一种接触式圆柱形-锥面密封结构密封比压求解方法与流程
未命名
10-09
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1.本发明涉及机械密封安全技术领域,尤其涉及一种接触式圆柱形-锥面密封结构密封比压求解方法。
背景技术:
2.伴随航空航天、能源动力、汽车船舶等重大工程领域的快速发展,功能各异的弹簧式阀门零件在各类高端装备中得以广泛应用。该类零件的启闭过程仅取决于系统压力,且结构简单、动作可靠,广泛服役于高压、强负载以及频繁动作等苛刻服役工况。阀门服役过程多为r形止口与锥面或平面相配合的半静密封结构,其中截面为r形-平面配合可以认为r形-锥面配合结构的一种特殊形式,其闭合时处于静止状态,通过密封副挤压非金属材料产生弹性变形堵塞泄漏通道实现密封,从而保证系统安全。
3.目前,此类圆柱形-锥面密封结构大多通过仿真分析或实验探究等方法进行结构优化设计,可以有效解决弹簧式阀门的密封失效问题。但是上述方法需要开展大量数值模拟或实验研究,且对于不同结构参数及接触状态下的密封副不具有通用性,难以快速准确地求解圆柱形-锥面配合副的密封比压。
4.因此,需要总结接触式圆柱形-锥面密封结构并提出配合副密封比压求解方法,实现密封结构密封比压的快速求解与预测,以提高弹簧式阀门零件的密封及服役性能。
技术实现要素:
5.本发明针对现有技术的局限性和缺陷,提出了一种接触式圆柱形-锥面密封结构密封比压求解方法,该方法基于接触式圆柱形-锥面密封结构及其接触特点,归纳总结了r形止口与阀芯密封副配合的一般规律,并设计了圆柱形-锥面密封结构几何参数;虑及弹簧载荷、密封压差与密封副总长度求解得到接触区域单位长度载荷,结合其与r形止口结构参数之间的关联关系,得到垂直于r形止口面接触区域的单位载荷,进一步考虑密封结构材料特性求解圆柱形-锥面密封副接触宽度;结合接触式圆柱形-锥面密封结构单位载荷及接触宽度,求解圆柱形-锥面密封结构接触区域等效密封比压,并判断是否满足阀门密封要求。包括:
6.步骤s1:设计所述接触式圆柱形-锥面密封结构的几何参数和所述几何参数的约束范围;
7.步骤s2:依据所述几何参数,求解所述圆柱形-锥面密封结构的接触区域的接触宽度;
8.步骤s3:依据所述接触宽度,计算所述圆柱形-锥面密封结构接触区域的密封比压。
9.进一步地,所述步骤s1中设计所述几何参数包括:
10.设计通径大小为d的所述接触式圆柱形-锥面密封结构,所述密封结构截面中阀芯密封副锥面倾斜角度为θ,所述阀芯密封副的锥面底部长度为d,锥面高度为h,阀座密封副
中r形止口轮廓线与所述阀芯密封副底面的夹角为ξ;
11.设计阀座密封副上r形止口圆的圆心为oi,半径为ri,i=1,2,3
……
其中,所述r形止口圆为所述r形止口轮廓线所在圆;
12.设计点o为所述r形止口圆圆心所包络圆的圆心,设所述包络圆半径为ri,i=1,2,3
……
13.进一步地,在所述接触式圆柱形-锥面密封结构中,密封工况下需满足所述止口r形圆与阀芯密封副的锥面相切配合;
14.即所述接触式圆柱形-锥面密封结构中的所述几何参数需满足以下约束条件:
[0015][0016]
即所述几何参数的约束范围应如下:
[0017][0018]
进一步地,所述步骤s2包括:
[0019]
步骤s21:计算所述r形止口面与所述锥面的接触区域总长度l和所述的接触式圆柱形-锥面密封结构的总载荷f;
[0020]
步骤s22:利用计算得到的所述接触区域总长度l和所述总载荷f求解单位长度载荷f;
[0021]
步骤s23:结合对所述r形止口的受力分析与所述单位长度载荷f计算垂直于所述r形止口接触区域的单位长度载荷fn;
[0022]
步骤s24:结合所述单位长度载荷fn和密封结构材料等效杨氏模量e
*
