6-卡箍橡胶密封圈选型设计报告及力学性能试验报告

灌浆卡箍力学实验及分析研究

系列报告（六）：

卡箍橡胶密封圈设计报告及力学性能试验报告

哈尔滨工程大学黑龙江省重点实验室

水下作业技术与装备实验室王茁孙立波

目录

卡箍橡胶密封圈选型设计报告及力学性能试验报告 (1)

0、引言 (1)

1、密封圈材料分析及选择 (1)

1.1、密封圈材料的性能分析 (1)

1.2、密封圈材料的选择 (4)

2、O型密封圈的分析 (5)

2.1、灌浆卡箍中O型密封圈有限元分析计算模型 (5)

2.1.1、橡胶材料有限元分析及本构模型 (6)

2.1.2、O型密封圈有限元分析模型 (6)

2.2、O型密封圈失效模式与失效判据 (7)

2.2.1、最大应力 (7)

2.2.2、最大接触应力 (7)

2.2.3、剪应力 (7)

2.3、计算结果与数据分析 (8)

2.3.1、预紧状态时108mm ×2mm规格O型密封圈变形及 Von Mises 应力分布 (8)

2.3.2、不同水压时O型密封圈变形及 Von Mises 应力分布 (9)

2.3.3、预紧状态时108mm × 2.6mm规格O型密封圈变形及 Von Mises 应力分布 (11)

2.3.4、不同水压时O型密封圈变形及 Von Mises 应力分布 (12)

2.3.5、不同压缩率时O型密封圈最大 Von Mises 应力、最大接触压力与水压的关系 (14)

2.4、结论 (14)

3、卡箍密封实验分析及密封圈的选择 (15)

3.1、卡箍密封实验 (15)

3.1.1、实验目的 (15)

3.1.2、实验装置 (15)

3.1.3、实验步骤 (15)

3.1.4、小的直管卡箍密封实验结果分析 (16)

3.1.5、小的K管卡箍密封试验结果分析 (17)

3.1.6、小的直管径向加填料密封的实验结果分析 (18)

3.1.7、液压伸缩式直管卡箍和大的K管卡箍的密封实验结果分析 (20)

3.2、密封圈的选择 (24)

4、密封圈的力学性能实验 (24)

4.1、实验目的 (24)

4.2、实验装备 (24)

4.3、实验结果 (25)

4.4、卡箍橡胶密封圈的选型及卡箍沟槽尺寸 (27)

5、总结 (28)

卡箍橡胶密封圈选型设计报告及力学性能试验报告

0、引言

随着人类对海洋资源不断地开拓利用，应用于水下的设备也越来越多样化。由于水下作业具有深度大、时间长和复杂性高等特点，且直接关系到人身安全，因此人们对水下设备的可靠性和安全性提出了越来越高的要求。其中，密封设计是保证水下设备正常使用、安全可靠的关键环节。密封泄漏或失效，轻者使装备不能正常工作，重者会使装备产生腐蚀或破坏，甚至危及人员生命安全。密封圈作为保证密封性的重要措施，在设备的结构设计中应加以重点考虑，所以对于密封圈的选型及其力学性能分析尤为重要。

1、密封圈材料分析及选择

1.1、密封圈材料的性能分析

由于卡箍形状的限制，卡箍密封不能使用传统意义上的法兰密封形式。因此采用在卡箍内镶嵌密封胶圈的形式对卡箍进行密封。考虑到卡箍复杂的工作环境，初步选定了丁腈橡胶、乙丙橡胶、硅橡胶、氟橡胶、聚氨酯、三元乙丙橡胶六种密封胶条。对以上六种橡胶的性能进行对比，结合工况需求选择合适的密封材料。

