结构设计与仿生密封圈的密封性能分析

文摘

为了减少失败的概率在往复动态密封橡胶密封圈,密封圈的新结构基于仿生学的设计。仿生环有三个凹和凸脊隆起两侧非常类似于蚯蚓。凸起圆设计和密封性能的仿生环静密封和动密封被有限元模拟。此外,预加压力的影响,中等压力、速度、摩擦系数和材料参数对密封性能进行了讨论。结果表明:•冯•米塞斯应力仿生密封圈分布对称的没有压力静态密封。最大·冯·米塞斯应力出现在第二个隆起的内在的一面。高接触应力集中于凸起。•冯•米塞斯应力分布变得不均匀的介质压力。•冯•米塞斯应力和接触应力增加预加压力时,介质压力,和橡胶硬度增加静态密封。仿生环可以避免在往复轧制和变形动态密封,和它的使用寿命比o形环和矩形环长得多。 The maximum von Mises stress and contact stress increase with the precompression, medium pressure, rubber hardness, and friction coefficient in reciprocating dynamic seal.

1。介绍

密封性能的一个关键的质量指标估计机械的属性。密封圈的密封失败,主要是由于失败,不仅工作效率低,还会导致过早损坏机械。更糟糕的是,它可能会引起火灾,爆炸,等等。例如,挑战者号航天飞机爆炸,因为差距(10毫米)密封环和刚体之间出现在1986年,导致高温气体的泄漏1]。同年,在乌克兰切尔诺贝利灾难导致大约4亿人受到核辐射的影响从反应堆泄漏(2]。

橡胶密封圈被广泛应用于机械、石油工业、航空航天等领域良好的密封性能和低成本。普遍的密封环包括o形环,矩形环,X-ring。一般来说,它们可以用于静态密封、往复式密封和旋转密封。然而,这些密封圈在动态密封也有自身的缺陷。例如,o形环容易滚动和扭曲在往复动态密封,这些缺陷可能会导致介质的泄漏。虽然在许多动态X-ring可以代替o形环可靠地密封条件下,容易产生疲劳破坏。矩形环通常只用在静态密封主要是因为高摩擦引起的密封环和机器之间的交互的脸。除此之外,很难矩形环释放的热量将聚集在动态密封过程和热会损坏密封能力。因此,有必要开发一种优化密封圈antidrag的能力和动态密封性能更好。

仿生学的研究是建立在动物的特点改进了构建,功能性皮,和植物结构。为了面临生存挑战和适应恶劣的环境,许多生物改良他们的躯体,表皮微形态使他们生存。近年来,随着制造技术的发展,就可以模仿生物的结构或功能的皮肤。

越来越多的人研究和探索领域的仿生功能表面。例如,顾仿生射流表面进行了理论分析基于鲨鱼鳃缝和发现仿生射流表面具有显著的减阻效应(3]。灵感来自沙漠蜥蜴的皮肤结构,黄等人提出了一种仿生工程可以改善粒子耐腐蚀性的样品表面(4]。此外,试图揭示生物特性响应表面摩擦阻力降低,表面微观结构分析了鱼鳞窦et al .,他们发现该减阻技术显示了实际应用的承诺(5]。

到目前为止,仿生密封环在很少有文献提到。摘要仿生方法应用于设计一个新的密封圈的结构,密封性能的仿生环静密封和动密封是由有限元模拟方法。这种仿生减阻的密封圈有更好的能力和动态密封性能比其他密封戒指。此外,预加压力的影响,工作压力、速度、摩擦系数和材料参数对密封性能进行了讨论。

2。仿生密封环的设计

2.1。非光滑表面的性质

在35亿年的进化之后,许多生物已经开发出他们的光滑表面非光滑与antidrag抓住生存机会的能力(6]。例如,荷叶自洁功能的非光滑表面微米大小的乳突部分覆盖着。被平静的鳞片覆盖,减少水的阻力,鲨鱼的皮肤可以游泳的惊人速度60公里/小时(7]。穿山甲覆盖着鳞片的表面耐磨(图1(一))。由于凸形状的凸起和凹形状表面隆起,蚯蚓能得到的土壤没有坚持泥(图1 (b))。

根据生物的生长机制和所有自然法则(8),科学家们也建立了形态和结构仿生学,基于工程实践。使用非光滑表面以减少阻力很环保,因为它不需要额外的设备或造成更多的浪费。根据这一理论,动物生活在不同的环境有不同的施工单位在非光滑表面,包括扁平形状,凸,凹,涟漪9]。

生活在土壤,蚯蚓的身体结构组成的类似的体节。从外观,蚯蚓看起来很苗条,像圆柱形状。凹不仅可以减少本身和土壤之间的接触面积也存储分泌的润滑液(从背毛孔分泌)以保持湿润,减少阻力。

