基于有限元的密封閥結構參數優化方法研究

戴文軍， 王蜀生

（中冶賽迪技術研究中心有限公司，重慶 401122）

0 引言

密封閥是高爐無料鐘爐頂布料系統中的關鍵設備之一。其主要作用是通過開啟和閉合，實現高爐爐頂布料時需要的均排壓功能，保證高爐爐內始終處于帶壓工作的工況下使原料能順利加入到高爐內。密封閥（圖1、圖2）結構設計需要滿足密封條件要求，即實際比壓需大于必須比壓且小于許用比壓，而影響密封條件的主要影響參數有密封圈材質性能、壓縮深度、密封寬度等，其中密封圈的壓縮深度尤為關鍵，設計過小則達不到密封要求，設計過大則每次啟閉時密封圈變形過大，影響壽命。由于傳統手段計算實際比壓較困難，傳統的密封閥結構相關參數設計往往依靠經驗，不能保證實際生產過程中的密封效果，也不能盡可能地優化參數從而提高密封圈壽命。文章以串罐無料鐘爐頂上密封為例，研究一種通過有限元分析得到實際比壓，然后驗證密封條件的方法，可有效指導密封閥結構參數的優化設計。

圖1 上密封閥結構

圖2 上密封閥結構局部放大

1 密封條件分析

對于閥門密封，能保證密封的條件為：必須比壓qMF<實際比壓q<密封件許用比壓[q]。

對于中等硬度橡膠密封件，必須比壓公式[1]為

式中：bM為密封面寬度，mm；PN為介質壓力（本文按設計壓力0.30 MPa考慮），MPa；qMF為必須比壓，MPa。

其中，查閱得到中等硬度橡膠件（密封面無滑動摩擦）的許用比壓為[q]=5.0 MPa。

因此，對于無料鐘爐頂上密封閥密封件，硬度為（65±5）HD，為中等硬度，要達到密封要求，需滿足的條件為

2 密封閥實際比壓計算

2.1 橡膠密封件材料常數的確定

為求得上密封閥的實際密封比壓，采用ABAQUS有限元方法來對60 HD（取硬度下限，即最不利情況）硬度的橡膠密封情況進行仿真計算。

本次計算的密封件為中等硬度（65±5）HD的密封件，是中等硬度的橡膠材料，可以看成是超彈性材料，計算中采用ABAQUS超彈性材料庫中的Mooney-Rivilin模型，對于橡膠材料[3]有：

采用該模型，則首先要確定Mooney-Rivilin模型中材料常數C1、C2。

由彈性模量與橡膠硬度關系圖（圖3）[2]，可查得60 HD硬度的橡膠彈性模量。

圖3 橡膠彈性模量與硬度關系

同時，運用有限元計算小變形（變形小于15.6%）的情況下[3]，C2與C1之比對計算結果影響不大，且C2/C1=0.05時，計算結果與試驗值較吻合。因此，取C2/C1=0.05，根據公式求得C1=0.762，C2=0.038。

2.2 實際比壓的計算

求得60 HD硬度的橡膠的材料常數C1和C2后，即可開展有限元的計算分析。

1）計算模型。此次分析對象具有軸對稱性質，因此將計算對象簡化為軸對稱模型，網格類型選用超彈性網格，簡化后的模型如圖4所示。

圖4 簡化后軸對稱模型

2）邊界條件及載荷。對閥板進行約束；對閥板與密封圈、密封圈與閥座有接觸的地方設置接觸對；并在閥座上施加3 mm的向下位移載荷（實際情況是閥座固定，閥板與密封圈向上壓3 mm，此處為方便計算，閥板固定，閥座向下壓3 mm，計算結果一致）。

3 仿真結果分析

由圖5可知，密封圈與閥座接觸區域變形為3 mm，此次計算的主要目的就是求出當密封圈壓縮到限定位置3 mm時，密封圈與閥座之間的實際比壓（即有限元計算結果圖6中密封圈與閥板接觸區域的接觸應力平均值），經取該區域的節點接觸應力并計算得到，密封實際比壓（節點接觸應力平均值）為q=0.72 MPa。

此外，從圖6中可得到，密封圈與閥座接觸長度，即圖中兩點間距離，數值為30 mm，即式（1）中的密封面寬度bM=30 mm。因此，當密封介質壓力PN=0.30 MPa時，必須比壓為

圖5 變形結果

圖6 密封面接觸應力

因此實際比壓q滿足：

所以，當密封圈壓縮值為3 mm時，實際比壓大于必須比壓，并有一定余量，滿足密封條件要求，可實現密封，即設計密封閥限位尺寸為3 mm符合密封條件要求。

依據上述計算方法，若計算得到的實際比壓小于必須比壓，則說明不能滿足密封要求，在密封面寬度不變的情況下，需增大壓縮深度；若實際比壓比必須比壓大太多，則不利于密封圈壽命，可適當減小壓縮深度，通過調整相關參數，最終達到優化設計的目的。

4 結語

密封閥作為高爐爐頂重要設備，密封結構參數設計非常關鍵，在傳統設計過程中往往依靠經驗，沒有較好的方法指導優化設計。本文提出了一種基于有限元的分析方法，根據初步設定的壓縮深度以及其他工況條件可以較為準確地計算出實際比壓，通過密封條件驗證，可得出參數設計是否合理，能否滿足密封要求，若不滿足則可調整相關結構參數，采用該方法可有效指導密封閥結構參數的優化設計，從而延長密封圈壽命，減少實際生產維護成本。目前采用該方法進行優化設計的密封結構已在某工程中應用，實際使用效果良好。

[1] 陸培文,高鳳琴.閥門設計計算手冊[S].2版.中國標準出版社，2009:262-265.

[2] 龔積球,龔震震,趙熙雍.橡膠件的工程設計及應用[M].上海:上海交通大學出版社,2003:8.

[3] 鄭明軍.橡膠件的靜、動態特性及有限元分析[D].北京:北方交通大學,2002:39-44.