密封圈气体密封性能研究

摘要

密封装置普遍存在于工业设备中。在石油、化工、航天航海等工业中，泄漏常常会造成经济损失、能源浪费以及环境污染，当密封介质是有毒气体或有腐蚀性时，泄漏甚至会直接引起重大安全事故，影响人们的人身安全。由于密封不好引起泄漏而导致的事故已经越来越多，造成了重大的经济损失或威胁人身安全。在航空航天结构中，密封技术尤为重要。如何以最小的经济代价，取得最好的密封性能是人们长期追求的目标。本文以某工程应用为研究背景，研究管路连接法兰以及往复活塞运动小型O形圈的气体密封问题，期待为新型号设备中管路的关键密封部件的研发提供理论基础。
　　由于实际加工表面上粗糙度的存在，使得接触表面间总是存在着一系列的间隙。本文首先从微观入手，用计算机模拟实际表面的形貌特征，生成具有高斯分布的粗糙表面。根据平均流动模型基本理论，寻求泄漏率随压强、温度、表面粗糙度纹理方向以及空气粘度、密度的变化。
　　本文用有限元软件对管路连接法兰结构进行分析，得出外界环境的变化对法兰的温度、结构应力、密封面接触应力以及密封圈变形的影响规律，并进一步计算出温度、压强、纹理方向以及螺栓预紧力对法兰密封性能的影响。从而得到结论:(1)改善结构的纹理方向，尽量使纹理的沟槽方向与泄漏率方向垂直，减少泄漏率;(2)合适的螺栓预紧力，在一定程度上可以减小泄漏率;(3)泄漏率随温度升高而减小，随压强增大而增大。
　　为了进一步研究管路的密封性能，对微小型O形圈做往复活塞运动的精密密封问题进行了高压动密封试验，并进行数值模拟。试验表明，该O形圈在20MPa压力、0.05Hz频率、1mm幅值的往复活塞运动下，前800次循环内，泄漏率与O形圈在20MPa压力下的静态泄漏率几乎相等，均为2×10-4Pa·m3/s。同时试验发现该设计O形圈的往复运动安全使用寿命约为20小时，之后由于发热膨胀摩擦力不断增加，波形变差，并伴随着严重磨损和划伤产生。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题背景

1．2 法兰和O形圈密封研究现状

1．3 本文主要研究内容

2 随机粗糙表面及气体流动特性介绍

2．1 粗糙表面介绍

2．1．1 工程表面的基本特征

2．1．2 粗糙表面形貌的测量及评价

2．1．3 粗糙表面计算机模拟介绍

2．2 气体在密封间隙中的流动特性

2．2．1 可压缩性气体在密封间隙中的流动特性

2．2．2 气体在两平行粗糙表面问的流动特性

2．2．3 粗糙峰名义接触应力计算

2．3 本章小结

3 法兰结构强度和密封性能研究

3．1 有限元分析模型

3．1．1 几何模型

3．1．2 材料参数

3．1．3 网格划分

3．1．4 边界条件

3．1．5 计算工况

3．2 法兰有限元模拟

3．2．1 温度场分析

3．2．2 密封圈位移场分析

3．2．3 接触应力场分析

3．2．4 Mises应力场分析

3．3 法兰密封泄漏率计算

3．3．1 纹理方向和温度对泄漏率的影响

3．3．2 内部压强对泄漏率的影响

3．3．3 预紧力对泄漏率的影响

3．4 本章小结

4 O形圈高压动密封试验及数值模拟

4．1 O形橡胶圈密封机理

4．2 O形橡胶圈动密封试验

4．2．1 试验原理

4．2．2 试验条件及结果

4．2．3 高压动态密封摩擦力变化

4．2．4 试验结论

4．3 数值模拟

4．3．1 O形橡胶圈本构模型

4．3．2 O形圈动密封数值模拟

4．4 本章小结

结论

后期工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