2.2。结构设计

灵感来自功能表面的蚯蚓、形态和结构仿生学在密封环的设计。如图2,一个新的仿生密封圈设计基于o形环,矩形环,X-ring。有三个凹山脊和三个凸隆起两侧的仿生戒指,这非常类似于蚯蚓的表面。为了利用O-ring-like均匀应力分布的凸起被设计成圆形。像X-ring,仿生密封环的四角圆弧过渡。

这个新的结构有许多优点如下。(1)在润滑条件下,凹可以作为流体动力学轴承产生额外的流体动压力。(2)当凹有足够的容量,它可以存储润滑油和润滑tribopair动态密封。(3)凹有能力存储磨料杂质降低磨损颗粒引起的。(4)预加压力和介质压力的作用下,膨胀可以实现自动封闭的很好,三封磁带工作在主密封面,从而保证良好的密封性能。(5)在往复动态密封,仿生密封环可以避免滚动和扭曲和环的使用寿命可以延长。(6)由于仿生密封环之间的接触面积小,刚性墙,不仅摩擦,可以减少能源消耗,还可以提高工作效率。

3所示。有限元模型

3.1。橡胶材料本构

这个橡胶设计造型暗示等非线性几何,接触互动,和材料的行为。橡胶可以建模为一种超弹性的材料通过不同的本构模型,如Heo-Hookean应变能函数,Exponential-Hyperbolic规则,Mooney-Rivlin模型,Klosenr-Segal模型,Ogden-Tschoegl模型。摘要Mooney-Rivlin模型被选中来描述橡胶衬里的机械特性。函数可以表示如下(10]: 在哪里应变能密度,,Mooney-Rivlin系数,,第一次和第二次应变张量不变量。

应力和应变之间的关系可以表示如下:

确认材料常数Mooney-Rivlin模型的线性弹性模量有关,可以表示如下(11]:

根据橡胶压缩试验,和。橡胶的密度公斤/米³。

3.2。摩擦系数试验

橡胶和钢铁之间的摩擦系数进行了测试使用MMW-1摩擦试验机(济南Caide仪器有限公司)。橡胶样品固定在钢板硫化如图3。橡胶的硬度是80小时,抗拉强度不小于16 MPa,延伸率不小于200%,体积变化率小于15%。钢的材料样品中碳调质钢。钢样品是圆柱形的。橡胶和钢铁之间的摩擦系数样本在不同润滑条件下,包括没有润滑条件,水润滑条件下,油润滑条件下,水基泥浆条件下,油基泥浆条件下,和油基润滑剂条件,测试当轴向压缩力(N)加载。

图4显示之间的摩擦系数曲线橡胶和钢样品不同润滑条件下。摩擦系数的变化与润滑条件的变化。最大摩擦系数出现在没有润滑剂条件而最小摩擦系数出现在油基润滑剂条件。在水润滑条件下摩擦系数和水基泥浆条件大约相同。油基润滑剂的摩擦系数小于在油基泥浆条件条件。尽管不同润滑条件下,摩擦系数波动上下围绕一个固定值,分别。

3.3。几何模型

密封圈的密封性能检查数值通过使用先进的计算工具。考虑几何非线性的橡胶材料,先进通用有限元程序(6.11有限元分析)应用于模拟橡胶圈的应力和应变在一个严格的方式。仿生环的二维轴对称有限元模型,建立了槽,滑杆根据实际密封系统的结构。根据规范,部分仿生密封环的宽度是5.33毫米。槽的材料和滑杆都中碳调质钢的密度是7800公斤/米³泊松比是0.3,弹性模量是210 GPa。如图2,横断面直径的仿生戒指毫米,凸隆起的半径毫米,凹脊的半径毫米。此外,槽的深度毫米,槽的宽度嗯,倒角毫米,毫米。

接触的点球算法摩擦系数等于0.3来模拟环和钢材料之间的相互作用。在当前的研究中,基于接触的接触算法对环槽的表面和表面之间的定义以及环表面与滑杆的表面。如图5,4节点四边形双线性轴对称元素(CAX4R)被用于建模的尸体。仿生的元素大小环5×10⁻⁵m。网格敏感性研究是由精炼元素大小为6×10⁻⁵m和4×10⁻⁵m。相比之下,5×10⁻⁵米,6×10的重要参数⁻⁵m是有点小。4×10的重要参数⁻⁵m是非常接近那些5×10⁻⁵m。但与4×10有限元模型的计算时间⁻⁵米网与5×10的两倍⁻⁵米网。因此,有限元模型与5×10⁻⁵m是可靠和节省时间。

