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。

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。

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。

基于ANSYS Workbench的O形橡胶密封圈有限元分析

为了研究O形橡胶密封圈(以下简称O形圈)的压缩率与接触压强的关系,首先通过ANSYS Workbench有限元分析软件对装置结构进行必要的模型简化,其次进行关键的边界条件设置及载荷的施加等操作,最后完成非线性静态有限元分析。采用后处理分析技术,得到该装置结构的变形量及von Mises应力分布图。结合实际工况,分析螺栓预紧力、O形圈压缩率及接触压强之间的关系,保证介质(含压气体或液体)密封的接触压强满足工况需求,确保介质密封的有效性和可靠性。

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。

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。

基于响应曲面法的轴承密封圈增效设计

为解决轴承密封圈漏脂失效问题,文中建立了密封圈的热-结构耦合有限元模型,分析了高速脂润滑深沟球轴承密封圈的油侧唇角、油侧唇厚、油侧唇圆角半径和过盈量对密封圈密封性能的影响。通过拉丁超立方采样法采样,结合最小二乘法构建系统最大接触压力和最大等效应力的响应曲面,采用多目标遗传算法对密封圈进行增效设计,并加以试验验证。结果表明:在研究的参数范围内,密封圈最大接触压力随油侧唇角的增大先增大后减小,当油侧唇角取值在55°附近时取得最大值,随着油侧唇厚、过盈量的增大而增大,随着油侧唇圆角半径的增大而减小。优化后,密封圈最大接触压力的仿真结果偏离目标+3.98%,满足设计要求;密封圈增效设计后未发生明显漏脂。研究结果为轴承密封圈的增效设计提供了技术支持。

液体火箭发动机U形环密封界面优化设计

U形密封环是液体火箭发动机常用的一种密封结构,其密封性能是决定发动机可靠性的关键因素。为研究U形环的密封机制,改善其整体结构的密封性能,构建U形环密封结构的有限元分析模型,分析常温预紧工况和低温工作工况下密封环的密封性能。结果表明:相对于常温(20℃)预紧工况,低温(-183℃)工作工况下U形环密封面的有效接触宽度和接触应力更大,但仍存在密封面接触不充分的问题。采用密封界面形貌的优化设计方法对U形环密封界面进行优化设计,优化后U形环密封面从平坦形貌变为非平坦的非线性形貌,低温工作工况下U形环密封面的有效接触宽度增加了138%,接触应力分布均匀程度提升了99%,密封面的有效接触宽度大幅增加,接触应力分布的均匀性大幅改善,整体结构的密封性能显著提升。

釜用唇形密封圈密封性能与开启特性研究

通过建立唇形密封圈数值分析模型,探究开启式唇形密封静态密封性能和动态开启特性,并通过试验进行验证。结果表明:介质压力对反向开启压力的影响最明显,介质压力每升高0.01 MPa,反向开启压力随之升高0.01 MPa;结构参数对反向开启压力的影响不明显,改变唇口的结构参数可以提高静态接触时的密封性能。通过试验模拟密封实际工况,准确测量出唇口反向开启压力,试验值与计算值平均误差约为10%。

新型L形密封圈密封性能有限元分析

综合考虑橡胶材料、介质等多种因素对新型密封圈的密封性能影响,利用ABAQUS软件对新型L形密封圈进行有限元仿真分析,得到接触界面的接触压力分布。基于FFT的方法,将重构后的表面形貌特征与接触压力建立函数关系,采用栅格模型搜寻泄漏通道,依托平行平板模型进行流体力学分析,求解泄漏率。研究在2.6 MPa的流体压力下,不同厚度的密封圈的应力应变和密封面接触压力分布。结果表明:随着密封圈厚度和介质压力增大,体积泄漏率呈上升趋势,泄漏通道接触面积逐步扩大。研究结果对新型橡胶密封圈的寿命预测和失效分析具有指导意义。

外圈旋转大型深沟球轴承的密封结构设计

针对某机械用大型深沟球轴承污染严重、维护成本高的问题,优化设计了一种新型密封结构,最终优化方案得到了实施。首先对小型深沟球轴承的常规防尘盖和橡胶密封圈结构进行了介绍,总结了其特点并统计了其使用尺寸范围;然后参考常规密封的外圈牙口槽和内圈迷宫型结构,设计了一种非接触式钢板密封结构,应用后未达预期。根据轴承应用中的问题再次优化初步方案,调整了内外挡板位置并增加了O形密封圈,最终方案实施后效果良好,可为中大型深沟球轴承增设密封提供借鉴。

