基于PTFE矩形密封圈的高压容器密封结构设计

PTFE矩形密封圈具有耐化学性能好、截面稳定性高等优点,可以有效解决腐蚀性介质的密封问题。但在实际使用中,PTFE矩形密封圈及其适配沟槽的尺寸设计缺乏参考依据。针对上述问题,根据高压容器端面密封结构的形状与受力特征,在Ansys Workbench中建立PTFE矩形密封圈的二维轴对称模型,采用双线性等向强化模型表征PTFE的力学性能,对基于PTFE矩形密封圈的高压容器端面密封结构进行分析和设计,讨论压缩率、PTFE矩形密封圈几何参数和沟槽结构参数对高压容器端面密封性能的影响。结果表明,压缩率、矩形圈的高度和宽度以及矩形圈与沟槽侧壁的间隙对密封性能的影响较大,而内径对密封性能的影响较小,因而设计时应优先考虑沟槽深度、矩形圈的截面尺寸以及与沟槽的装配位置等参数。确定PTFE矩形密封圈及适配沟槽的尺寸后,采用有限元仿真手段验证了设计的密封结构在常温30 MPa高压下的密封性能,证实了设计的合理性。

斯特林机帽式密封性能分析及回归参数优化设计

为改善斯特林机活塞杆帽式密封性能,首先采用数值仿真分析了5 MPa工质压力下其静、动态力学特性,从而获取了O型圈内径尺寸L_(N)、C型环径向壁厚T和装配过盈量S这3个关键结构参数对密封性能的影响规律。在此基础上,利用回归设计法以配伍面最大接触压力平稳且密封可靠为优化目标,对密封结构的上述3个关键参数进行优化设计以确定其最佳匹配方案,最后通过密封试验台验证了本文优化设计方法的准确性和普适性。结果表明:活塞杆与C型环密封面中间区域上最大接触压力随L_(N)和S的增大而增大,但随T的增大而减小;通过估计回归系数和方差分析(ANOVA)发现,L_(N)对密封性能影响最为显著、S次之、T影响最小;L_(N)和T、L_(N)和S交互项对响应显著,而T和S交互项对响应不显著;当L_(N)为13.745 mm、T为0.40 mm和S为0.020 mm时,优化密封件对应的正行程最大接触压力为9.01 MPa、回程为9.75 MPa,较工程在用密封件(L_(N)=13.780 mm、T=0.50 mm、S=0 mm)最大接触压力分别降低了14.7%和25.5%。实验进一步验证了优化密封件的密封性能和使用寿命均优于工程在用密封件,并且在不同工质压力下优化密封件的接触压力均匀性更好,减摩延寿效果显著,充分证明本文性能分析与优化设计方法准确有效。

超高压压裂管汇由壬接头预紧特性分析

针对超高压压裂管汇由壬接头安装预紧力不当导致结构破坏或密封泄漏的问题,以某公司研制的175 MPa超高压由壬接头为研究对象,利用ABAQUS建立由壬接触模型,采用有限单元法对该接头进行应力分析与强度评定以及密封性能判定。结果表明:预紧力大小对母由壬应力几乎没有影响,对公由壬、翼型螺母和三瓣挡圈应力有显著影响,且都呈现正相关性,影响程度从高到低依次为公由壬、翼型螺母、三瓣挡圈和母由壬;额定工况下预紧力超过250 kN时,公由壬轴肩圆角处应力超过其材料许用应力,结构静强度不满足要求可能会发生结构破坏;预紧力小于150 kN时,不足以抵抗内压作用,公由壬和母由壬球头锥面密封结构分离;在能够确保球头锥面密封性和结构安全性的150~250 kN预紧力范围内,氢化丁腈橡胶(HNBR)密封圈表面接触应力始终大于实时流体工作压力,密封圈密封性能良好。推荐安装预紧力范围为150~250 kN,在该范围内密封圈结构的静强度以及密封性均能满足要求。

