《武汉工程大学学报》  2011年10期 81-85   出版日期：2011-11-30   ISSN:1674-2869   CN:42-1779/TQ

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自动振打除灰装置活塞处双向密封研究


0引言自动振打除灰装置运用声固耦合的原理能够有效的解决石化行业，电力行业的高温高压炉体内壁积灰问题.由于其内部的活塞与活塞套管之间的密封结构直接决定了自动振打除灰装置内外密封的优劣性，故对活塞与活塞套管之间的密封结构形式的选择尤为关键.由于自动振打除灰装置活塞处的特殊工况，此密封结构需要承受双边压力，目前国内外学者对承受单边压力的密封元件研究甚多，但是对承受双边压力的异形密封元件的理论分析较少.笔者依据自动振打除灰装置的实际工况，拟选用双Y密封结构和X型圈密封结构作为活塞与活塞套管之间的密封结构形式.运用有限元软件对这两种密封结构的性能作对比分析.得出活塞与活塞套管之间合理的的密封结构形式.1有限元模型的建立1.1几何模型自动振打除灰装置活塞处的工况：设计压力为3.5 MPa，设计温度为225 ℃.活塞的直径为80 mm.依照HG433566标准，选用Y型圈的尺寸为内径×外径×高度=65×85×10［13］.依照美国国家标准，选用X型圈的尺寸为内径×宽度=65×7.两种密封结构的几何模型及其材料参数如图1和表1所示.图1X型圈密封装置几何模型
Fig.1The geometrical model of sealing device about Xring图2双Y密封结构几何模型
Fig.2The geometrical model of sealing device about
doubleYring表1活塞与活塞杆的材料属性
Table1The Material Properties of  piston and rod
构件材料种类弹性模量E/MPa泊松比μ活塞3Cr13Mo2×1050.3活塞套管3Cr13Mo2×1050.3Y形圈丁晴橡胶100.499X型圈丁晴橡胶100.4991.2计算模型Y型圈是一种典型的唇形密封圈，无内压时仅有很小的接触应力，随着内压的增加，Y型圈依靠其与密封面接触逐渐变宽的双唇产生的自封作用，达到一个良好的密封效果.密封双向流体时需要成对使用；X型圈（又称星形圈）是一种自紧密封性的双作用密封元件［45］.由于其飞边位置在截面的凹处，且在密封唇之间能形成润滑容腔.依靠密封流体的挤压，也能产生良好的密封效果.因为这两种计算模型表现出很强的几何非线性和材料非线性.对于超弹性体而言，其本构方程表述为Sij=wEij其中Sij为PiolaKirchhoff应力，W为应变能密度，Eij为格林应变张量分量.使用常用的MooneyRivlin模型对双Y密封结构和X型圈密封结构做有限元分析［6］.其应变能函数模型表述为W=∑Ni,j=1Cij(I1-3)i(I2-3)j+∑Nk=11dk(J-1)2k
式中Cij,N,dk为Mooney常数，J取为1（不可压缩材料）.上式的二项三阶展开表达式为W=C10(I1-3)+C01(I2-3)+1d(J-1)2其中:C10＝1.87 MPaC01＝0.47 MPa1.3有限元实体模型由于自动振打除灰装置活塞与活塞套管处结构的轴对称性，故可采用二维平面的轴对称模型来模拟三维结构.Y型圈和X型圈采用八节点超弹性单元PLANE183模拟［710］，活塞及活塞导筒采用八节点线性实体单元PLANE82模拟.二者的二维轴对称实体模型如图3和图4所示.因为活塞及活塞套管相对于X型圈和Y型圈而言是刚性的，所以认为活塞及活塞套管是此两种密封元件变形时的约束边界.求解时，在活塞套管上定义一个竖直方向的位移Uy＝-0.4，并对水平方向进行约束Ux＝0.在密封结构的左侧逐渐施加压力到3.5 MPa,右侧逐渐施加压力到4 MPa.模拟自动振打除灰装置活塞与活塞套管处的实际工况［1116］.图3X型圈密封装置有限元模型
Fig.3The finite element model of sealing device about Xring图4双Y密封结构有限元模型
Fig.4The finite element model of sealing device about
doubleYring2计算结果及分析在密封流体的作用下，Y型圈依靠其张开的双唇产生自封作用，X型圈依靠其本身变形的回弹力.都能产生较大的接触应力，并能达到良好的密封效果.笔者主要通过对比两种密封结构中密封面间的最大接触应力及VonMises应力的影响，并通过位移矢量来分析得到自动振打除灰装置活塞与活塞套管处合适的密封结构形式.第10期陈以文，等：自动振打除灰装置活塞处双向密封研究
武汉工程大学学报第33卷
2.1密封面间最大接触应力如图5所示（以工作流体侧的压力为准，右侧氮气密封压力始终高于工作流体侧压力0.5 MPa)，在不同的双边流体作用下，双Y密封结构和X型圈密封结构的最大接触应力始终大于流体的压力.随着双边密封流体压力的对应增加，密封结构的最大接触应力也同时增加.二者均能满足密封要求(PM均表示最大接触应力，PL均表示工作流体压力).图5工作流体压力与最大接触应力的关系
Fig.5Relationship between working sealed fluid
pressure and maximum contact stress注：图6表示的是安装状态下（左右均无流压）双Y密封结构的接触应力云图；图7表示在实际工况下（左侧工作流体的压力均为3.5 MPa,右侧氮气密封压力均达到4 MPa）又Y密封结构的接触应力云图.由此两图可知，工况下的双Y密封结构与初始安装状态相比，上下唇的压力分布比较均匀；接触应力峰值相对变化明显；因为所选Y型圈的几何非线性，上唇较下唇短，上唇唇表面与活塞套管的接触面积较少，所以上唇出现了双峰值.图6初始安装状态下双Y密封结构的接触应力分布
