深井超聲波清洗裝置的O型密封圈有限元分析*

樂澤鋅，雷澤勇，鐘 林，李 魁，李興鎮(zhèn)，鄭幫龍

(南華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽 421000)

0 引 言

地浸采鈾技術(shù)始于20世紀(jì)50年代[1-2]，目前是我國應(yīng)用范圍較廣的采鈾方式。在鈾礦地浸生產(chǎn)井使用過程中，容易形成CaSO4、SiO2膠體等沉淀造成過濾器堵塞，影響浸出效率[3]。目前常用洗井清堵方式主要為壓縮空氣洗井和活塞洗井。但這兩種方法作業(yè)程序復(fù)雜，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、清洗時(shí)間長等[4]。相比較而言超聲波清洗技術(shù)具有除垢效果明顯、清洗時(shí)間短，對(duì)工件表面無損傷等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此考慮采用超聲波清洗裝置對(duì)地浸生產(chǎn)井進(jìn)行清洗。研制了一套超聲波洗井裝置，由超聲波震頭和魚雷接頭兩部分構(gòu)成，鋼管中裝有24個(gè)50 W的超聲波震頭，超聲波發(fā)生器通過魚雷接頭的鋼絲繩電纜與震動(dòng)棒的電纜相連，實(shí)現(xiàn)0～1 200 W可調(diào)，從而達(dá)到不同的清洗效率。超聲波魚雷接頭是連接超聲波發(fā)生器與超聲波震動(dòng)棒的關(guān)鍵部件，起著連接密封的作用，其O型密封圈的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接影響整個(gè)超聲波清洗系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。但在現(xiàn)場使用超聲波進(jìn)行清洗作業(yè)時(shí)發(fā)現(xiàn)超聲波清洗裝置與魚雷接頭連接密封性較差，在水下高壓環(huán)境壓力下容易出現(xiàn)滲水、電器短路現(xiàn)象，嚴(yán)重影響清洗效果和工作效率。為提高裝置的連接密封性，對(duì)超聲波清洗裝置與魚雷接頭處O型密封圈的密封性能進(jìn)行了重點(diǎn)研究。

目前，國內(nèi)對(duì)于O型橡膠圈的密封防水能力沒有明確的計(jì)算方法，通常是通過試驗(yàn)予以確定。但試驗(yàn)條件較為理想，不能完全反映實(shí)際工程中各種不利因素的影響。文獻(xiàn)[5]～[8]介紹了通過有限元軟件進(jìn)行分析和預(yù)估的方法，有效地反映了密封圈的密封性能?；谝延形墨I(xiàn)研究資料，利用有限元軟件ANSYS對(duì)O型橡膠密封圈的工作過程進(jìn)行模擬，分析其接觸應(yīng)力，得出不同條件下 O 型橡膠密封圈防水性能，對(duì)于高壓密封結(jié)構(gòu)有著重要的研究價(jià)值。

1 超聲波魚雷接頭設(shè)計(jì)方案

1.1 超聲波魚雷接頭結(jié)構(gòu)

超聲波洗井裝置如圖1所示，其中重要連接部分超聲波魚雷接頭如圖2所示，主要由儀器接頭18、魚雷主體13和過渡接頭4等組成。為保證井下超聲波系統(tǒng)能長時(shí)間的正常工作，超聲波裝置與魚雷接頭對(duì)接并用橡膠密封圈密封，超聲波發(fā)生器和震動(dòng)棒通過魚雷接頭連接以及傳輸信號(hào)。由于當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，超聲波鋼管將下放至井內(nèi)不同深度處，進(jìn)而管壁將在不同壓力下工作，為了保證密封處的穩(wěn)定，魚雷主體的O型密封圈尤為重要。

圖1 超聲波洗井裝置

圖2 魚雷接頭1.O型密封圈 2.防轉(zhuǎn)釘 3.拉緊套 4.過渡接頭 5.單芯密封塞 6.銅插孔 7.黑膠套 8.尾簧 9.橡膠套 10.固定螺釘 11.注脂螺釘 12.橡膠墊 13.魚雷主體 14.緊定螺釘 15.魚雷錐體外殼 16.魚雷中錐套 17.魚雷小錐套 18.儀器接

