盾構機橡膠密封件孔洞結構設計及有限元分析

戴紅峰

（沈陽工業大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110870）

盾構機橡膠密封件孔洞結構設計及有限元分析

戴紅峰

（沈陽工業大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110870）

針對盾構機橡膠密封件防水性能研究，利用有限元ANSYS軟件分別對孔洞形狀為圓形、正三角形和正六邊形的橡膠密封件進行分析。結果表明：橡膠的實際壓縮量越大，橡膠的變形量越大，接觸應力越大；相同的橡膠實際壓縮量的情況下，圓形孔洞的變形量小于三角形孔洞變形量，正三角形孔洞的變形量小于正六邊形的變形量；正六邊形孔洞的橡膠密封性能比圓形孔洞的橡膠密封性能好，圓形孔洞橡膠的密封性能好于正三角形的密封性能。

盾構機；橡膠密封件；有限元分析；密封性能

盾構機技術廣泛應用于城市地鐵隧道工程。由于該工程屬于底下工程，所以盾構機的結構防水問題是技術中的關鍵問題。如今多為壓縮彈性密封墊，利用不膨脹的橡膠墊圈的接觸應力進行結構防水。

據相關文獻可知，以前研究人員多為對橡膠密封槽的結構進行分析研究。例如，對橡膠密封墊溝槽對稱時對橡膠墊圈進行有限元分析研究，對密封墊溝槽非對稱的情況下對橡膠墊圈進行分析；對橡膠墊密封件的使用壽命的研究橡膠孔洞均采用用圓形孔洞，很少有人對橡膠墊孔洞形狀進行研究，在孔洞形狀不同時，會影響橡膠墊的防水性能。

大型的盾構機多采用對孔孔洞或錯孔孔洞排布。本文選取孔洞形狀為圓形、三角形、六邊形的橡膠墊，利用有限元分析軟件ANYSYS對上述不同孔洞的形狀及其排布進行數值分析，研究不同形狀孔洞的橡膠應力及位移分布，得出相應結論，為以后盾構機橡膠密封墊的設計提供依據和參考。

圖1 溝槽橫截面

圖2 橡膠孔洞橫截面圖

1 盾構機橡膠密封件有限元計算模型

1.1 橡膠材料的幾何模型建立

取盾構機接頭管片溝槽如圖1，兩側為對稱，溝槽深度為15mm。

圖2中不同孔洞的橡膠密封件的斷面，斷面中橡膠的面積與孔洞面積之比不變，橡膠的面積為615mm，孔洞總面積均為283mm，孔洞面積與橡膠的面積比為1:2.17，該比值在合理的范圍內。

1.2 橡膠材料模型建立

橡膠材料屬于超彈性材料，ANSYS分析常用的超彈材料模型有Arrb-da-Boyce Model、Blatz-Ko Model、Cent Model、Mooner-Rivlin模型、奧格登可壓縮泡沫模型和Ogden Poten-tial等。對于三元乙丙橡膠的應力應變分析一般采用 2 階的Mooner-Rivlin模型，其表達式為：

式中：W為應變勢能函數；C10和C10是三元乙丙橡膠的兩個性能參數；1I和2I分別為第1、第2應變偏量不變量。

密封件的材料主要為三元乙丙橡膠，硬度為68度，密度為0.87。取C10=0.78MPa ，C10=0.039MPa，泊松比取0.48。橡膠與橡膠之間建立為柔柔接觸，槽與橡膠之間建立為剛柔接觸，約束剛體的自由度，密封件的上下兩端施加對稱的邊界條件。

2 計算結果與分析

2.1 密封件性能的參數指標

由橡膠的密封原理可知，密封墊工作狀態下的材料性能類似于高粘體系，它具有把壓力傳遞到與其接觸面的特性。因此彈性密封墊的防水性能主要體現在接觸面上的接觸應力上。接觸應力大于水壓時，密封件才能達到密封效果。所以設計的彈性密封圈在滿足尺寸要求的前提下，橡膠墊的壓縮變形后表面產生的接觸應力越大，其密封性能越好。

2.2 壓縮變形計算

用壓縮變形的多少來估算，橡膠密封墊的易損壞部位，以及不同壓縮量時的損害程度。圖3和圖4分別表示不同壓縮量時的橡膠變形。

由圖3可知，橡膠墊壓縮2mm時，圓形孔洞、三角形孔洞和六邊形孔洞的變形量基本相同，且變形程度呈現對稱圖形。

由圖4可知，當橡膠墊壓縮3mm，圓形孔洞和六邊形孔洞的變形量基本相同，變形呈現對稱圖形。而三角形孔洞的變形量偏小，變形大處較為集中，橡膠結構容易損害。

圖3 橡膠實際壓縮2mm的變形圖

圖4 橡膠墊實際壓縮3mm時的變形圖

2.3 接觸應力計算

橡膠密封件接觸應力的大小是衡量密封件密封性能的重要標志。一般密封件上下表面承受水壓的能力均取接觸應力的最大“緩峰”值，在設計橡膠密封件時，管片處于最大張開量時的表面接觸應力是否大于水壓值是設計人員最為擔心的。圖5和圖6分別為不同壓縮量時的接觸應力。

由圖5可知，當橡膠實際壓縮1mm時，圓形孔洞和三角形孔洞的橡膠所產生的接觸應力基本相同，大小分別為0.86MPa和0.74MPa，正六邊形孔洞的橡膠接觸應力較大，為1.1MPa。

圖5 橡膠墊實際壓縮1mm時接觸應力

由圖6可以看出，當橡膠的實際壓縮2mm時，圓形孔洞的橡膠所產生的接觸應力為1.8MPa，正三角形的孔洞的橡膠的接觸應力為1.5MPa，正六邊形的橡膠接觸應力為3.2MPa，其大小為正六邊形的橡膠接觸應力大于圓形孔洞的橡膠接觸應力，圓形孔洞的橡膠接觸應力大于正三角形的橡膠接觸應力。

圖6 橡膠墊實際壓縮2mm時接觸應力

3 結論與建議

利用ANSYS分析軟件分析計算了在橡膠面積和孔洞面積相等的情況下，圓形孔洞、正三角形孔洞和正六邊形孔洞在不同橡膠實際壓縮量的條件下，橡膠密封件的變形量與變形位置，以及橡膠表面的接觸應力，從而估算橡膠密封件的防水性能。

（1）橡膠的實際壓縮量越大，橡膠的變形量越大，接觸應力越大。

（2）相同的橡膠實際壓縮量，圓形孔洞的變形量小于三角形孔洞變形量，正三角形孔洞的變形量小于正六邊形的變形量。

（3）相同的橡膠實際壓縮量，正六邊形的接觸應力大于圓形孔的橡膠的接觸應力，圓形孔洞橡膠的接觸應力大于正三角形孔洞的接觸應力，即正六邊形孔洞的橡膠密封性能比圓形孔洞的橡膠密封性能好，圓形孔洞橡膠的密封性能好于正三角形的密封性能。

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