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。

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。

70 MPa高压氢气瓶阀密封技术研究

全球正面对能源和环境的挑战,氢能源汽车已成为全球汽车行业的发展方向,车载储氢系统主要是由储氢气瓶、组合式瓶阀、溢流阀、减压阀、压力/温度传感器等组成,其中需要频繁开启的部件是组合式瓶阀,压力一般在35 MPa~70 MPa,最容易产生泄漏。目前车载氢能的储存压力一般为35 MPa, 70 MPa的也在进行技术攻关,不同于普通的工业用气瓶阀,70 MPa高压氢气瓶阀设计压力高,密封性能的可靠性直接影响了产品的使用安全。针对70 MPa高压氢气瓶阀密封材料进行研究,采用GB/T 528-2009标准对不同硬度和直径的O形密封圈进行性能试验,比较不同材料的密封性能,确保70 MPa高压氢气瓶阀密封性能安全可靠。

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。

深水采油树Spring-Seal密封圈接触模型构建与实验测试

为提高深水采油树在高压、高温、低温等工况下长时间工作的稳定性,对采油树密封圈进行重新设计,提出Spring-Seal密封圈(以下简称S密封圈);基于赫兹接触理论、填料密封接触理论,重新构建S密封圈接触力学模型;建立有限元仿真分析模型,分析不同条件下S密封圈的密封性能,同时验证新建接触模型的合理性;利用实验测试S密封圈的实际密封效果。研究结果表明:S密封圈在高压、高温、低温等工况下能够长时间稳定工作且密封性能良好。研究结果可为S密封圈的接触研究及工程运用提供理论参考。

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。

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。

基于分形理论的浮环密封端面法向接触刚度仿真研究

浮环密封是现代航空发动机常用的密封形式之一,浮环端面的接触刚度对浮环密封辅助密封面的摩擦磨损性能有重要影响。在分形理论的基础上,基于有限元方法建立了一种新的法向接触刚度计算模型。之后通过该模型计算浮环密封端面法向接触刚度,得到了浮环密封端面法向接触刚度随压力与粗糙度的变化规律。计算结果表明:求得的法向接触刚度与粗糙表面接触试验结果吻合较好,最大相对误差不超过4%;浮环密封端面法向接触刚度随压力的增大而增加,随接触面粗糙度的增大而减小。该方法为浮环密封端面法向接触刚度的计算提供了一种新的思路。

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。

微小型航天密封圈表面缺陷检测

微小型航天密封圈表面缺陷面积占比小,目前的检测方法检测效率低、结果不稳定,检测速度和检测精度仍有提升空间。针对上述问题,提出两种基于深度学习的密封圈表面缺陷检测算法。在MobileNetv2的反向残差模块中加入多头注意力机制,构建出轻量级主干网络Efficient Model;使用Next Hybrid策略,融合工业级Transformer网络中的多个注意力机制模块,构建出Next Generation Vision Transformer主干网络。在上述两种主干网络中分别加入特征提取网络,设计出Efficient-FPN Model和Transformer-FPN Model检测算法。实验结果表明,Efficient-FPN Model和Transformer-FPN Model检测算法的平均准确率均高于YOLOv5s、YOLOv5x以及YOLOv5z,其中,Transformer-FPN Model模型的平均准确率最高,达到91.4%。Efficient-FPN Model的检测速度在五种模型中最快,达到110.8 frame/s,其平均准确率达到86.1%,也高于其他YOLOv5算法,是综合性能最优的检测模型。将这两种算法部署于自主研制的航天密封圈智能测量与测检设备,实现了快速、准确检测全向曲面柔性零件的目的。

表面粗糙度对橡塑O形圈往复密封性能的影响

建立三维确定性混合润滑数值仿真模型,该模型采用统一Reynolds方程系统法,耦合了固体力学分析、流体力学分析和接触力学分析;生成非高斯粗糙表面,基于混合润滑模型研究表面粗糙度、自相关长度比值和纹理方向对橡塑O形圈往复密封摩擦力、泄漏率、平均膜厚和接触面积比等密封性能的影响规律。研究表明:低速时随着表面粗糙度的增大,润滑区接触面积比增大,引起摩擦因数增大,平均膜厚先增大后减小,临界接触面积比约为40%;在混合润滑状态时,对于横向纹理粗糙表面,存在合适的自相关长度比值使得密封的摩擦因数和接触面积比最低;当纹理方向θ=π/10时,摩擦因数最小。

