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皮碗密封结构泄漏问题和改进设计本文导读：这是一篇关于皮碗密封结构泄漏问题和改进设计的文章,利用有限元分析软件, 对国内某型低温阀门的皮碗结构密封件接触压力开展应力分析, 根据分析成果对原密封结构实施结构改进, 结果表明, 改进后的密封件在20 K低温下仍然能够具备良好的密封效果 　　 　　关键词：　阀门; 密封; 有限元; 　　Abstract：　The sealing structure of the leather bowl is often used in low temperature valve design, unreasonable structure design can cause leakage easily, the structural design is improved through finite element analysis, improve seal reliability.the results show that the improved sealing structure has good effect, achieve the desired goal. 　　Keyword：　value; seal; finite element; 　　当前, 低温阀门被广泛应用于航空航天、核电站, 石油化工等诸多领域, 国外一般将工作温度-46℃～-150℃区间的阀门称为低温阀门, 国内特殊场合下的低温阀门工作温度更是达到-253℃, 因此, 对结构、材料、性能指标、可靠性等方面低温阀门具有远高于普通阀门的要求【1】。

　　低温阀门的阀体结构与形式种类很多, 各个国家通常会根据自己的国情及不同的设计思路, 选用不同的密封形式在某种特定环境下工作的阀门, 美国选用的密封形式是楔形动密封, 通过在转轴设置2道动密封, 实现转轴和端面处密封俄罗斯则选用石墨动密封, 密封件是由2个复合石墨制成的梯形环, 通过提供压紧力, 使密封环与密封面压在一起, 保证密封, 而国内通常会采用相对简单的皮碗密封结构由于皮碗密封在试验过程中容易出现泄漏, 因此有必要对它们进行研究分析及改进 　　1 、皮碗密封结构泄漏问题有限元分析 　　1.1 、皮碗结构 　　目前低温阀门普遍采用的密封结构是由上、下法兰和密封件组成, 密封件常采用软铝垫片使用时, 将密封件装入上下法兰的密封槽中, 用螺栓将上下法兰把紧, 给密封件施加预紧力, 通过密封件的变形起到密封效果, 见图1 　　皮碗密封结构示意图如图1所示, 包括顶杆、密封圈、铟丝、螺帽、顶杆、隔离环等内腔零件和密封零件, 一起组合形成皮碗-滑杆动密封结构 　　图1 试验工装结构图 　　1.2、 有限元模型建立 　　皮碗密封结构的有限元模型采用轴对称8节点单元PLANE82划分, 接触区域采用二维面-面接触单元建立接触对, 见图2。

　　图2 皮碗结构密封面示意图 　　在第一个荷载步中, 在压块儿上表面施加位移约束, 在室温条件下进行大变形分析, 顶杆有初始过盈量, 计算结束后, 皮碗和顶杆会处于正常接触状态; 　　第二个荷载步中, 给顶杆施加一个向下的位移, 皮碗和顶杆接触面达到滑动接触状态, 此时和实际工况一致; 　　在第三个荷载步中, 温度下降至20K, 分析冷缩后的载荷和应力变化 　　1.3、 计算结果及分析 　　从图2可以看出, 密封泄漏路径主要有两条 (I, II, 0中橙色曲线和箭头所示) , 处于并联模式, 其中一条密封泄漏便会导致结构密封失效当温度下降时由于皮碗的冷缩, C、G密封面逐渐失去密封能力, 和腔体壁面分离如图3所示 　　图3 密封压力分布图 (20K, 常温装配力) 　　通过分析可以得到以下结论: 　　(1) 低温工作时由于冷缩作用, 皮碗与腔体的密封面不能起到密封作用; 　　(2) 密封齿与皮碗接触区域, 皮碗材料非常容易发生局部破坏, 并且由于接触面有效长度很短, 很难有好的密封性能, 尤其在低温工作条件下; 　　(3) 皮碗与顶杆的接触密封面的密封压力基本上不受装配力的影响, 主要由皮碗形状和材料性能决定; 　　(4) 对结构的密封性能占主导作用的只有A、B两个密封面, 提高这两个密封面的密封性能和可靠性十分重要。