具有圆度误差的径向金属密封接触应力研究

由于加工圆度误差的影响,井下流量控制阀径向金属密封接触应力分布不均匀,从而影响密封性能。利用有限元方法研究具有圆度误差的径向金属密封唇部接触应力分布,并分析圆度误差对径向金属密封接触应力的影响;基于有限元分析结果提出径向金属密封接触应力分布的理论解析式,并进行误差分析。具有圆度误差的径向金属密封唇部接触应力分布的理论解与数值解相符,各参数引起的最大接触应力的平均相对误差约为10%。根据具有圆度误差的径向金属密封副接触应力的分布规律,提出合理的过盈量函数,修正了径向金属密封轴对称结构的悬臂梁模型的接触应力理论关系式,得出了圆度误差下的径向金属密封接触应力分布规律。研究结果为井下流量控制阀径向金属密封的设计提供了理论指导。

油罐车自主加注臂密封圈响应面优化及分析

为了提高油罐车自主加注臂前端快接装置的密封性能,设计了一种内胀式橡胶密封圈,并结合响应面法和有限元法对密封圈进行了优化和分析。首先,基于有限元软件ANSYS Workbench对密封圈进行建模和仿真,研究了密封圈的倒圆半径、厚度和压缩量对密封圈性能的影响;然后,将密封圈与管壁的接触面积、接触压力和所受等效应力作为优化目标,利用Design⁃Expert软件建立了密封结构的优化模型,并通过多目标优化获得最优设计方案;最后,进行了密封圈优化前后的性能对比和分析。数值测试表明,在最大3 MPa介质压力下,优化后密封圈的接触压力提升了1.3 MPa,有效接触面积更大,且接触带更加集中,有利于实现快接装置和油罐车加注口的有效密封,同时等效应力降低了4.3%,有助于延长密封圈的使用寿命。

斯特林机活塞杆帽式密封泄漏率预测及其优化设计

斯特林机活塞杆帽式密封处总有微量气体泄漏,但目前大多数研究是通过分析密封面接触载荷而开展的。为探究干摩擦状态下帽式密封泄漏问题,基于分形理论从微观角度对密封面形貌进行表征,结合环形轴向缝隙流体流动模型建立帽式密封泄漏分形模型。通过试验验证泄漏模型的准确性。根据已验证模型对泄漏率影响因素进行交互分析,获取工况条件对不同粗糙度密封面泄漏率的影响规律,并提出使用遗传算法对特定工况下的C型环密封表面形貌与O型圈的预压缩率进行最优匹配。结果表明:泄漏率随着O型圈的预压缩率增大而下降,随着工质压力及活塞杆速度的增大而增大,且密封面越粗糙时泄漏率变化幅度越大;当密封表面粗糙度增大时泄漏率增大,但密封面形貌越粗糙时,增大接触载荷泄漏率更易减小;最终确定当斯特林机的工质压力P1=5 MPa,活塞杆运动速度V=1 m/s时,应匹配密封面粗糙度Ra=0.27μm的改性聚四氟乙烯C型环,并设定O型圈的预压缩率W=23.13%,帽式密封泄漏率将会达到最低。所建泄漏模型可提前为密封件的选择做出决策,而优化设计方法可为后续密封件表面粗糙度的确定和加工方法的选择提供指导。

深水测试密闭环空压力变化下的封隔器胶筒性能分析

为探讨深水测试双封隔器由密闭环空压力变化引起的变形与强度问题,建立双封隔器胶筒结构的力学分析模型。根据工作过程中封隔器间密闭环空压力的变化,对胶筒的密封性能进行分析,得到各胶筒的应变量、等效应力以及接触应力的变化情况。分析采用胶筒不同圆形倒角参数时封隔器胶筒与套管的接触特性,研究胶筒倒角参数对封隔器密封性能的影响,得出封隔器的优化结构参数。结果显示:各胶筒的应变量、等效应力以及接触应力均随密闭环空压力的增大而增大,其中下胶筒的增大幅度最明显;各胶筒变形量随着胶筒倒角的增大无明显变化,但等效应力随着胶筒倒角的增大均减小,而随着胶筒倒角的增大上胶筒和中胶筒的接触应力均增大,下胶筒的接触应力先增大后减小。因此,一定程度上增大胶筒倒角有利于提升封隔器的密封性能,倒角半径为0.75 mm时为最优结构。