滑环式组合密封件的研究(I)——方形同轴密封件(格来圈)的分析

利用ANSYS建立了滑环式组合密封圈中应用最为广泛的方形同轴密封件(格来圈)的二维轴对称模型,分析了滑环厚度对接触压力的影响及液体压力对密封圈变形的影响。结果表明密封面处的接触压力随滑环厚度的减小而增加,薄滑环的跟随补偿性较厚滑环好,能够实现良好的密封,验证了滑环式组合密封圈采用“薄环”设计的正确性;所有接触面上的接触压力都随液体压力的增大而增大,密封圈变形也随之增大,薄滑环较厚滑环承受的压力大,此结果对方形同轴密封件的设计及使用提供了理论指导。

阀门密封结构中超弹性接触问题的有限元分析

针对超弹性密封材料的特点,采用增强的拉格朗日接触算法,对阀门密封结构中的M形橡胶圈进行了非线性有限元分析,给出不同位移压缩下密封界面上的接触压应力以评价密封性能,并对影响密封性能的密封基座的工艺因素进行了讨论,为阀门密封件的设计、优化提供理论依据。提出了超弹性接触类问题的有限元求解法,包括模型的简化、橡胶材料参数的确定以及如何选用合适的接触算法。

O形橡胶密封圈应力与接触压力的有限元分析

利用大型有限元软件ANSYS对O形橡胶密封圈在不同压缩率和油压下的变形与受力情况进行了分析研究,得出了相应情况下范.米塞斯(Von M ises)应力分布及接触压力与最大接触压力的变化关系。结果表明:随着油压的增加,范.米塞斯(Von M ises)应力相应增加,且应力峰区也相应改变,说明O形圈可能出现裂纹的位置是随着油压而变化的;O形橡胶密封圈与轴之间的最大接触压力随着压缩率、油压的增加而增加,在不同油压作用下,最大接触压力始终大于油压,满足O形圈的密封条件。

滑环式组合密封件的研究(Ⅱ)——阶梯形同轴密封件(斯特圈)的有限元分析

利用ANSYS建立了滑环式组合密封圈中应用较广泛的阶梯形同轴密封件(斯特圈)的二维轴对称模型,分析了滑环厚度对密封圈的变形和密封面处接触应力的影响;压缩量对密封件的接触应力、变形和VonMises应力的影响;液体压力对密封圈变形、密封面处接触应力和接触宽度的影响,结果证明随滑环厚度增加,滑环抵御变形的能力增强,密封面处的接触应力增大;压缩量越大密封件VonMises应力增加,变形增大,接触应力出现突变;随液体压力增加,O形圈和滑环变形增大,密封面处接触应力和接触宽度增加。

C形滑环式组合密封的密封性能

为研究C形滑环式组合密封的密封性能,运用Abaqus建立其二维轴对称有限元模型,研究工作压力、密封间隙、往复运动速度和摩擦因数对密封性能的影响。仿真结果表明,静密封工作时,O形圈与C形滑环之间的最大接触应力是密封的关键;随着工作压力的增大,O形密封圈和C形滑环的最大Von Mises以及二者之间的最大接触应力均呈现出增大趋势;密封间隙越小,接触应力越大。动密封工作时,密封间隙和工作压力对滑动密封的变化趋势与静密封时基本一致;C形滑环与活塞杆之间的摩擦因数越小,密封效果越好;往复运动速度对最大接触应力的影响不大。

往复密封中星型密封圈的密封性能分析

建立星型密封圈和O型密封圈的有限元模型,分析它们在静密封和往复动密封中的密封性能,并对影响星型密封圈往复密封特性的流体工作压力、往复运动速度、预压缩量和摩擦因数进行分析。结果表明,在静密封中,星型密封圈的密封性能比O型圈好,但其内应力较大,容易发生失效;在往复动密封中,密封圈的密封性能随时间呈现波动变化,星型圈比O型圈更适宜用于动密封中;星型圈在内行程中的密封性优于外行程,但其随时间波动较大;星型圈的最大接触应力并不与工作压力和运动速度呈线性关系,预压缩量和摩擦因数对星型圈内行程中的密封性能影响较小,而对其外行程影响较大。

一种含超弹性接触问题的密封结构的有限元求解方法

对所研究的密封结构进行了分解和简化。采用接触单元法 ,对其中的关键密封元件—— O形密封圈建立了一种新的含有接触计算的超弹性有限元模型 ,并改进了网格的划分。运用国际通用 I- DEAS软件和 ANSYS有限元分析程序对其进行了求解。

O形圈轴对称超弹性接触问题的有限元分析

本文采用罚单元接触算法,建立了O形橡胶密封圈的轴对称超弹性接触问题的非线性有限元分析模型,结合国际上通用的有限元分析系统ANSYS程序,对多种型号的O形圈进行了有限元分析,为橡胶密封件的设计计算提供了一条新途径。