求解所述接触式圆柱形-锥面密封结构接触区域的赫兹接触半宽b。
[0023]
进一步地,所述步骤s21包括:基于所述几何参数,在所述r形止口面与所述锥面相切的基础上,所述接触区域总长度l为:
[0024][0025]
所述总载荷f可由下式求得:
[0026]
f=f
t-f
l
=f0+kl-δps
ꢀꢀ
(4)
[0027]
式中,f
t
=fo+kl为阀芯密封副所受弹簧力,fo为r形止口面与阀芯密封副锥面底面配合时所受弹簧力,k为弹簧刚度系数,配合时所受弹簧力,k为弹簧刚度系数,为弹簧相对位移,f
l
=δps为流体作用于阀芯密封副表面合力,δp为密封压差,为流体作用于阀芯密封副表面面积。
[0028]
进一步地,所述步骤s22中所述单位长度载荷f为:
[0029][0030]
进一步地,所述步骤s23包括:对所述r形止口进行受力分析可得:
[0031]fn
×
cosθ+ff×
sinθ=f
ꢀꢀ
(6)
[0032]
式中,fn为垂直于r形止口面接触区域的法向载荷,ff=μfn为r形止口面所受摩擦力,μ为摩擦系数。
[0033]
则垂直于所述r形止口面接触区域的所述单位长度载荷fn为:
[0034][0035]
式中,f为单位长度载荷,μ为摩擦系数。
[0036]
进一步地,所述步骤s24包括:
[0037]
已知所述密封结构材料等效杨氏模量e
*
可由下式求得:
[0038][0039]
其中,e1、e2分别为两种所述密封结构材料的杨氏模量,v1、v2分别为两种材料的泊松比。
[0040]
则由赫兹接触理论求得所述接触式圆柱形-锥面密封结构接触区域的所述赫兹接触半宽b为:
[0041][0042]
其中,fn为垂直于r形止口面接触区域的所述单位长度载荷,e
*
为密封结构材料等效杨氏模量。
[0043]
进一步地,所述步骤s3包括:
[0044]
对于所述接触式圆柱形-锥面密封结构,保持密封所需的最小所述密封比压q
min
可由下式求得:
[0045][0046]
式中,c、k均为与材料特性相关的无量纲常数。
[0047]
则所述接触式圆柱形-锥面密封结构的等效密封比压q为:
[0048][0049]
采用密封比压比法进行密封设计校核,设计等效密封比压需满足:
[0050]qmin
≤q≤[q]
ꢀꢀ
(12)
[0051]
式中,[q]为许用密封比压。
[0052]
本发明的显著效果和益处是:
[0053]
1、本发明提供了一种接触式圆柱形-锥面密封结构的密封比压求解方法,该方法在归纳接触式圆柱形-锥面密封结构及其接触特点的基础上,总结r形止口与锥面配合的一般规律,并设计圆柱形-锥面密封结构几何参数;合理调控密封副结构与尺寸,有效调节密封副的接触宽度与接触压力。
[0054]
2、本发明提供了一种接触式圆柱形-锥面密封结构的密封比压求解方法,结合接触区域与几何参数之间的关联关系,得到接触式圆柱形-锥面密封结构的密封比压求解方法,该方法求解迅速,可应用于半静密封结构设计,对提高弹簧式阀门零件的服役性能具有重要意义。
附图说明
[0055]
附图用来提供对本发明的进一步理解,并且构成说明书的一部分,与本发明的实施例一起用于解释本发明,并不构成对本发明的限制。
[0056]
在附图中:
[0057]
图1为本发明一种接触式圆柱形-锥面密封结构密封比压求解方法的整体流程图;
[0058]
图2为本发明一种接触式圆柱形-锥面密封结构密封比压求解方法的算法图;
[0059]
图3为本发明一种接触式圆柱形-锥面密封结构的截面示意图;
[0060]
图4为本发明一种接触式圆柱形-锥面密封结构的r形止口结构示意图;
[0061]
图5为本发明一种接触式圆柱形-锥面密封结构的接触区域示意图;
[0062]
图6为本发明一种接触式圆柱形-锥面密封结构密封比压求解方法的等效密封比压与最小密封比压随r形止口半径r的变化规律;
