封性能和減阻特性進(jìn)行模擬，證明了仿生凹坑密封圈相對(duì)無(wú)凹坑光滑密封圈的減阻能力有很大提升。趙軍[9]將動(dòng)物表面信息抽象，建立了仿生非光滑表面模型，計(jì)算了多個(gè)速度下非光滑表面的減阻效果并對(duì)其機(jī)理進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，仿生非光滑表面具有顯著的減阻效果。

本文以超臨界流體萃取裝置中的料倉(cāng)密封圈為研究對(duì)象，以龍虱科昆蟲(chóng)凹坑型非光滑體表結(jié)構(gòu)為仿生原型，建立具有仿生凹坑特征的密封圈模型，對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬，分析仿生凹坑對(duì)密封圈密封性能及耐磨性的影響。

1 料倉(cāng)密封圈的仿真模型

圖1所示為超臨界流體萃取設(shè)備中一個(gè)獨(dú)立料倉(cāng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

經(jīng)簡(jiǎn)化，建立料倉(cāng)密封圈仿真模型，由缸體、料倉(cāng)壁及密封圈組成，如圖2所示。根據(jù)仿生非光滑表面形貌，結(jié)合密封理論，采用半球形凹坑結(jié)構(gòu)的橡膠密封圈。

圖1 料倉(cāng)整體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 料倉(cāng)密封簡(jiǎn)化模型

1.1 模型參數(shù)

根據(jù)已知料倉(cāng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用外徑為250 mm，內(nèi)徑為237 mm，厚度為6.73 mm的矩形橡膠密封圈。仿生凹坑分布方式如圖3所示，密封圈一周共有兩排90個(gè)凹坑均勻分布，每個(gè)凹坑對(duì)應(yīng)圓心角為4°，為計(jì)算方便同時(shí)不影響計(jì)算結(jié)果，本文截取8°為一個(gè)單元進(jìn)行分析研究。凹坑直徑參數(shù)分別為1.0mm，1.5 mm，2.0 mm，2.5 mm，凹坑間距參數(shù)分別為3 mm，3.3 mm，3.6 mm。

圖3 仿生凹坑分布特征

1.2 建立有限元模型

如圖4所示為料倉(cāng)密封圈的有限元模型，為簡(jiǎn)化計(jì)算，采用軸對(duì)稱模型，由于缸體和料倉(cāng)壁相對(duì)密封圈的變形較小，可設(shè)置為剛體。

料倉(cāng)密封圈材料本構(gòu)模型選用Mooney-Rivlin模型[10]，本文使用的C10、C01分別為2.35 MPa和0.58 MPa。材料的不可壓縮參數(shù)D1取0，即僅發(fā)生彈性變形。

圖4 矩形密封圈有限元模型

1.3 設(shè)置邊界條件

為了確定密封圈的安裝預(yù)壓縮量，在密封圈安裝狀態(tài)下，料倉(cāng)壁固定不動(dòng)，對(duì)缸體施加向下的位移約束，壓縮密封圈，其他方向位移為0。缸體向下的位移量為密封圈的壓縮率，從0%運(yùn)動(dòng)至16%，取密封圈與缸體料倉(cāng)壁間摩擦力為0.2。

2 密封性能研究方法

通過(guò)改變密封圈壓縮率，觀察仿生凹坑非光滑橡膠密封圈受壓時(shí)產(chǎn)生的接觸壓力，是否能達(dá)到介質(zhì)工作壓力8 MPa，滿足密封需要，以確定橡膠密封圈的安裝壓縮量。密封失效的準(zhǔn)則為[11]：

(σx)max≥p

由于凹坑單元改變了原本密封圈的表面特征，減小了實(shí)際的接觸面積。因此，通過(guò)改變凹坑直徑和凹坑間距，研究凹坑直徑和凹坑間距對(duì)密封性能的影響。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 不同凹坑直徑對(duì)密封圈性能的影響

對(duì)仿生凹坑非光滑密封圈的壓縮過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到不同壓縮率下不同凹坑直徑模型最大接觸應(yīng)力變化曲線，如圖5所示。

圖5 不同凹坑直徑模型最大接觸應(yīng)力

由圖5可知，各模型在壓縮率增大的同時(shí)，接觸應(yīng)力都在增大，當(dāng)壓縮率在0%到10%過(guò)程中增長(zhǎng)較緩慢，呈線性趨勢(shì)；12%到16%過(guò)程中增長(zhǎng)較迅速，呈非線性趨勢(shì)，使模型產(chǎn)生了極大的應(yīng)力變化，橡膠密封圈正是考慮了橡膠的大變形和小變形規(guī)律，一般的密封問(wèn)題都是在橡膠密封圈小變形范圍內(nèi)進(jìn)行研究的[7]。在壓縮率從0%到10%時(shí)，各模型均不能達(dá)到密封要求；在壓縮率為12%時(shí)，各模型接觸壓力均大于工作介質(zhì)的壓力8 MPa，滿足料倉(cāng)工作的密封要求，且有凹坑模型接觸應(yīng)力比無(wú)凹坑模型更高，具有更好的密封性能，其中φ1.0 mm凹坑模型具有最高的接觸壓力，密封性能最好。