陶瓷密封环旋转摩擦噪声特性研究

旋转机械密封采用的陶瓷密封环在航空航天领域应用广泛,但其干摩擦产生的噪声问题一直未得到解决。以陶瓷密封环为研究对象,在旋转摩擦试验台上通过振动加速度传感器和精密拾音器等测得振动与噪声信号,分析了陶瓷密封环的旋转摩擦随机啸叫的特点和产生机理。试验结果表明,振动加速度的倍频响应与高频啸叫关联,转动速度是影响振动和啸叫特征频率的主要因素。根据试验建立密封环的有限元仿真模型,采用瞬态动力学分析方法,得出的各转速特征频率与试验较为吻合;获得摩擦表面的接触压力,发现转动时摩擦接触界面的反复分离-附着现象,这被认为是试验中啸叫的主要机制。另外转速越大,接触压力越大,从而可推断出摩擦力越大,其诱发的啸叫声压级更大,这与试验测得转速和声压级正相关关系吻合。

GIS密封圈老化诊断与寿命预测方法研究现状

作为气体绝缘输变电设备技术领域中的重要部分,现有的气体绝缘金属封闭开关设备(gas-insulated metalenclosed switchgear,GIS)密封圈老化诊断和寿命预测方法已不能满足当代电力工业关键零件可靠性的需求,新形势下也迫切需要以新的框架来回顾该领域的研究现状,启发新的研究思路。该文首先分析GIS密封圈压缩老化因子、热老化因子和化学老化因子的水平、分布及作用。在此基础上,回顾GIS密封圈加速老化试验从试样的热空气老化,逐步发展到充入SF6气体的完整O形圈老化等多因子老化试验的过程。然后,综述GIS密封圈机械性能表征、理化特征及气体泄漏特征3个主要方面,特别指出在大气/绝缘气体异相介质作用下GIS密封圈具有明显的非均相老化特征。最后,回溯硫化橡胶密封圈寿命预测方法在数学模型和失效判据两方面的研究成果。该文可为学术和工程研究提供一定基础性参考。

一种航天器运动机构O形轴向动密封摩擦阻力研究

针对航天器一种常用的多道冗余O形轴向动密封摩擦阻力偏大的问题,对密封圈压缩率、金属配副表面摩擦因数、装配状态等因素进行仿真和试验研究。通过试验获得密封圈压缩率与摩擦阻力的关系;建立密封圈橡胶材料与轴孔摩擦仿真模型,通过分析获得O形密封圈与不同金属副动摩擦因数可能存在关系,并通过轴孔模拟试验验证仿真结果。通过密封圈磨损部位及应力分析,探究密封圈磨损原因。结果表明:摩擦阻力随密封圈压缩率的增大呈非线性增大趋势,且压缩率越大,摩擦阻力增幅越明显,因此降低密封圈压缩率可有效降低摩擦阻力;影响密封结构摩擦阻力的关键因素在于轴与密封圈之间的摩擦因数,通过在轴表面涂覆润滑膜层,可有效降低主轴摩擦因数,从而降低摩擦阻力。

基于密封特性的弹簧金属C形环结构参数优化

C形环在密封过程中存在低应力区,这些区域难以保证密封可靠性,因此研究C形环密封特性时,需要分析有效接触应力和区域。选取外径为318 mm的C形环为研究对象,利用等效壁厚代替螺旋弹簧丝径,建立C形环等效模型,通过压缩回弹试验验证了模型的合理性。利用有限元方法研究银层厚度、包覆层厚度以及等效壁厚(弹簧丝径)对C形环密封性能的影响。结果表明:银层表面有效接触宽度随着银层厚度、包覆层厚度的增加而增大,有效接触应力随银层厚度、包覆层厚度的增加而减小,等效壁厚的增加可同时增加有效接触宽度和有效接触应力。采用正交试验对C形环的结构参数进行优化设计。结果表明:银层厚度和等效壁厚对有效接触应力和有效接触宽度影响显著。C形环最优设计方案为银层厚度0.2 mm,包覆层厚度0.5 mm,弹簧丝径3.1 mm,泄漏率试验结果表明,优化后C形环具有更好的密封性能。

基于能量法的篦齿封严环气弹稳定性数值研究

针对航空发动机篦齿封严环气弹稳定性问题,采用基于三维插值及非定常动网格技术的能量法,建立了篦齿封严环气弹稳定性数值求解模型。在验证数值方法准确性的基础上,研究了供气压力、转速和进气畸变对篦齿封严环气弹稳定性的影响,分析了篦齿封严环气动力、气动功分布特性,揭示了进气畸变对篦齿封严环气弹稳定性的影响机理。研究表明:在本文研究中,外篦齿封严环相对于内篦齿封严环更易发生气弹失稳;随供气压力增加,外篦齿封严环气弹稳定性呈现降低趋势,当供气压力为0.55 MPa和0.7 MPa时,外篦齿封严环存在气弹失稳的风险;转速2000 r/min和4000 r/min相对于6000 r/min具有更大的气弹失稳风险。相比于360°圆周进气,90°圆周进气的外篦齿封严环气动力存在相互抵消的耦合作用,所以90°圆周进气的外篦齿封严环具有较高的气弹稳定性。篦齿封严环在发生气弹失稳时,齿腔底部做功占总气动功百分比会显著增加,故在进行结构优化时,可改变齿腔底部的结构参数以对篦齿封严环气弹稳定性进行改善。