[0063]
图7为本发明一种接触式圆柱形-锥面密封结构密封比压求解方法的等效密封比压与最小密封比压随阀芯密封副的锥面倾斜角度θ的变化曲线;
[0064]
图8为本发明一种接触式圆柱形-锥面密封结构密封比压求解方法的等效密封比压与最小密封比压随密封副压差δp的变化曲线图。
具体实施方式
[0065]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及具体实施方式,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
[0066]
实施例1
[0067]
请参阅图1-8,本实施例提供的一种接触式圆柱形-锥面密封结构密封比压求解方法的技术方案如下包括:
[0068]
步骤1
[0069]
在具体实施中,此类圆柱形-锥面密封结构多为具有r形止口的金属密封副和非金属锥面密封副组成,(本实施例将其截面结构称为r形止口和锥面)其中r形-平面配合可以认为r形-锥面配合结构的一种特殊形式。如图2、图3所示,设通径为d=6mm,阀芯密封副锥面倾斜角度为θ=30
°
,阀座密封副的r形止口轮廓线与阀芯密封副所在底面夹角为ζ=60
°
,
r形止口圆半径为r=2mm,则包络圆的半径为此外,锥面底部直径为d=8mm,锥面高度为h=2mm。将上述结构参数代入式(2),判断几何参数范围为:
[0070][0071]
由上式判断可知,阀芯与阀座不会发生干涉,r形面几何参数满足设计要求。
[0072]
步骤2
[0073]
在具体实施中,如附图4所示,在载荷fn的作用下,圆柱形止口与锥平面紧密接触,通过两种材料的挤压变形实现密封,其中,密封副接触范围实际为接触长度为l,宽度为2b的矩形区域。已知r形止口面与锥面相切接触,则由式(3)求解接触区域总长度l为:
[0074][0075]
已知r形止口面与阀芯密封副底面配合时所受弹簧力为f0=50n,弹簧刚度系数为k=5000n/m,密封压差为δp=0.3mpa,此外,弹簧相对位移l及流体作用于阀芯密封副表面的面积s分别为:
[0076][0077][0078]
则密封结构总载荷f可由式(4)求得:
[0079]
f=f0+kl-δps=24.73n
[0080]
取为摩擦系数μ=0.3,则法向载荷fn可由式(6)求得:
[0081][0082]
结合式(5)-式(7)可求解得到垂直于r形止口面接触区域的单位长度载荷fn:
[0083][0084]
在具体实施中,已知两种材料的杨氏模量分别为e1=199gpa、e2=0.447gpa,泊松比分别为v1=0.3gpa、v2=0.4gpa,则材料的等效杨氏模量e*可由式(8)求得:
[0085][0086]
则可得接触区域的赫兹接触半宽b为:
[0087][0088]
步骤3
[0089]
在具体实施中,对于聚全氟乙丙烯fs-46材料,取c=16,k=0.9,则保持接触式圆柱形-锥面密封结构密封所需的最小密封比压q
min
可由式(10)求得:
[0090][0091]
此外,接触式圆柱形-锥面密封结构的设计等效密封比压q可由式(11)求解得到:
[0092][0093]
采用密封比压比法进行密封设计校核,设计等效密封比压需满足式(12):
[0094]qmin
=2.56mpa≤q=11.6mpa≤[q]=20mpa
[0095]
式中,[q]为许用密封比压,聚全氟乙丙烯fs-46材料取20-30mpa。
[0096]
至此,求解得到了接触式圆柱形-锥面密封结构的等效密封比压,其设计校核结果表明,上述结构参数下接触式圆柱形-锥面密封结构具有良好的密封性能。
[0097]
实施例2
[0098]