　　2、 皮碗密封结构改进设计 　　改进型密封结构如图4所示, 主要密封面为皮碗与顶杆、腔体、密封齿的接触面控制方式为常温下给定装配力, 工作时通过阀杆上下运动实现阀的开关非金属材料采用聚三氟氯乙烯代替聚四氟乙烯, 静密封部位采用铝垫片 　　2.1、 有限元建模 　　有限元分析采用轴对称分析模型, 在尽可能的接触区域建立接触单元模型简化包括: (1) 腔体冷缩变形量对于皮碗的整体变形量较小, 不会对密封性能产生影响, 在分析中忽略不计; (2) 不考虑压块与腔体、顶杆的接触在常温下 (298K) 给定装配力, 将顶杆顶入随后在装配压缩量不变的情况下降温至低温工作状态 (20K) , 分析各密封面接触压力分布的变化有限元模型见图5 　　图4 改进密封结构 　　图5 改进密封结构有限元模型 　　在第一个荷载步中, 在压块儿上表面施加位移约束, 在室温条件下进行大变形分析, 顶杆有初始过盈量, 计算结束后, 皮碗和顶杆会处于正常接触状态; 　　第二个荷载步中, 给顶杆施加一个向下的位移, 皮碗和顶杆接触面达到滑动接触状态, 此时和实际工况一致; 　　在第三个荷载步中, 温度下降至20 K, 分析冷缩后的载荷和应力变化。

　　图6 上皮碗密封面密封压力分布图 　　图7 下皮碗密封面密封压力分布图 　　图8 铝垫密封面密封压力分布图 　　2.2、 计算结果及分析 　　图6至图8给出初始装配载荷7800N时计算结果 (20K时的载荷为1889N) 从图中可以看出, 温度下降到20K后下皮碗与顶杆接触区域的变形量与接触区域大小没有明显改变, 铝垫密封区域的有效密封宽度和变形都不大, 并且温度下降后, 由于结构的冷缩影响, 接触区域和密封压力值都迅速减小, 可以肯定铝垫的密封性能在降温后会明显下降 　　图9至图11给出初始装配载荷3600N时的情况 (20K时的载荷为937N) , 从图中可以看出, 常温下装配时的预压缩载荷对下皮碗和顶杆间的接触压力没有影响 　　图9 上皮碗密封面密封压力分布图 　　图10 下皮碗密封面密封压力分布图 　　图11 铝垫密封面密封压力分布图 　　结论如下: 　　(1) 常温下装配时的预压缩载荷对下皮碗和顶杆间的接触压力没有影响 　　(2) 温度下降到20 K后下皮碗与顶杆接触区域的变形量与接触区域大小没有明显改变, 皮碗的大变形使得冷缩的影响可以忽略 　　(3) 铝垫密封区域的有效密封宽度和变形都不大, 并且温度下降后, 由于结构的冷缩影响, 接触区域和密封压力值都迅速减小, 可以肯定铝垫的密封性能在降温后会明显下降。

　　3 结论及应用 　　利用有限元分析软件, 对国内某型低温阀门的皮碗结构密封件接触压力开展应力分析, 根据分析成果对原密封结构实施结构改进, 结果表明, 改进后的密封件在20 K低温下仍然能够具备良好的密封效果 　　参考文献 　　【1】朱森元.氢氧火箭发动机及其低温技术.北京:国防工业出版社, 1995. 　　【2】 Space Shuttle Orbiter Atlantis Liquid Oxygen Prevalve Detent Rolle Cracking Investigation. 　　【3】 吴洋洲.柔性石墨密封圈性能研究.航天推进与动力, 2009. 　　【4】 许健.低温阀门动密封技术及其应用.航天推进与动力, 2016. 　　【5】茵挺, 龚烈航, 等.密封材料综合性能的模糊评价.润滑与密封, 2001, (4) :48~49. 　　【6】陈国栋.常温低温组合密封结构的有限元分析与优化设计.哈尔滨工业大学, 2008:48~53.。