螺旋输送机密封结构的设计及模型建立

1. 1 结构的设计
    根据组合密封的基本原理和相关的产品信息，设计出初始的组合密封件结构，其安装结构示意图如图1 所示。
    组合密封由一个内径为71 mm，截面直径为5. 3 mm 的O 型橡胶圈和一个L 型滑环组成，当螺旋轴运转时，滑环受到轴套、端盖和O 型圈的摩擦力，使滑环与端盖和O 型圈相对静止，并与轴套相对转动形成主密封面。滑环的材料为填充聚四氟乙烯( PTFE)，其具有很低的摩擦因数和自润滑性，在使用时与轴套间的摩擦力小，不易发生粘着和损坏。若仅使用O 型圈进行密封时，其与轴套直接接触，在轴运转时易发生磨损或陷入轴套和端盖之间的缝隙被咬伤，加入L 型滑环则避免了这种情况，使密封结构具有更长的使用寿命。
1. 2 计算模型
    考虑到组合密封的边界条件较复杂，因此将组合密封件及轴套和端盖整体来分析。同时，为了减 少计算量，在考虑密封材料、边界条件的特点和密封 结构形状等因素后，采用平面轴对称模型［2］。通过平面模型的形变、特性来模拟分析三维实体结构。 其中，轴套和端盖弹性模量为2 × 105 MPa，泊松比为 0. 3; 滑环弹性模量为960 MPa，泊松比为0. 45; 橡胶 圈弹性模量为20 MPa，泊松比为0. 499［7］。
1. 3 有限元模型
    橡胶密封件具有几何、材料和边界三重非线性，因此很难在理论上对它进行精确的研究和全真模拟。谭晶等［2，7］在对组合密封结构进行有限元分析时，对有限元模型的建立作了相关的分析和验证，张教超等进一步对模型的建立进行了验证和改进。通过参考他们建立模型的方法，在建立本模型时，假设橡胶的弹性模量E、泊松比μ 为定值，且其在拉伸 和压缩的情况下性质相同; 同时，不考虑轴套和端盖的变形，将其边界视为橡胶的变形约束边界; 端盖的 位移引起橡胶密封件的压缩。建立有限元模型如图2 所示。
    定义轴套、端盖和滑环的单位类型为实体单元 PLANE42; 橡胶圈单元类型为超弹单元PLANE182。橡胶材料的Mooney-Rivlin 常数取C10 = 1. 87，C01 = 0. 47［7］。在模型上建立端盖－O 型圈、O 型圈－滑块、滑块－端盖和滑块－ 轴套4 个接触对，接触单元 选择CONTA 172 和TARGE 169。施加的约束为轴 套下边界的X、Y 方向及端盖上边界的X 方向，这些 方向的位移都设置为0。求解时采用载荷步文件方 法［2，7 ］，即在端盖的Y 方向施加一个向下的位移作 为第一步载荷，在O 型圈和滑块未与端盖接触的一 端施加液体压力作为第二步载荷，写载荷步文件并 从载荷文件求解。