基于热流固耦合的液膜密封动态追随性分析

为研究热流固耦合下液膜密封动态追随特性,基于小扰动法及热动力润滑理论,考虑非补偿环轴向振动、角向偏摆,建立补偿环三自由度运动方程,对比并分析纯流场和热流固耦合模型下力学元件参数、操作工况参数、结构参数对动态追随性的影响。结果表明:在热流固耦合模型下求解的液膜密封扰动量略小于纯流场模型下求解的扰动量;增加激励振幅,弹簧刚度和O型圈阻尼均会导致扰动增大,动态追随性变差;减小转速、增加介质压力会导致动态特性系数增加,有利于提高动态追随性;减少槽数会提高动态追随性,且在槽数给定时,槽深17μm,槽坝比0.8,螺旋角22°的结构参数设定会得到更好的动态追随性。

基于有限元分析的液压缸密封圈磨损分析

液压缸密封圈磨损原因较多,难以通过肉眼直观观察,很难找到直接原因,提出基于有限元的液压缸密封圈磨损量分析方法。基于液压缸密封圈几何模型、材料模型和物理模型,分析了橡胶密封圈在应力和应变上的非线性,通过定义应变密度函数,构建了液压缸密封圈的有限元模型。根据液压缸活塞的密封结构,分析了液压缸活塞的运动特点,利用Archard模型描述密封圈的外观特征变化,通过计算密封圈接触面上任意一点的磨损深度,分析液压缸密封圈的磨损量。试验结果表明,所研究方法可以对液压缸密封圈的裂纹深度与裂纹扩展角度进行有效分析,两项指标的试验分析与实测结果基本一致,裂纹深度的试验分析误差最大值仅为0.002 mm。方法有助于提高液压缸设计的密封可靠性。

基于位置特征和螺旋方向的柱面气膜密封槽型控漏能力评价

为探究轴套侧开槽新型柱面气膜密封在控制泄漏方面的能力,首先,采用有限差分法对不同位置特征和螺旋方向的新型柱面气膜密封槽型建立数值模型,通过对比各槽型气膜压力分布和密封性能参数,揭示位置特征和螺旋方向对不同槽型密封特性的影响机理。然后,针对反向“人”字槽型进行了参数化分析,探究螺旋槽角度、槽长坝长比、槽宽台宽比、槽深比对反向“人”字槽泄漏量、浮升力、摩擦力等密封性能参数的影响规律,同时对特定结构参数组合的反向“人”字槽逆流泵送控制泄漏的能力进行评价。结果表明:气膜厚度阶梯变化和偏心收敛楔效应在密封面形成高压气膜区域,有效阻止轴向泄漏,实现轴套侧开槽柱面气膜密封主泄漏通道的密封,且随着转速的增加,新型柱面气膜密封沿轴向间隙的泄漏量呈现下降趋势,该特性对于泄漏控制具有重要意义,特别是在高速运转的工况下。此外,通过合理的槽型参数调控可以使压差流造成的沿轴向间隙密封气体泄漏正好被反向“人”字槽逆流泵送作用导致的密封气体流动补偿,从而实现反向“人”字槽型柱面气膜密封的气体零泄漏甚至负泄漏,为柱面气膜密封槽型结构设计提供理论参考。

基于似然函数筛选法的旋转轴唇形密封可靠性关键设计因素研究

基于油封的有限元和数值计算模型,分析油封的设计参数对其静态和动态密封可靠性的影响规律。将油封的初始安装过盈量、油侧唇角、空气侧唇角、腰厚、腰长、理论接触宽度、卡紧弹簧的弹性模量、油封主体橡胶的硬度8个设计参数的标准化数据作为输入向量,将油封唇口最大接触压力、泵吸率和摩擦扭矩的标准化数据作为输出向量,建立响应面模型,以输出向量方差得到各设计因素的似然函数值作为评判指标,确定各设计参数对油封密封可靠性的影响程度。结果表明:橡胶硬度、理论接触宽度、弹簧弹性模量、过盈量、腰长对油封动态密封可靠性的影响较显著,油封唇口最大接触压力对弹簧弹性模量、理论接触宽度、橡胶硬度、腰厚、油侧唇角较敏感。综合考虑旋转轴唇形油封的静态和动态可靠性,得到影响其可靠性的关键设计因素为理论接触宽度、弹簧弹性模量和橡胶硬度。