在具体实施中,为探究圆柱形-锥面密封结构的设计等效密封比压q随r形止口圆半径r、阀芯密封副的锥面倾斜角度θ以及密封压差δp等参数的变化规律,基于上述材料特性进行密封比压快速求解与校核。
[0099]
其他参数保持不变,若阀座密封副r形止口圆半径在r=[1mm,3mm)区间内变化,则根据该密封比压求解方法可分别求解得到如附图5所示的等效密封比压与最小密封比压随r形止口圆半径r的变化规律,其中,设计等效密封比压随r形止口圆半径r的增大逐渐减小,而最小密封比压随r形止口圆半径r的增大先降低后增加;值得注意的是,当r形止口圆半径r较小时,等效密封比压存在超过材料许用比压的风险,易引起材料破坏致使密封失效。
[0100]
在具体实施中,当阀芯密封副锥面倾斜角度在θ=[0,45
°
]区间内变化时,设计等效密封比压与最小密封比压随阀芯密封副锥面倾斜角度θ的变化规律如附图6所示,其中,设计等效密封比压随阀芯密封副锥面倾斜角度θ的增大而逐渐减小,最小密封比压随阀芯密封副锥面倾斜角度θ的增大而逐渐增大;但倾斜角度在θ=[0,45
°
]区间内变化时,设计等效密封比压始终大于最小密封比压,可以保证配合结构有效密封。
[0101]
在具体实施中,当内外压差在δp=[0mpa,0.5mpa]区间内变化,设计等效密封比压与最小密封比压随压差δp的变化规律如附图7所示,其中,设计等效密封比压随压差δp的增大逐渐减小,而最小密封比压随压差δp的增大而增大;当压差δp》0.46mpa时,设计等效密封比压不满足最小密封比压,密封失效。
[0102]
综上所述,本方法能够较为快速准确地求解给定工况下接触式圆柱形-锥面结构的等效密封比压,并判断密封比压与最小密封比压的变化趋势及相对关系,可应用于半静密封结构的优化设计,对提高弹簧式阀门的服役及密封性能具有重要应用意义。
[0103]
最后应说明的是:以上仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
技术特征:
1.一种接触式圆柱形-锥面密封结构密封比压求解方法,其特征在于,包括:步骤s1:设计所述接触式圆柱形-锥面密封结构的几何参数和所述几何参数的约束范围;步骤s2:依据所述几何参数,求解所述圆柱形-锥面密封结构的接触区域的接触宽度;步骤s3:依据所述接触宽度,计算所述圆柱形-锥面密封结构接触区域的密封比压。2.根据权利要求1所述的接触式圆柱形-锥面密封结构密封比压求解方法,其特征在于:所述步骤s1中设计所述几何参数包括:设计通径大小为d的所述接触式圆柱形-锥面密封结构,所述密封结构截面中阀芯密封副锥面倾斜角度为θ,所述阀芯密封副的锥面底部长度为d,锥面高度为h,阀座密封副中r形止口轮廓线与所述阀芯密封副的底面的夹角为ξ;设计阀座密封副上r形止口圆的圆心为o
i
,半径为r
i
,i=1,2,3
……
其中,所述r形止口圆为所述r形止口轮廓线所在圆;设计点o为所述r形止口圆圆心所包络圆的圆心,设所述包络圆半径为r
i
,i=1,2,3
……
。3.根据权利要求2所述的接触式圆柱形-锥面密封结构密封比压求解方法,其特征在于:在所述接触式圆柱形-锥面密封结构中,需满足密封工况下所述r形止口圆与阀芯密封副的锥面相切配合;即所述接触式圆柱形-锥面密封结构中的所述几何参数需满足以下约束条件:即所述几何参数的约束范围应如下:其中θ为锥面倾斜角度,ξ为阀座密封副的r形止口轮廓线与锥面的夹角,r为r形止口圆的半径,d为锥面底部长度,d为接触式圆柱形-锥面密封结构的通径,h为锥面高度。4.根据权利要求1所述的接触式圆柱形-锥面密封结构密封比压求解方法,其特征在于:所述步骤s2包括:步骤s21:计算所述r形止口面与所述锥面的接触区域总长度l和所述接触式圆柱形-锥面密封结构的总载荷f;步骤s22:利用求解得到的所述接触区域总长度l和所述总载荷f计算单位长度载荷f;步骤s23:结合所述r形止口的受力分析与所述单位长度载荷f求解垂直于所述r形止口接触区域的单位长度载荷f