（1）丁腈橡胶（简称NBR）是一种高分子弹性体，其基本组成成分是丙烯腈和丁二烯。工业上使用的丁腈橡胶大都是由乳液法制得的普通丁腈橡胶。丁腈橡胶既有良好的耐油性，又保持有较好的橡胶特性，广泛用于各种耐油制品。高丙烯腈含量的丁腈橡胶一般用于直接与油类接触、耐油性要求比较高的制品，如油封、输油胶管、垫圈等。低丙烯腈含量的丁腈橡胶用于耐油性较低的制品，如低温耐油制品和耐油减震制品等。由于分子结构的原因丁腈橡胶自身的强度较低，使用的丁腈橡胶通常对其结构进行了补强，增加其力学性能。比较典型的力学性能见表1.1。

表1.1 丁腈橡胶的物理学性能

丙烯腈含量/% 26 32 35 40

200%定伸应力/MPa 4.4 4.9 6.3 6.7

拉伸强度/MPa 18 18.5 18.9 20.4

伸长率/% 640 600 570 600

硬度（JISA）58 62 64 70

撕裂强度/KN·m-146 47 46 52

回弹率/% 53 47 41 28

（2）乙丙橡胶为乙烯、丙烯的二元聚合物（EPM）简称二元乙丙橡胶或乙烯、丙烯及少量非共轭双烯类烯烃的三元共聚物（EPDM）简称三元乙丙橡胶，采用溶液法和悬浮法在有机催化剂作用下进行二元或三元共聚制得的无规共聚物。乙丙橡胶具有良好的耐老化性、耐氧化性、耐化学介质性。不仅在化学性能方面表现优异，在物理性能方面对低温环境具有良好的抗性，在电绝缘方面表现尤为突出。材料相对密度较小具有很好的填充性能；作为橡胶材料本身在弹性和抗压缩变形性方面表现优异，特别是非结晶性，且低温状态下的鞍型保持性好。主要运用于有耐水、耐腐蚀要求的领域。乙丙橡胶经常使用在建筑领域代替沥青材料作为防水卷材使用，乙丙橡胶使用寿命长、具有良好的弹性、使用乙丙橡胶的建筑防水性能得到有效提高，广泛用于房屋、桥梁、隧道、水库和堤坝等防水工程。乙丙橡胶主要力学性能见表1.2。

表1.2 乙丙橡胶的力学性能

胶料牌号拉伸强度（≥）

/MPa

扯断伸长率

（≥）/%

扯断永久变形

（≥）/%

撕裂强度（≥）

/(KN/m)

硬度（绍尔

A）

8350 13.0~16.7 470~630 －34.0~40.0 46~52

8360-1 15.5~18.5 220~275 －34.0~38.5 61~64

8370-1 12.7~22.5 142~238 －25.4~42.1 69~76

8380-1 14.8~20.4 130~213 －24.5~38.2 75~80

EP8282 10.8~16.0 170~260 4~6 －77~82

EP8189 12.6~17.6 120~210 4~6 －85~90

H8901 13.9~23.3 98~140 －－89~92

（3）硅橡胶（简称SiR）的分子主链由硅原子和氧原子组成（—Si—O—Si—），其侧链主要是烷基、苯基、乙烯基、氰基和含氟基等。硅橡胶又称聚有机硅氧烷（聚硅酮），通常用氯硅烷制备。由于分子珠帘由硅原子和氧原子组成，因此具有无机高分子的特征。具有很高的热稳定性。由于侧基是有机基团，又赋予硅橡胶一系列优异性能。硅橡胶的主要特征是卓越的耐高低温性、优异的耐臭氧和耐侯性、优良的电绝缘性和透气性以及特殊的生理惰性和生理老化性能等。经过改性的硅橡胶还能耐油、耐燃、耐辐射以及作为功能高分子使用[i]。硅橡胶具有独特的综合性能可用于汽车配件、电子配件、宇航密封制品、建筑工业的黏结缝、家用电器密封圈、医用人造器官、导尿管等。但硅橡胶易溶于汽油，煤油等含笨的溶剂，因此与苯类溶剂接触的密封中应避免使用硅橡胶。耐疲劳硅橡胶的性能见表1.3。