1.2 O型密封圈選型及溝槽尺寸設(shè)計(jì)

O型密封圈按照密封結(jié)構(gòu)的不同主要分為兩大類：徑向密封和軸向密封，其中徑向密封分為活塞密封和活塞桿密封，魚雷接頭和超聲波鋼管的密封屬于活塞桿密封，通過查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》O型密封圈規(guī)格表如表1所示，選取合適的密封圈截面直徑。

在設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到裝置的直徑的限制，在保證壓縮率和密封性的前提下，盡可能選擇直徑較小的O型圈規(guī)格。根據(jù)圖3裝置的尺寸模型，按照表1的推薦，選擇截面直徑為3.55 mm的O型圈，結(jié)合文獻(xiàn)[9]《液壓氣動(dòng)用O型橡膠密封圈 第一部分尺寸系列及公差標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 3542.1-2005，選取的O型圈內(nèi)徑規(guī)格D1為50 mm，O型圈密封屬于擠壓密封，對(duì)于活塞桿密封，在O型圈的裝配過程中存在預(yù)壓縮和壓縮擠壓的兩個(gè)過程，O型圈密封效果的好壞很大程度上取決于密封圈壓縮量、預(yù)壓縮量及O型圈尺寸與溝槽尺寸的正確匹配，O型圈溝槽底徑直徑D3和O型圈溝槽深度t的極限尺寸計(jì)算公式，分別為：

表1 O型密封圈規(guī)格

圖3 超聲波鋼管與魚雷接頭連接處的尺寸模型1.魚雷接頭 2.O型密封圈 3.超聲波鋼管壁

D3max=(1-Ymin)(D1min+2D2min)

(1)

D3min=(1-Ymax)(D1max+2D2max)

(2)

(3)

(4)

式中：Y%為預(yù)壓縮率；S%：壓縮率；D1為O型圈內(nèi)徑，單位為mm；D2為O型圈截面直徑，單位為mm；D3為O型圈溝槽底徑直徑，單位為mm；t為O型圈溝槽深度，單位為mm。已知最小預(yù)壓縮Ymin%為0，最大預(yù)壓縮Ymax%、最小壓縮率Smin%和最大壓縮率Smax%分別為5%、11.5%和27.5%，將O型圈內(nèi)徑尺寸D1和截面直徑尺寸D2的數(shù)值代入公式(1)～(4)得到溝槽底徑直徑和深度尺寸，O型圈溝槽深度t得最大值為3.19 mm，最小值為2.29 mm，取值2.8 mm。

2 O型密封圈結(jié)構(gòu)有限元分析

O型圈密封原理是發(fā)生了擠壓彈性變形，橡膠圈和超聲波鋼管壁及魚雷接頭溝槽的接觸面由于橡膠材料產(chǎn)生了彈性變形以及橡膠材料的不可壓縮性，接觸面上產(chǎn)生了接觸壓力，Pjmax表示最大接觸壓力，P表示缸體內(nèi)介質(zhì)的壓力，O 型密封圈的最大接觸應(yīng)力越大密封性能越好[10]，當(dāng)Pjmax>P時(shí)，滿足靜密封的要求。

2.1 ANSYS有限元模型的建立

將魚雷接頭內(nèi)的密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化如圖4所示，屬于活塞桿和活塞的密封方式，結(jié)構(gòu)圖形是軸對(duì)稱，載荷也是軸對(duì)稱的，因此采用2D軸對(duì)稱作為分析模型，能提高計(jì)算的效率和準(zhǔn)確性。由上文得知，O型密封圈的溝槽深度t取值2.8 mm，外界初始載荷壓力為0，將這一次參數(shù)設(shè)置為模擬分析的對(duì)象，以1 MPa為增量梯度分析不同壓力下最大接觸壓力的大小值，檢驗(yàn)密封圈在壓力作用下的密封性能。利用SolidWorks軟件建立O型密封圈的幾何模型，通過保存好的.STEP文件模型導(dǎo)入到ANSYS分析軟件中，對(duì)O型密封圈進(jìn)行工作載荷下的應(yīng)力和變形仿真分析。