Y形组合密封的密封性能研究

应用ABAQUS软件建立YO组合密封的有限元模型,分别比较Y形组合密封与Y形密封、聚氨酯和丁腈橡胶2种材料的Y形组合密封,在密封区域的静态接触压力和Mises应力分布,分析O形圈截面直径对2种材料Y形组合密封性能的影响规律。结果表明:Y形组合密封在密封区域的接触压力和Mises应力均大于相同规格、材料的Y形圈,且外行程时Y形组合密封接触压力增大更明显,应力分布更均匀,验证了Y形组合密封的双重密封和改善根部抗撕裂的特性;在O形圈截面直径相同的情况下,聚氨酯组合密封外行程与内行程的最大接触压力差值远远高于丁腈橡胶组合密封,而丁腈橡胶组合密封Mises应力分布更均匀;随着O形圈截面直径的增大,聚氨酯组合密封的最大接触压力呈现先增大后减小的趋势,丁腈橡胶组合密封呈现逐渐减小的趋势,但两者的Mises应力均呈现逐渐增大的趋势,且丁腈橡胶组合密封增大更显著。研究结果为不同工作条件下密封件的选择提供了参考依据。

结构参数对液压旋转接头密封性能的影响

为探究结构参数对液压旋转接头间隙密封性能的影响规律,分别以泄漏量和压力损失作为液压旋转接头的性能指标,研究密封有效长度、密封直径、密封间隙值3种主要结构参数对旋转接头性能的影响。采用正交试验与Fluent流体仿真相结合的方法,分析液压旋转接头间隙密封在不同结构参数下的泄漏量和压力损失情况。结果表明:3种结构参数对泄漏的影响程度由大到小依次为密封间隙值、密封有效长度、密封直径,对压力损失的影响程度由大到小依次为密封有效长度、密封直径、密封间隙值;密封间隙值大小对泄漏量影响非常显著,泄漏量随着间隙的增大呈指数增长关系,而间隙密封有效长度、环形密封直径对泄漏量无显著影响;密封有效长度对压力损失有极其显著影响,而密封直径和密封间隙值对压力损失没有显著影响;从整体上看密封间隙值、间隙密封直径、密封有效长度都大致与压力损失呈一次函数关系,且前两者与压力损失呈正相关关系,后者则与压力损失呈负相关关系。

超高压高低温条件下节流阀Y形圈的影响因素分析

为研究天然气设备中节流阀的Y形密封圈在超高压、高低温工况下的影响因素,选择PTFE及其4种改性材料作为密封材料,研究唇口过盈量、唇前角、唇后角对Y形密封圈静密封性能的影响。结果表明:Y形密封圈最大von Mises应力随唇口过盈量增加而减小,随唇前角和唇后角的增大先增加后减小;内唇最大接触应力随唇口过盈量、唇后角的增加而增大,随唇前角的增加先增大后减小。选取密封圈宽度、基体高度、唇尖高度、唇前角、唇后角5个参数,采用ISIGHT软件对各参数进行灵敏度分析。结果表明:密封圈宽度及基体高度对Y形密封圈最大Mises应力及内唇接触应力影响最大。通过多岛遗传算法获得密封圈的优化尺寸,通过试验验证理论设计结果。

有压差下全接触刷式密封迟滞特性数值研究

刷式密封迟滞特性引起的泄漏问题、摩擦磨损问题及流动换热问题较为突出。刷式密封迟滞特性数值模型呈现接触对多、刷丝大变形的特点,存在非线性程度较高、收敛性较差的问题。提出了基于有限元软件ABAQUS的刷式密封迟滞特性求解模型,考虑刷丝之间接触、刷丝与背板接触、刷丝与转子之间接触,引入阻尼提高模型收敛性。在数值计算与实验结果、理论计算对比验证的基础上,研究了刷丝自由端长度、刷丝直径、刷丝倾斜角度以及上下游压差对迟滞特性和接触力最大值的影响程度。研究结果表明:随着上下游压差、直径的增大,刷式密封迟滞特性呈现增加的趋势,而刷丝倾角的增加导致迟滞特性呈现递减的趋势,刷丝自由端长度的改变对迟滞特性的影响较小;刷丝直径是影响刷丝与转子之间接触力最大值的主要因素,刷丝倾斜角度对接触力最大值有一定程度影响。上述研究为分析刷式密封迟滞特性提供了理论依据,为降低迟滞特性提供了参考。