3.4。基本假定

因为橡胶材料非线性、几何非线性和接触非线性,机械密封性能研究有必要进行以下假设。(1)流体介质对密封圈没有腐蚀性的影响。(2)橡胶密封圈不受介质温度的影响。(3)蠕变不影响密封环的体积。

3.5。加载和边界条件

静态和往复动密封的密封性能进行了研究。依照实际情况,静态密封过程是通过两个步骤来实现。首先,预加压力(0.3毫米)完成模拟密封圈的安装过程。其次,介质压力(MPa)装上密封圈的工作表面。往复动密封过程是通过三个步骤来实现。上面的前两个步骤是一样的。第三步是应用轴向速度(在滑杆m / s)。中风被定义为滑杆向外移动的反对的压力。相反,当滑杆走向同一个方向的介质压力,它被称为内在的中风。

4所示。静态密封性能

4.1。压力的密封圈

仿生密封圈没有压力条件下的应力分布如图所示6。•冯•米塞斯应力环对称分布对中线的横截面(见图6(一))。最大·冯·米塞斯应力为3.72 MPa,似乎里面的第二凸起。•冯•米塞斯应力分布的仿生密封圈同意赫兹接触理论,压力不出现在接触表面上但在戒指内。如图6 (b),最大接触应力是4.856 MPa和高接触应力主要集中在三个离开隆起也被称为主要的密封面。由于中压0 MPa,底部的密封圈的接触应力很小。

中压3 MPa时,仿生密封环的应力分布如图7。环和刚体之间的接触应力环压缩后增加了介质的压力。换句话说,戒指已经达到的密封介质压力。•冯•米塞斯应力的增加,应力分布更加不均匀介质压力的增加。最大·冯·米塞斯应力是4.976 MPa高出1.804 MPa在没有压力的状态。最大·冯·米塞斯应力仍然出现在第二个凸起虽然中等压力中扮演一个重要的角色在这个密封状态。与此同时,最大接触应力(8.73 MPa)出现在没有压力的情况下的主要密封面。根据标准,最大接触应力要大于或等于密封的介质压力满足要求;否则可能会导致泄漏。因此,本文主要集中在主密封面的压力。

图8(一个)在没有压力条件下显示了密封环的变形。预加压力的作用下,密封圈是挤压,其沿轴向高度增加0.288毫米。图8 (b)显示了密封环的变形介质压力时3 MPa。行动以来中压补偿径向预加压力的作用,轴密封环变形很小,只有0.09307毫米。

4.2。预加压力的影响

密封圈的适当的预加压力是一个重要的因素来实现稳定、可靠的自紧密封。图9显示了最大·冯·米塞斯应力和接触应力的仿生环在不同预加压力时MPa和MPa。在这两种没有压力条件和压力条件,·冯·米塞斯应力和接触应力随着预加压力的增加而增加。没有压力条件下两种应力线性增长,但在压力条件下非线性。环的压应力曲线呈现小幅度波动压力,但增长率·冯·米塞斯应力较小。这意味着预加压力较小的影响·冯·米塞斯应力在压力条件下比在没有压力的情况下,因为中等压力引起的轴向应变能抵抗径向应变由预加压力造成的。

4.3。摩擦系数的影响

根据实验结果,在不同润滑条件下摩擦系数是不同的。仿生设计密封圈的结构来存储润滑液,这样所有的工作条件应该假定润滑。数值模拟与摩擦系数的范围从0.15到0.35了,和压力分布如图所示10。没有压力条件下,·冯·米塞斯应力和接触应力随着摩擦系数的增加而增加,但在一个较小的比例。作为显示在图10 (b)中等压力加载时,仿生环的接触应力降低摩擦系数的增加,这意味着密封性能已经被削弱,但仍然能满足密封要求。然而,·冯·米塞斯应力的增加先增加然后减少摩擦系数。

4.4。中等压力的影响

图11显示了曲线的最大·冯·米塞斯应力和接触应力在不同介质的压力。•冯•米塞斯应力和接触应力增加的压力,但非线性增长。主密封面的最大接触应力远高于中等压力,使仿生密封圈在静态密封保持良好的性能。

4.5。橡胶材料的影响

除了那些罕见的和例外的情况下,橡胶密封圈的肖氏硬度从70年到90年人力资源。通过拟合公式,刘派生的物理参数(和Mooney-Rivlin系数和相应的弹性模量)的橡胶在不同材料硬度(见表1)[12]。物理参数与相应的实验结果相吻合。