弹簧蓄能密封圈中蓄能弹簧的有限元计算及等效建模研究

弹簧蓄能密封圈是一种性能优良的密封装置,其中的蓄能弹簧可以为密封圈提供初始密封压力,起到辅助密封的作用。但目前对弹簧蓄能密封圈的研究多是在有限元软件中建立二维轴对称模型进行仿真实验,对蓄能弹簧的力学特性和建模计算方法的认识尚有不足。为实现不同结构的弹簧蓄能密封圈的参数化仿真设计,推导环形蓄能弹簧的空间曲线参数方程,建立双层螺旋蓄能弹簧的三维有限元模型,并仿真分析其力学特性。定义蓄能弹簧的内侧刚度和外侧刚度,研究弹簧不同结构参数对其刚度的影响。结果表明,弹簧的厚度和弹簧截面外径对刚度的影响较大,而弹簧中径和匝数对刚度影响可忽略不计。提出轴对称等效模型的建立原则,建立轴对称等效模型的经验公式,为弹簧蓄能密封圈的参数化仿真设计提供了参考。

周向进气畸变对篦齿封严环气弹稳定性影响研究

针对航空发动机篦齿封严环在周向进气畸变状态下的气弹稳定性问题,采用三维插值和非定常动网格技术,建立了基于能量法的篦齿封严环气弹稳定性求解模型,在验证求解模型准确性的基础上,研究了对称进气与非对称进气、进气畸变程度对篦齿封严环气弹稳定性的影响规律,分析了气动功在齿腔不同区域分布特性,揭示了周向进气畸变对篦齿封严环气弹稳定性影响机理。研究表明,周向进气畸变可改变气动阻尼比,对篦齿封严环气弹稳定性影响较大。非对称进气时,篦齿封严环气弹稳定性随畸变度的增加先降低后增加再降低。对称进气时,篦齿封严环气弹稳定性随畸变度的增加先增加后降低,相对于非对称进气畸变,对称进气方式对气弹稳定状态影响较小。篦齿封严环在发生气弹失稳时,周向进气畸变对气动功影响最大的区域位于首级篦齿迎风区域,是流场周向压力均匀性最差的区域,周向进气畸变的影响随相对距离增加而降低;篦齿封严环所有齿腔底部的总气动功受周向进气畸变影响较大,在进行结构设计时可改变齿腔底部尺寸、形状等,以降低周向进气畸变对篦齿封严环气弹稳定性的影响。

考虑多失效形式的电子制动助力器主密封圈多目标优化设计

针对电子制动助力器制动主缸主密封圈容易发生泄漏、啃噬和磨损等失效问题,进行主密封圈参数的多目标优化设计。通过台架试验分析密封圈主要失效形式,并结合用户制动工况数据进行典型工况下的仿真分析,从而确定优化目标。以主密封圈左下处角度、顶点距离、橡胶硬度和摩擦因数为变量进行正交试验设计,并利用Abaqus软件建立力学模型,得到挤入量、最大接触应力和磨损量的拟合方程。最后以密封性、抵抗啃噬和磨损为优化目标,采用多目标遗传算法,结合用户制动工况数据对密封圈材料参数、摩擦因数以及关键尺寸等进行了优化设计。仿真计算表明:优化设计后主密封圈在保证密封性的前提下,抵抗啃噬和磨损性能得到了一定改善。

基于有限单元法密封结构影响因素建模分析

密封圈结构对高压试验装置的密封性、承压性具有直接影响。依据高压试验装置的结构特点,对O型密封结构进行结构参数分析,基于Mooney-Rivlin模型对特性进行分析;利用MARC有限元分析的方法对O型圈进行密封分析,分析不同密封间隙和槽深的尺寸下,接触压应力和Von Mises应力的大小,基于分析结果,优选密封间隙和槽深参数。结果可知:密封间隙为(0.04~0.14)mm间,压缩率为(10~20)%间,能够满足设计承载条件下的密封要求;通过对影响因素分析发现,密封间隙与Von Mises应力正相关,与接触应力负相关;压缩率提升,Von Mises应力先增后降,最大接触应力先降后增;80MPa压力下,较小密封间隙、压缩率对密封结构承载是有利的;通过分析设计密封圈影响趋势,发现参数的最优解为间隙0.043mm,槽深5.357mm,压缩率为10%。分析方法和研究结果可为超高压压力容器O型密封结构设计提供参考依据。