隔膜压缩机缸盖密封面应力分布特点

隔膜压缩机缸盖密封面应力分布特点

杨晓祥 1 张红梅 2 金永强 1 杨艳妃 1

1.贵州航天乌江机电设备有限责任公司, 贵州 遵义， 563003；

摘要：通过 ANSYS Workbench15.0 有限元力学分析软件模拟隔膜压缩机缸盖密封结构在仅受预紧力、理想密封状态下、正常工况不失效的情况下、仅第一层密封圈失效和第一、二层 O 型圈皆失效这五种受力情况下气缸法兰两密封面径向应力分布情况，找出其相应规律规律。发现第一密封槽部位径向应力变化跨度较大，第二、三密封槽处应力波动跨度相对较小，但并不是最优开槽部位。文章通过对隔膜压缩机上两密封面间的应力分布情况进行相应的模拟研究，得出其相应规律和变化特点，并相应的提出了较为合理而又经济的优化建议，优化隔膜压缩机缸盖密封结构中两密封面间的应力分布情况。

关键词：密封面、有限元、应力、距离、网格

0引言

二
氧化碳回收压缩机是超临界装备循环回收的重要部件，现常用的压缩机有隔膜压缩机和螺杆压缩机。本文主要对隔膜压缩机缸盖封面应力分布进行研究。隔膜压缩机在工作过程中膜腔的密封是由缸盖法兰、缸体法兰配合三层O型密封圈来实现的。在隔膜压缩机缸盖密封结构中上、下法兰面构成的法兰密封面处的应力分布情况对整个密封结构的有效性有着直接的影响，整个密封面除了预紧受轴向载荷、气缸内压轴向载荷之外，还受到由不在同一直线上的内压载荷和预紧载荷形成的弯矩作用，从而影响其应力分布情况。

图 1 隔膜压缩机缸盖法兰密封结构

1 有限元模型的建立

本文所选取的研究对象是由某集团所生产的G06.42-50型隔膜压缩机中的缸盖密封结构作为研究对象，其中各部件的主要材料参数如下表 1 所示。

表 1 隔膜压缩机缸盖密封结构各部件材料参数

由表 1 可知该密封结构中各种结构材料的具体参数，其中该型隔膜压缩机密封腔体形成的轴向投影圆面半径为 150mm，而密封面径向总长度为 55mm，在密封面上有三个密封槽，分别位于缸体、缸盖、和缸体上，其内侧与以密封面内侧为原点建立的径向 X 轴上的距离分别为 6mm，16mm，41mm。对隔膜压缩机缸体结构整体进行三维建模之后对其进行网格划分如下图，其中缸体、缸盖主体部位以及螺栓螺帽部位在划分皆为6面体实体单元为主，而对三个密封槽位置处进行进一步细分。其整体划分效果如下图2所示:

图 2 装配体网格划分

其中各密封结构中节点及单元划分数量如下表 2 所示：

表 4-2 有限元模型中各零件的单元和节点数量统计

由于缸体密封结构属于装配体，所以要对其进行相应的接触设置，现在设置缸盖法兰密封结构中的各部件之间的约束条件和接触分析设计如下：

(1)首先是对整个装配体进行固定约束的设置，即设定其固定约束面。因在隔膜压缩机缸体部件结构图可知缸体部位与下方的中体通过螺栓连接，同时还受到油缸套的约束，其受力变形同时受到中体以及油缸套的限制，即我们可以设其为固定面，进行固定约束。

(2)之后进行接触设置，其中最重要的缸体、缸盖的法兰密封面之间初始设定为线—面接触，螺母与法兰面之间则为面—面接触。接触面相对滑动摩擦系数取值 0.1。

(3)螺母与螺柱之间的接触设定为绑定接触，因为此次模拟分析中螺母和螺柱之间的连接不在研究范围内，故可作为一个整体来设置绑定接触。

(4)根据实际工况，隔膜压缩机腔体内表面受到的压强为20MPa，以4种加载状态分别对腔体内表面不同区域进行加载。

2 有限元分析

通过 ANSYS 模拟可以得到在施加预紧力之后继续以四种不同方式模拟缸盖密封结构中的受压方式，通过加载内压得到缸盖和缸体的应力分布云图，之后再以密封面内侧为原点开始分别提取缸盖和缸体密封面上的径向X轴上的应力数据并作出相应的应力分布曲线图如下图所示：

（
a）缸盖密封面应力分布曲线

（
b）缸体密封面应力分布曲线图

3 密封面应力分布曲线

从图3可以分别得到缸盖和缸体各自密封面的应力沿隔膜压缩机缸体结构径向上分布特点及趋势，即缸体密封面总体应力载荷值相对较小、但在第一密封槽位置处应力载荷变化跨度较大，其中最大值达到了128MPa，且其最大跨度值达到了100MPa，对整个缸体密封面上为了克服应力变化而产生的应变量会有巨大的影响。与缸体应力分布情况相比较而言，缸盖密封面上的总体应力载荷值相对较大，在除了只受预紧力之外的4种受力条件下中3种受力情况下其整体应力值都在60MPa以上，但在第二密封槽位置处应力载荷变化跨度较小，峰值与最小值之间跨度都在30MPa以内，因此相较而言其应力变化情况相对比较平缓。在这三个密封槽中第一密封槽位置处相较而言应力载荷变化较大且其槽底部应力分布也相对复杂，是整个密封面结构中严重威胁密封效果和密封能力的一个危险点，对密封的有效性有不利影响。

4 优化设计

针对以上的密封面应力分布情况的分析，同时通过对第二、三密封槽的位置处于密封面中径向应力分布各自的趋势的分析研究，得出第二、三密封槽的开槽位置都不是最优密封槽设置位置，其中第二密封槽中心应该径向向外移动4 mm左右，而第三密封槽中心则应该径向向内移动5 mm左右，使密封槽处本应该应力载荷偏大的位置与缸盖密封面上应力载荷值相对较小的位置叠加使得整体应力载荷分布情况得到优化。

5 结论

通过以上分析可知现在该型隔膜压缩机密封面结构中的应力分布情况中三个密封槽的开槽位置对整个密封面应力分布有很大影响，且在开槽位置上有相对较大的应力突变。通过优化分析设计，最后再结合O型圈规格尺寸表选择各密封槽的较优开槽位置，即第一密封槽里侧应该在以气缸密封面里侧为原点的径向 X 轴上 10.5mm 处，第二、第三密封槽里侧则分别应该位于该 X 轴上 20.5mm 处35.5mm处，通过与缸体中气腔位置的叠加可得以缸体为圆心的三个密封槽内侧半径分别为160.5mm、170.5mm 和 185.5mm，同时三个密封槽的宽度都为 7.3mm，槽深 4.2mm，即可选择O型圈规格分别为 325x5.3、345x5.3 和 375x5.3，通过改变密封槽开槽为之并配合相应的O型垫圈来达到整个密封面上的应力分布情况的优化。

参考文献

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