快開閥芯橡膠密封墊密封結構的有限元分析

劉少春，楊曉翔

(福州大學機械工程與自動化學院，福建 福州 350002)

橡膠密封件因成本低廉、結構簡單及安裝方便等優點，在水暖建材行業得到廣泛應用。本工作以快開閥芯橡膠密封墊的靜密封為例，利用有限元軟件對其密封結構建模，計算和分析快開閥芯裝配過程中橡膠密封墊所承受的應力，分析在最大工作介質壓力下橡膠密封墊的密封性能，以期為確定快開閥芯橡膠密封墊的軸向壓縮量提供依據，從而提高橡膠密封墊設計質量，縮短研發周期。

1 有限元模型建立

快開閥和快開閥芯橡膠密封墊分別如圖1和2所示。

圖1 快開閥

橡膠材料本構關系的非線性以及橡膠制品應用時的大變形性、接觸非線性邊界條件使橡膠制品的工程模擬難度非常大。模擬的準確性與采用的本構關系模型以及模型中材料參數有密切關系。本工作選用Mooney-Rivlin模型作為材料的本構模型。

圖2 快開閥芯橡膠密封墊

1.1 材料參數的確定

Mooney-Rivlin模型中材料常數（C）與材料彈性模量（E）的關系為[1-2]：

根據經驗公式：

橡膠邵爾A型硬度（A）與E的關系為[3]：

本設計密封墊材料為硅橡膠，邵爾A型硬度為70度，從式（1）～（3）得出E為7.29 MPa，C01為0.243 MPa，C10為0.972 MPa，泊松比為0.499。

1.2 分析模型

根據快開閥芯橡膠密封墊的對稱性，取密封結構的1/4建模，模型的有限元網格如圖3所示。

圖3 快開閥芯橡膠密封墊密封結構的有限元網格

與橡膠密封墊接觸的表面均視為剛性面，只有橡膠密封墊為變形體，由6024個20節點六面體單元SOLID186組成，接觸單元為TARGE170和CONTA174。密封是接觸式密封，采用ANSYS軟件提供的Augmented Lagrange接觸迭代算法。采用滑動庫侖摩擦模型，摩擦因數取0.2。快開閥芯橡膠密封墊密封約束條件如圖4所示。圖4中，A截面上設置xoy平面為對稱面，B截面上設置yoz平面為對稱面，閥殼零件的C面約束所有自由度，底座零件約束外柱面D的圓周和徑向自由度，釋放軸向y方向的自由度，同時向底座零件底面E施加y方向的位移，使橡膠密封墊產生軸向預壓縮。整個過程用來模擬快開閥芯的安裝過程。

圖4 快開閥芯橡膠密封墊密封的約束條件

2 有限元分析

2.1 裝配應力分析

橡膠密封墊在裝配時受到軸向預壓縮，形成有效的密封帶，保證快開閥芯在承受工作介質壓力時不會泄漏。軸向壓縮量為0.4 mm，0.6 mm，0.8 mm和1.0 mm時橡膠密封墊的Von Mise應力分布分別如圖5～8所示。從圖5～8可以看出：隨著軸向壓縮量增大，應力較大的區域位置未發生變化，基本都在上、下接觸面和圖5圓圈標識處；隨著軸向壓縮量增大，應力增大。在較大應力作用下，橡膠會發生不可恢復的永久變形或材料失效，影響橡膠制品的密封性能。

圖5 軸向壓縮量為0.4 mm時橡膠密封墊的Von Mise應力分布

橡膠密封墊最大Von Mise應力與軸向壓縮量的關系如圖9所示。從圖9可以看出，最大應力與軸向壓縮量呈非線性關系；隨著壓縮量增大，最大應力增長率增大，即曲線斜率增大。

圖9 橡膠密封墊軸向壓縮量與最大Von Mise應力的關系

2.2 密封性能分析

圖6 軸向壓縮量為0.6 mm時橡膠密封墊的Von Mise應力分布

橡膠密封的失效準則和失效判據目前普遍采用的是最大接觸應力大于工作壓力[4]。根據美國衛浴排水產品標準ASME A112.18.2-2011-CSA B125.2-11，水龍頭承受的最高工作水壓為0.86 MPa。因此，為保證快開閥芯能承受0.86 MPa工作水壓，橡膠密封墊上、下接觸面的接觸應力要大于0.86 MPa。根據快開閥芯軸向裝配尺寸計算，橡膠密封墊的最小軸向壓縮量一般為0.4 mm。因此，在快開閥芯工作水壓為0.86 MPa和橡膠密封墊軸向壓縮量為0.4 mm時，橡膠密封墊上、下接觸面的接觸應力大于0.86 MPa才能保證快開閥芯的密封性能。

圖7 軸向壓縮量為0.8 mm時橡膠密封墊的Von Mise應力分布

圖8 軸向壓縮量為1.0 mm時橡膠密封墊的Von Mise應力分布

為了研究橡膠密封墊的密封性能，模擬了快開閥芯工作水壓為0.86 MPa和橡膠密封墊軸向壓縮量為0.4 mm時橡膠密封墊上、下接觸面的接觸應力（如圖10所示）。從圖10可以看出，接觸面中接觸區域的接觸應力大于工作壓力，接觸區域越長說明橡膠密封墊的密封效果越好。

圖10 橡膠密封墊上、下接觸面的接觸應力

綜上所述，設計合理的橡膠密封墊安裝過盈量非常重要，既能保證密封，又能使橡膠密封墊的應力盡量小，以保證橡膠密封墊較長的使用壽命。

3 橡膠密封墊軸向預緊力模擬結果與試驗結果對比

為了驗證模擬結果的準確性，進行快開閥芯橡膠密封墊軸向壓縮試驗，得到橡膠密封墊軸向壓縮量和軸向預緊力數據，并與有限元計算結果進行對比（如圖11所示）。從圖11可以看出：在軸向壓縮量小于0.8 mm時，軸向預緊力模擬值稍大于試驗實測值；在軸向壓縮量大于0.8 mm后，軸向預緊力模擬值與試驗實測值差別不大。從總體來看，模擬結果和試驗結果比較吻合。在實際實施的設計方案中，快開閥芯橡膠密封墊軸向壓縮量的設計名義值為0.8 mm左右。因此，本工作所構建的有限元分析模型及材料參數確定方法對類似的密封結構設計具有參考價值。

圖11 橡膠密封墊軸向壓縮量與軸向預緊力的關系

4 結論

（1）通過建立快開閥芯橡膠密封墊密封結構的Mooney-Rivlin非線性有限元分析模型來模擬橡膠密封墊安裝及工作密封過程，可以得到任意軸向壓縮量下橡膠密封墊的應力和變形的變化規律，以便優化建立橡膠密封墊的設計。

（2）有限元分析得出：快開閥芯橡膠密封墊裝配時，隨著軸向壓縮量增大，應力較大的區域位置未發生變化，基本在上、下接觸面；軸向壓縮量增大，Von Mise應力增大；最大Von Mise應力與軸向壓縮量呈非線性關系，軸向壓縮量增大，最大應力增長率增大。

（3）為了保證橡膠密封墊的密封性能和使用壽命，在橡膠密封墊設計中確定合理的軸向壓縮量非常重要。本設計橡膠密封墊的合理壓縮量為0.8 mm。

（4）密封墊軸向壓縮量和軸向預緊力的模擬結果與試驗結果比較吻合。