圖6所示為不同壓縮率下不同凹坑直徑模型最大Von-Mises等效應(yīng)力變化曲線，由圖可知，隨著壓縮率的增大，各模型Von-Mises等效應(yīng)力也會(huì)增大，Von-Mises等效應(yīng)力值越大，表明密封圈越容易磨損，當(dāng)各模型達(dá)到密封要求時(shí)，有凹坑模型的Von-Mises等效應(yīng)力比無(wú)凹坑模型更大，表明有凹坑的密封圈耐磨性較差，有凹坑模型中φ2.0 mm凹坑模型Von-Mises等效應(yīng)力最小，耐磨性最好。

圖6 不同凹坑直徑模型最大Von-Mises等效應(yīng)力

圖7所示為壓縮率為12%時(shí)不同凹坑直徑模型Von-Mises等效應(yīng)力分布情況，由圖可知無(wú)凹坑模型的Von-Mises等效應(yīng)力呈對(duì)稱分布，中間部分最小，兩側(cè)最大，應(yīng)力分布較為均勻。有凹坑模型的Von-Mises等效應(yīng)力分布則發(fā)生了較大改變，在凹坑的邊緣產(chǎn)生了一定的應(yīng)力集中，不過(guò)對(duì)密封圈性能并沒(méi)有太大影響。觀察密封圈的變形情況，發(fā)現(xiàn)φ2.5 mm凹坑模型邊緣有較大變形，已有損壞的趨勢(shì)，由此，凹坑直徑的選擇不宜過(guò)大。

(a)無(wú)凹坑模型 (b)φ1.0 mm凹坑模型

(c)φ1.5 mm凹坑模型 (d)φ2.0 mm凹坑模型

(e)φ2.5 mm凹坑模型

3.2 不同凹坑間距對(duì)密封圈性能的影響

對(duì)仿生凹坑非光滑密封圈進(jìn)行壓縮數(shù)值模擬，得到不同壓縮率下，相同凹坑直徑(φ2.0 mm)下不同凹坑間距模型最大接觸應(yīng)力變化曲線，如圖8所示。

圖8 不同凹坑間距模型最大接觸壓力

如圖8所示，各模型隨著壓縮率增大，接觸壓力也在增大，當(dāng)壓縮率從0%到12%過(guò)程中增長(zhǎng)呈線性趨勢(shì)，12%到16%過(guò)程中增長(zhǎng)呈非線性趨勢(shì)；當(dāng)壓縮率為12%時(shí)，各模型接觸壓力均大于8 MPa，達(dá)到密封要求，其中凹坑間距為3.6 mm時(shí)接觸壓力最大，密封性能最好。

圖9所示為不同壓縮率下不同凹坑間距模型最大Von-Mises等效應(yīng)力變化曲線，由圖可知，隨著壓縮率的增大，各模型Von-Mises等效應(yīng)力也在增大。當(dāng)壓縮率為16%時(shí)，凹坑間距3.0 mm模型具有最小的Von-Mises等效應(yīng)力，耐磨性最好，比無(wú)凹坑模型耐磨性提高了18%。

圖9 不同凹坑間距模型最大Von-Mises等效應(yīng)力

4 結(jié)論

(1)當(dāng)密封圈模型壓縮率從0%至12%時(shí)，接觸壓力和Von-Mises等效應(yīng)力變化呈線性趨勢(shì)，當(dāng)壓縮率由12%到16%時(shí)，變化呈非線性趨勢(shì)；當(dāng)壓縮率為12%時(shí)，密封圈兩側(cè)的接觸應(yīng)力值大于8 MPa，各模型均滿足密封要求。因此，仿生凹坑的存在對(duì)密封圈的密封性能沒(méi)有負(fù)面影響。

(2)當(dāng)壓縮率為12%時(shí)，觀察最大Von-Mises等效應(yīng)力變化曲線，凹坑直徑為2.0 mm，凹坑間距為3.0 mm的仿生凹坑非光滑表面密封圈模型具有最小的Von-Mises等效應(yīng)力，耐磨性最好，比無(wú)凹坑模型耐磨性提高了18%。因此，合理的凹坑排布對(duì)密封圈的耐磨性有一定提高。