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高壓容器橡膠密封件接觸問題
由于橡膠密封件錐面與頂蓋和筒體的錐面初始接觸為線接觸,無法承受很大的軸向作用力,所以在卡箍鎖緊力作用下會產生一定的錐度變形,導致頂蓋與橡膠密封件上平面接觸,筒體與橡膠密封件下平面接觸。 若ANSYS 創建接觸對時只考慮上下錐面,忽略上下平面而直接加載荷,由于線接觸軸向承載能力極差,模型極不穩定,無法進行正確的計算。 為提高計算收斂性,得到理想的結果,通常的處理方法是在加載前將目標面向接觸面進行初始滲透,即將圖2中的間隙壓平且上下平面也創建接觸對,利用橡膠密封件上下平面添加輔助約束,這樣就有了足夠的承載能力,計算能達到較為理想的結果
加載計算條件,定義為軸對稱,計算初始條件如下: (1) 不考慮頂蓋的自重; (2) 筒體下部截取部分加軸向約束;(3) 筒體內壁加氣壓p1; (4)卡箍上施加壓力ps。 卡箍加載壓力ps選取依據 由于該密封裝置為自鎖型,卡箍夾緊力隨筒體氣壓而變化,在只知道筒體內部氣壓情況下,無法同時確定卡箍的壓緊力和橡膠密封件上下錐面壓力。 在盡量靠近實際工作情況的前提下,綜合考慮ANSYS 的可算性,提出如下方案: (1) 橡膠密封件上下錐面、上下平面和頂蓋、筒體共創建4個接觸對。 (2) 保證橡膠密封件無論是在高壓還是在低壓情況下都是靠錐面密封,上下平面沒有接觸壓力或是極小。 即在各種不同工況下,用ANSYS 分別試算0。55 mm 被壓平時卡箍上的壓力,該壓力要比筒體內氣壓要稍大。
橡膠密封件上錐面接觸壓力分布趨勢:無論在何種氣體壓力狀態下,都是節點1即初始線接觸點的下面一點承受的壓圖4 接觸壓力圖5 綜合應力曲線圖圖6 徑向變形曲線圖力大;參與接觸的各節點都是隨著筒體內部的壓力的增大而增大。 在超高壓時上錐面上的2,3節點也參與了接觸,錐面的接觸由線接觸變為小環面接觸。2)綜合應力 由圖5可見,橡膠密封件上錐面應力隨著筒體內部壓力的增大而增大,節點1和上錐面與上平面圓角處有應力集中; 在同一工作條件下: 低壓時,橡膠密封件錐面應力由上到下依次增加;高壓時,先增加后減小,然后一直增加,在橡膠密封件上錐面與上平面圓角處大,達到1000 MPa以上,因此對材料要求比較高。3)徑向變形 如圖6所示,橡膠密封件在低壓時,錐面的變形都為負,這是因為卡箍鎖緊力大,筒內氣壓較小,不足以使橡膠密封件沿徑向外膨脹。 高壓時,橡膠密封件上錐面上部分的節點變形量為負,下部分的節點為正,這表明橡膠密封件的內環面凹進,接觸面積變大。
超高壓橡膠密封件受到強擠壓時,橡膠密封件材料易產生大塑性變形而喪失彈性,使密封性能急劇下降,導致橡膠密封件重復使用率低,所以選材時應參考ANSYS 算出的大綜合應力,綜合多方面因素后確定。橡膠密封件的加工務必保持錐面的整體一致性,避免接觸面出現局部大的凹凸變形。超高壓密封容器工作壓力波動大,瞬時溫升高,易導致橡膠密封件塑性流變加劇,造成大變形,甚至局部產生裂紋。同時由于氣壓載荷周期性循環變化,橡膠密封件上下接觸表面容易出現磨損甚至疲勞。
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