Fig.6Contact stress distribution of sealing structure of
doubleY at the condition of initial installation图7工作流体压力为3.5 MPa时双Y密封
结构的接触应力分布
Fig.7Contact stress distribution of sealing structure of
doubleY at the working fluid pressure of 3.5 Mpa图8表示的是安装状态下（左右均无流压）X型圈密封结构的接触应力云图；图9表示在实际工况下（左侧工作流体的压力均为3.5 MPa,右侧氮气密封压力均达到4 MPa）X型圈密封结构的接触应力云图.由两图可知，X型圈密封结构在这两种情况下，X型圈右半部分承受的接触应力较大.安装时是由于初始的预紧产生的侧移造成的的，在实际工况下是由于预紧和两端压差的共同作用产生的；在实际工况下的X型圈密封结构与初始安装状态相比，接触压力分布更加均匀，接触应力峰值相变化明显.图8初始安装状态下X型圈密封结构的接触应力分布
Fig.8Contact stress distribution of sealing structure of
quad ring at the initial installing condition图9工作流体压力为3.5 MPa时X型圈密封
结构的接触应力分布
Fig.9Contact stress distribution of sealing structure of
quad ring at the working fluid pressure of 3.5 Mpa对比图7和图9，实际工况下双Y密封结构的最大接触应力达到7.153 MPa，X型圈密封结构的密封面间的最大接触应力达到5.75 MPa.皆在密封要求之内,但双Y密封结构的接触应力分布更广且匀称.2.2Vonmises应力图10表示的是工作流体压力与Vonmises应力峰值的关系，由图可知，随着工作流体压力的增大，2种密封结构的Vonmises应力都是增加的，但是2种密封结构的VonMises应力差值却是随之减小的(PV均表示最大VonMises应力).图10工作流体压力与最大Vonmises应力的关系
Fig.10Relationship between working sealed fluid
pressure and maximum Vonmises stress 注：如图11和图12所示，在实际工况下（工作流体压力值为3.5 MPa）两种密封结构的VonMises应力云图.,由于Vonmises应力反映的是密封圈材料截面上主应力差值的大小.其值越大，密封件越易产生裂纹，咬伤，松弛等降低密封元件寿命的情况.图示中X型圈的Vonmises峰值为4.968 MPa，而Y型圈的Vonmises峰值为4.89 MPa，为了保证密封件的使用寿命，在满足密封的条件下，应优先选择应力小的密封结构.图11工作流体压力为3.5 MPa时Y型圈
的VonMises应力分布
Fig.11VonMises stress distribution of sealing structure
of doubleY at the working fluid pressure of 3.5 MPa图12工作流体压力为3.5 MPa时X型圈密封结构
的VonMises应力分布
Fig.12VonMises stress distribution of sealing structure
of quad ring at the working fluid pressure of 3.5 MPa2.3工况下变形后与变形前的形状对比如图13和图14所示，双Y密封结构中Y型圈的变形较为匀称，单边变形较小.且变形主要集中在上下唇；X型圈的变形主要集中在圈体的右半部分，且其变形较大.而左半部分变形甚微.图13工作流体压力为3.5 MPa时X型圈变形
与初始状态的形状对比
Fig.13The 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图14工作流体压力为3.5 MPa时Y型圈变形
与初始状态的形状对比
Fig.14The 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 condition3结语a.在自动振打除灰装置设计压力内，随着工作流体和氮气密封压力的相应增大，两密封结构的接触应力也随之增大.两密封结构的最大接触应力均大于双边的流压，均能满足密封要求b.在自动振打除灰装置设计压力内，相同的双边流压状态时，双Y密封结构的中的Y型圈上产生的VonMises应力峰值始终较X型圈密封结构中的X型圈上产生的VonMises应力峰值小，随着双边流压的相应增加，两密封结构的VonMises应力皆随之增加，但两者的差值随着双边流压的增加而减小.c.在实际工况下，双Y密封结构中Y型圈的变形相对X型圈密封结构中X型圈的变形要匀称，单边变化小，变形区域小.d.在实际工况下双Y密封结构和X型圈密封结构均能满足自动振打除灰装置活塞与活塞杆处的密封要求，但是X型圈密封结构相对双Y密封结构而言，其密封元件的更易损坏.故自动振打除灰装置活塞与活塞杆处优先选用双Y密封结构.参考文献：