图12显示的最大应力环与不同材料的硬度。在没有压力的条件和压力条件下,最大接触应力增加非线性和密封性能变得更好的增加硬度的橡胶材料。

然而,高·冯·米塞斯应力在两种不同条件下可能导致过早失效的密封圈。当MPa,增长率·冯·米塞斯应力和接触应力降低逐渐的增加硬度。

5。往复动态密封性能

5.1。比较与其他密封戒指

为了研究往复动态仿生密封圈的密封性能,密封性能相比其他类型的密封圈。o形环和矩形环的原理图,有相同的大小作为仿生密封圈,如图所示13。往复动密封的过程这三个环是由有限元法模拟。

密封的最大•冯•米塞斯应力和接触应力环上面提到的图所示14。最大的压力是变动过程中橡胶的粘弹性材料。如图(14日),矩形环·冯·米塞斯应力高于o形环和仿生环,及其压力波动是最大的。这意味着矩形环容易被撕裂或导致疲劳破坏。•冯•米塞斯应力分布的o形环和仿生环更甚至在向外内中风和中风。因此,仿生环可以避免过早失效。

如图14 (b),接触应力波动的矩形环向外更暴力中风;严重的现象出现。所以,矩形环不适合动态密封。仿生环的接触应力和o形环大约是相同的,以及它们的变化趋势。因此,仿生环o形环密封性能一样,但是仿生环可以避免在往复轧制和变形动态密封。因此,仿生的工作生活更长的时间比o形环。

5.2。预加压力的影响

图15显示了最大·冯·米塞斯应力和接触应力的仿生密封圈在不同预加压力。7女士之前,最大静摩擦是克服和往复运动的开始。预加压力有一个小的压力波动影响的规则。如图(15日),最大·冯·米塞斯应力增加而向外冲程的预加压力,但预加压力的影响·冯·米塞斯应力小的中风。如图15 (b),最大接触应力预加压力的增加而增加。接触应力较高的往复运动的开始。接触应力波动的中风是高于外在中风。

5.3。摩擦系数的影响

图16显示了·冯·米塞斯应力和接触应力的仿生密封圈在不同摩擦系数。在往复运动的开始,·冯·米塞斯应力和接触应力高于后来往复运动。•冯•米塞斯应力和接触应力随着摩擦系数的增加而增加,但内心中风的改变率高于外在的中风。当摩擦系数大于0.3,爬行现象出现。因此,润滑对往复动态密封很重要。仿生的凹痕环可以存储润滑油,确保环可以润滑更长的时间了。

5.4。中等压力的影响

图17显示了·冯·米塞斯应力和接触应力的仿生密封圈在不同介质的压力。用中等压力的增加,·冯·米塞斯应力和接触应力逐渐增加,但压力波动也会增加。最大接触应力在主密封面的仿生环高于中等压力的时候MPa。因此,往复动态仿生密封圈的密封性能是稳定可靠的。

5.5。橡胶硬度的影响

图18显示·冯·米塞斯应力和接触应力的仿生密封圈在不同材料的硬度。如图(18日)增加材料的硬度,·冯·米塞斯应力逐渐增加。•冯•米塞斯应力在对外对内中风小于中风。如图18 (b),接触应力的增加逐渐增加材料的硬度。材料硬度是70小时或90小时时,仿生环的压力波动最严重。因此,它是至关重要的仿生环有一个合理的硬度,确保往复动态密封性能好。

6。结论

(1)根据仿生学,一种新的仿生密封圈设计基于o形环,矩形环,X-ring。有三个凹山脊和三个凸隆起两侧的仿生戒指,它非常类似于蚯蚓。所有的凸起都设计成圆形,和仿生密封圈四角圆弧过渡。(2)在静态密封,·冯·米塞斯应力的仿生密封圈在没有压力条件下对称分布。最大·冯·米塞斯应力出现在第二个隆起的内在的一面。高接触应力集中在三个离开隆起也叫做主密封面。在中压下,·冯·米塞斯应力分布变得不均匀。(3)在静态密封,·冯·米塞斯应力和接触应力增加预加压力的增加,介质压力、摩擦系数和硬度的橡胶材料,但是有一个小对仿生密封环的压力的影响。(4)最大的压力是起伏的移动过程中橡胶的粘弹性材料。•冯•米塞斯应力波动矩形环比o形环和仿生戒指。接触压力的仿生环和o形环大约是相同的,和他们的变化趋势是相同的,但是仿生环可以避免在往复轧制和变形动态密封。因此,仿生环的使用寿命比o形环和矩形环长得多。(5)在往复动态密封,最大·冯·米塞斯应力和接触应力随着预加压力的增加而增加,介质压力,橡胶硬度和摩擦系数。当摩擦系数大于0.3,爬行现象出现。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

承认

这项研究工作得到了国家自然科学基金(51474180)。

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