n
;步骤s24:结合所述单位长度载荷f
n
和密封结构材料等效杨氏模量e
*
计算所述接触式圆柱形-锥面密封结构接触区域的赫兹接触半宽b。5.根据权利要求4所述的接触式圆柱形-锥面密封结构密封比压求解方法,其特征在
于:所述步骤s21包括:基于所述密封结构几何参数,在所述r形止口面与所述锥面相切的基础上,所述接触区域总长度l为:式中,d为接触式圆柱形-锥面密封结构的通径,r为r形止口圆的半径,θ为锥面倾斜角度;所述总载荷f可由下式求得:f=f
t-f
l
=f0+kl-δps
ꢀꢀꢀ
(4)式中,f
t
=f0+kl为阀芯密封副所受弹簧力,f0为r形止口面与阀芯密封副锥面底面配合时所受弹簧力,k为弹簧刚度系数,为弹簧相对位移,f
l
=δps为流体作用于阀芯密封副表面合力,δp为密封压差,为流体作用于阀芯密封副表面面积。6.根据权利要求4所述的接触式圆柱形-锥面密封结构密封比压求解方法,其特征在于:所述步骤s22中所述单位长度载荷f为:式中,l为接触区域总长度,f为总载荷。7.根据权利要求4所述的接触式圆柱形-锥面密封结构密封比压求解方法,其特征在于:所述步骤s23包括:对所述r形止口进行受力分析可得:f
n
×
ccosθ+f
f
×
sinθ=f
ꢀꢀꢀꢀ
(6)式中,f
n
为垂直于r形止口面接触区域的法向载荷,f
f
=μf
n
为r形止口面所受摩擦力,μ为摩擦系数;则垂直于所述r形止口面接触区域的所述单位长度载荷f
n
为:式中,f为单位长度载荷,μ为摩擦系数,θ为锥面倾斜角度。8.根据权利要求4所述的接触式圆柱形-锥面密封结构密封比压求解方法,其特征在于:所述步骤s24包括:已知所述密封结构材料等效杨氏模量e
*
可由下式求得:
其中,e1、e2分别为两种密封结构材料的杨氏模量,v1、v2分别为两种材料的泊松比;则由赫兹接触理论求得所述接触式圆柱形-锥面密封结构接触区域的所述赫兹接触半宽b为:其中,f
n
为垂直于r形止口面接触区域的单位长度载荷,e
*
为密封结构材料等效杨氏模量。9.根据权利要求1所述的接触式圆柱形-锥面密封结构密封比压求解方法,其特征在于:所述步骤s3包括:对于所述接触式圆柱形-锥面密封结构,保持密封所需的最小所述密封比压q
min
可由下式求得:式中,c、k均为与材料特性相关的无量纲常数,δp为密封压差,b为赫兹接触半宽;则所述接触式圆柱形-锥面密封结构的等效密封比压q为:式中,f
n
为垂直于r形止口面接触区域的法向载荷,b为赫兹接触半宽,l为接触区域总长度;采用密封比压比法进行密封设计校核,设计等效密封比压需满足:q
min
≤q≤[q]
ꢀꢀ
(12)式中,[q]为许用密封比压。
技术总结
本发明涉及机械密封安全技术领域,尤其涉及一种接触式圆柱形-锥面密封结构密封比压求解方法,包括:步骤S1:设计所述接触式圆柱形-锥面密封结构的几何参数和所述几何参数的约束范围;步骤S2:依据所述几何参数,求解述圆柱形-锥面密封结构的接触区域的接触宽度;步骤S3:依据所述接触宽度,计算所述圆柱形-锥面密封结构接触区域的密封比压。本发明提供了一种接触式圆柱形-锥面密封结构的密封比压求解方法,结合接触区域与几何参数之间的关联关系,得到接触式圆柱形-锥面密封结构的密封比压求解方法。该方法求解迅速,可应用于半静密封结构设计,对提高弹簧式阀门零件的服役性能具有重要意义。重要意义。重要意义。
技术研发人员:曹兴坤 刘红宝 李钦 万竞择 魏东 车明阳
受保护的技术使用者:上海宇航系统工程研究所
技术研发日:2023.06.28
技术公布日:2023/10/7

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