燃油介质作动器往复密封摩擦热效应及磨损特性分析

发动机矢量推力作动器采用燃油作为传动介质,燃油的低黏度将使作动器密封接触面处于不良润滑条件,密封件摩擦磨损问题突出。针对燃油介质作动器不同压力、作动速度及油液温度的工作环境,建立往复密封热弹流混合润滑数值仿真模型,分析往复密封接触面摩擦热效应对油膜行为的影响,确定热分析边界条件,计算密封系统的瞬态温度分布。根据热分析结果,对油液黏度及密封区域内的油膜厚度进行修正,考虑密封件润滑条件探究摩擦热效应对密封性能与磨损特性的作用机理,分析不同工况条件对油膜厚度、摩擦力和磨损深度分布的影响,为设计高性能航空密封件奠定理论基础。

动静环双抛物线型机械密封性能理论研究

针对自主式水下无人航行器(AUV)航程短、尾轴易泄漏等问题,以AUV尾轴传动系统中的机械密封为研究对象,建立了双抛物线型流体静压型机械端面密封(DPHS-MS)二维轴对称数学模型,并对模型进行了试验验证;兼顾流体黏度随压力和温度的变化,选用有限差分法对Reynolds方程、能量方程及其他控制方程组成的耦合数学模型进行了数值分析计算;在相同的几何与环境参数下,对DPHS-MS、传统锥形(锥角β)流体静压型机械端面密封(CHS-MS)、单抛物线型流体静压型机械端面密封(PHS-MS)的密封性能进行对比。结果表明,在同等开启力下,DPHS-MS泄漏量比CHS-MS,PHS-MS小,且DPHS-MS提高了AUV水下运行的航程及安全可靠性,同等工况下航程可提高1 km以上;得到了几何参数对DPHS-MS密封性能的影响规律,优化了几何参数设计值。研究结果可为提高AUV尾轴机械密封效果提供理论设计依据。

衍生T形槽干气密封稳态性能研究

目的 设计具备双向旋转特点的动压型干气密封端面结构,并展现良好的开启性能,以T形槽为优化对象,衍生出一种新型槽型结构。方法 借助有限元软件,计算并对比经典T形槽与衍生槽型在流场特性和稳态性能方面的差异,探讨不同参数对2种槽型干气密封稳态性能的影响规律,揭示衍生槽型的密封机理。结果 衍生槽型的开启力高于经典T形槽,泄漏率也会增加。随着工况参数的升高,2种槽型的稳态性能参数近似线性增加,且差异逐渐增大,最小差异达到6.6%。随着槽深的增加,泄漏率方面的差距在逐渐减小,为扩大衍生槽型的控漏效果,槽深应>5μm。开设有引流槽型结构的衍生槽型稳态性能顺序为发散型>直口型>收敛型,但在文中的工况下,数值差别较小,最大仅为1.2%。结论 相比于经典T形槽,衍生槽型具有更强的动压效应,开启性能明显提升。另外,通过开设不同形式的引流槽可以改变气膜的流动特性和干气密封性能。

新型密封头装置在钢管内壁面清洗上的应用

利用清洗软管及其附带的喷头与毛刷伸入钢管内壁面进行清洗作业具有清洗效果好、生产成本低的特点,但在实际应用中清洗软管以及钢管管头处的密封极易造成清洗液泄露,并且钢管清洗完毕后其内部残存大量的清洗液也无法排出。针对上述问题提出了一种新型的密封头装置,并重点对密封头的结构及工作原理进行了阐述。经过在现场的连续使用,验证了此新型密封头装置工作可靠、密封圈更换频率低,其在工程中有宽广的应用前景。

核主泵用机械密封摩擦学性能研究进展

核主泵是核电厂的核心元件,核主泵机械密封在其中起到防止介质泄漏的作用。当前,我国核主泵密封装置相关技术和产品受到国外垄断限制,核主泵摩擦副在运行状态下泄漏严重破坏核电系统的稳定运行和长周期服役,其摩擦学性能直接影响核主泵的运行性能。对于动压式核主泵机械密封,若没有处于完全液膜润滑状态,密封装置会出现异常磨损和泄漏率增大导致核主泵故障。针对核主泵摩擦副的液膜特性,从数学模型计算和软件仿真两方面分析。对温度场、速度场和应力场等进行分析,总结了密封环及副密封材料、端面热变形对摩擦学性能的影响,概述了端面形状的动压润滑机理及波度面、槽型结构和加工方法等因素对摩擦磨损的影响,为核主泵密封性能的提高和可靠运行提供理论基础。