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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(wú)法承受很大的軸向作用力,所以在卡箍鎖緊力作用下會(huì)產(chǎn)生一定的錐度變形,導(dǎo)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(chuàng)建接觸對(duì)時(shí)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(wěn)定,無(wú)法進(jìn)行正確的計(jì)算。 為提高計(jì)算收斂性,得到理想的結(jié)果,通常的處理方法是在加載前將目標(biāo)面向接觸面進(jìn)行初始滲透,即將圖2中的間隙壓平且上下平面也創(chuàng)建接觸對(duì),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(jì)算能達(dá)到較為理想的結(jié)果
加載計(jì)算條件,定義為軸對(duì)稱,計(jì)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(nèi)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(jù) 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(nèi)部氣壓情況下,無(wú)法同時(shí)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(shí)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(chuàng)建4個(gè)接觸對(duì)。 (2) 保證橡膠密封件無(wú)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(shí)卡箍上的壓力,該壓力要比筒體內(nèi)氣壓要稍大。
橡膠密封件上錐面接觸壓力分布趨勢(shì):無(wú)論在何種氣體壓力狀態(tài)下,都是節(jié)點(diǎn)1即初始線接觸點(diǎn)的下面一點(diǎn)承受的壓圖4 接觸壓力圖5 綜合應(yīng)力曲線圖圖6 徑向變形曲線圖力大;參與接觸的各節(jié)點(diǎn)都是隨著筒體內(nèi)部的壓力的增大而增大。 在超高壓時(shí)上錐面上的2,3節(jié)點(diǎn)也參與了接觸,錐面的接觸由線接觸變?yōu)樾…h(huán)面接觸。2)綜合應(yīng)力 由圖5可見,橡膠密封件上錐面應(yīng)力隨著筒體內(nèi)部壓力的增大而增大,節(jié)點(diǎn)1和上錐面與上平面圓角處有應(yīng)力集中; 在同一工作條件下: 低壓時(shí),橡膠密封件錐面應(yīng)力由上到下依次增加;高壓時(shí),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(dá)到1000 MPa以上,因此對(duì)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(shí),錐面的變形都為負(fù),這是因?yàn)榭ü挎i緊力大,筒內(nèi)氣壓較小,不足以使橡膠密封件沿徑向外膨脹。 高壓時(shí),橡膠密封件上錐面上部分的節(jié)點(diǎn)變形量為負(fù),下部分的節(jié)點(diǎn)為正,這表明橡膠密封件的內(nèi)環(huán)面凹進(jìn),接觸面積變大。
超高壓橡膠密封件受到強(qiáng)擠壓時(shí),橡膠密封件材料易產(chǎn)生大塑性變形而喪失彈性,使密封性能急劇下降,導(dǎo)致橡膠密封件重復(fù)使用率低,所以選材時(shí)應(yīng)參考ANSYS 算出的大綜合應(yīng)力,綜合多方面因素后確定。橡膠密封件的加工務(wù)必保持錐面的整體一致性,避免接觸面出現(xiàn)局部大的凹凸變形。超高壓密封容器工作壓力波動(dòng)大,瞬時(shí)溫升高,易導(dǎo)致橡膠密封件塑性流變加劇,造成大變形,甚至局部產(chǎn)生裂紋。同時(shí)由于氣壓載荷周期性循環(huán)變化,橡膠密封件上下接觸表面容易出現(xiàn)磨損甚至疲勞。
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