圖4 有限元模型 圖5 網(wǎng)格劃分

2.2 模型網(wǎng)格的劃分及材料參數(shù)計(jì)算

對(duì)O型密封圈的網(wǎng)格尺寸大小為0.2 mm的自由網(wǎng)格劃分，超聲波鋼管和魚雷接頭的網(wǎng)格尺寸大小也為0.2 mm，得到的網(wǎng)格圖如圖5所示，O型圈選取的材料為氟橡膠其彈性模量E為7.84 MPa，泊松比μ為0.49，ANSYS材料庫中增加Field Variables，彈性模量E和泊松比μ代入各向同性的相關(guān)設(shè)置里，取楊氏模量為7.84 MPa，泊松比為0.49，將其數(shù)值輸入到ANSYS材料庫中，如圖6所示。

圖6 材料屬性

2.3 設(shè)置接觸類型

O型密封圈與魚雷接頭、超聲波鋼管壁之間的接觸是非線性行為[11]，是屬于包含非線性材料的接觸，當(dāng)接觸條件滿足無穿透約束條件，即認(rèn)為接觸物與目標(biāo)物發(fā)生了接觸，接觸問題屬于帶約束條件的泛函極值問題[12]，在解決非線性接觸中常用方法一般為增廣拉格朗日乘子法。增廣拉格朗日乘子法是一種通過乘子對(duì)帶約束極值問題的接觸體施加其必須要滿足的無穿透約束條件的一種方法[13]。本次模擬O型密封圈與魚雷接頭的接觸求解方法即為增廣拉格朗日乘子法，類型設(shè)置為摩擦接觸，摩擦系數(shù)為0.05，接觸截面如圖7所示。

圖7 接觸截面

2.4 載荷約束及后處理結(jié)果

超聲波鋼管壁的底部設(shè)置位移約束，限制其Y方向上的位移為0，在-X方向上設(shè)置為0.7 mm的位移距離，同時(shí)對(duì)魚雷接頭采用fixed support命令進(jìn)行約束，其載荷約束見圖8所示：在后處理過程查看接觸應(yīng)力，研究壓力載荷與接觸應(yīng)力的關(guān)系。

圖8 約束載荷

為探究外界壓力對(duì)接觸壓力的影響，研究O型密封圈在高壓下的密封性能，設(shè)定O型圈直徑為3.55 mm、溝槽寬度4.5 mm固定不變，將外界壓力載荷作為變量。圖9分別為外界壓力為0、1 MPa、2 MPa、3 MPa下的應(yīng)力云圖，表2為接觸壓力與外界壓力的關(guān)系。

圖9 不同外界壓力對(duì)應(yīng)的接觸壓力云圖

表2 不同外界壓力下對(duì)應(yīng)的接觸壓力值/MPa

由圖4～5和表2所示，外界壓力越大，O型密封圈與超聲波鋼管壁和魚雷接頭接觸時(shí)產(chǎn)生的接觸應(yīng)力越大，在壓力為3 MPa時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力最大為18.98 MPa，在不施加壓力時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力最小為3.36 MPa，接觸應(yīng)力隨著外界壓力的增加而顯著提高。深井內(nèi)超聲波清洗裝置使用的環(huán)境水壓是3 MPa，為了保證該裝置的密封性和可靠性，O型密封圈的接觸應(yīng)力必須要大于3 MPa，顯然從分析結(jié)果來看接觸應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于環(huán)境壓力，所以該O型密封圈的密封性能達(dá)到要求，可以保證超聲波清洗裝置在水下正常工作。

3 結(jié) 語

探討深井超聲波清洗裝置的O型密封圈結(jié)構(gòu)，確定O型密封圈以及溝槽的選型，通過ANSYS有限元分析軟件對(duì)密封圈的結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析，模擬出了不同環(huán)境壓力對(duì)O型密封圈接觸應(yīng)力的影響，環(huán)境壓力為3 MPa時(shí)，分析結(jié)果顯示密封圈的最大應(yīng)力值為18.98 MPa，滿足密封性能要求。對(duì)深井超聲波清洗裝置研究提供了技術(shù)支持，為同類型高壓工作裝置的O型密封結(jié)構(gòu)探索提供有益借鑒。