柱塞泵密封圈有限元分析

有限元分析方法

课程名称有限元分析方法

题目柱塞泵密封圈接触应力的有限元分析学生姓名

学号

专业机械工程

学院机械工程

任课教师

柱塞泵密封圈接触应力的有限元分析

1. 橡胶密封圈的发展状况

柱塞泵中的密封圈多采用V型橡胶密封圈，是典型的往复式柔性密封。虽然人类对往复式柔性密封的研究有几十年的历史，但是至今对它的认识还很不够。许多学者发现，在密封的往复行程中，在唇口与密封表面间有一层油膜，使摩擦系数下降。60年代以后，随着流体动压润滑理论的发展，奥地利的H.Blok认为密封面的润滑问题可设想为滑动轴承流体动压润滑的逆问题，即假设已知压力分布，然后应用雷诺方程来计算油膜厚度、速度分布、剪切应力、泄漏量与摩擦力。为求得密封表面合理的薄膜形状，首先需要解决的问题是密封柔性元件与刚性表面间的压力分布曲线。可见，对于柱塞密封圈润滑机理的研究，首先应从柱塞与密封圈间接触应力的确定着手。但是由于结构和载荷的复杂性，要求得理论解往往是很困难的。采用有限单元法来计算橡胶密封圈与柱塞间的接触应力是一种有效的方法。

2. 柱塞密封圈的结构

如下图1所示，柱塞1受到约束只能作直线往复运动；柱塞密封后压帽2对密封起压紧调节作用；密封体部分由三道橡胶密封圈7和三道PTFE垫环8相间叠置组成，这种结构能保证密封圈依次工作，即当第一道密封圈失去作用后，压差传至第二道密封圈，第二道密封圈也能够起到密封作用，从而提高总的寿命；支承环6是支承V型密封圈的重要部件；压环9的作用是给V型密封圈形成初始压缩量，使其与密封面充分接触，压环的端面宽度应该较腔体宽度稍小，它与柱塞间的间隙约为0.12～0.20mm，这样压力更好地作用于密封唇使其充分张开；密封函体上的小孔5是强制润滑油的入口。这样可以对含有杂质的油进行过滤，进而起到一定的保护作用。

图1 密封结构及材料

3. 橡胶的力学特性

橡胶是一种近似不可压缩的高弹性材料，泊松比v随变形量的增加而减少，一般在0.4500~0.4999范围内变化。橡胶具有高弹性，它在较小的外力作用下就能显示出高度变形的能力，而在外力除去以后，又基本上能恢复原来的形状。橡胶在变形量小于50％时是理想弹性体。柱塞泵所用的橡胶密封圈，其硬度很高，而在工作过程中，变形很小。因此在有限元计算时，将橡胶视为性弹性材料。

4. 载荷的确定

橡胶唇型密封圈的密封原理是依靠填装在密封腔体中的预紧压力，以其唇边缘紧贴密封腔体表面，阻塞泄露通道而获得密封效果。在介质压力作用时，唇边进一步贴紧密封腔表面从而增强阻塞泄露通道的密封效果，即其密封的有效压力等于预压力与流体压力之和。由于柱塞泵的工作压力高（在酸化压裂时排出压力高达100MPa），因而预压力的效果相比起来就很小。因此，橡胶密封圈所受载荷为工作介质压力和摩擦力。

5. 计算条件

密封圈材料：聚氨酯橡胶、丁腈橡胶；柱塞尺寸：φ101.6mm ；垫环材料：填充PTFE；工作介质: 酸化液体；工作压力：30～80MPa；材料的性能参数见下表1。

表1 材料性能参数

7.

7.1 创建几何模型

根据以上计算条件及参数确定如表2确定各关键点坐标：选择Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>In Active Cs命令,依次输入8个关键点坐标。

表2 关键点坐标

节点 1 2 3 4 5 6 7 8

X 0 0 1.9 10.8 12.7 12.7 10.8 1.9

Y 10.8 3.3 0 0 3.3 10.8 7.5 7.5

Z 0 0 0 0 0 0 0 0

然后选择Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Areaa>Arbitrary>Through KPs命令，弹出选取对话框，用鼠标在图形视窗中拾取已经建立好的关键点建立如图2所示的有限元分析模型：

图3 有限元分析模型

7.2 定义单元类型

选择main menu>Preprocessor>Element Type>Add／Exlit／Delete命令，弹出Element Type 对话框，在Element Type中选择Add，在Libray of Element Type 列表中选择Structure Solid、Quad 8node 183 选项即定义单元类型为PLANE183单元类型。如图4所示：

图4 定义单元类型

7.3 定义材料属性选择Main manu>preprocessor>Material props>Material Model命令，弹出Define Materia Model Behavior对话框，材料选用丁腈橡胶N232SH,打开如下图5所示对话框，定义材料的EX=25.29MPa和PRXY=0.47.

图5 定义材料属性

7.4 划分网格

1）定义网格尺寸

选择Main Menu→Preprocessor→Meshing→Size Cntrls→Manual Size→Areas→All Areas命令，在弹出的对话框中输入单元连长0.5，如图6所示。

图6 定义网格尺寸

2）划分网格

选择Main Menu→Preprocessor→Meshing→Mesh→Areas→Free命令，选择已画好的面，网格划分后的结果如图7所示。

图7 网格划分

7.5 加载求解

1）定义边界条件

在主菜单中选择Main Menu>Preprocessor>Loads>Define Loads>Apply>Structural>Displacement>On lines 命令，弹出拾取线对话框，在工作区域轴向工作断面1876上，给出已知分布的工作压力。与泵体接触边界