新型乳胶基质泵送装置的密封性能分析
摘 要： 聚四氟乙烯材质V型密封组件的性能是影响新型乳胶基质泵送装置泵送能力的关键指标。采用Solidworks Simulation有限元分析软件，开展V型密封组件与缸体之间在不同预紧力、过盈量下的接触应力分析。结果表明：新型乳胶基质泵送装置的密封性能主要取决于过盈量，预紧力对密封性能影响较小。实际应用时，采用0.1 mm过盈量的V型密封组件，在14 238 N预紧力下可满足使用需求。
关键词： 乳胶基质；泵送装置；泵送能力；密封；性能分析
中图分类号：TD235 文献标识码：A 文章编号：2095-8412 （2018） 05-087-03
工业技术创新 URL： http： // DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2018.05.019
引言
目前，国外在乳胶基质应用领域广泛采用了从集中制备、远程配送到现场使用一体化的服务模式。在这种一体化服务模式中，乳胶基质泵送采用的是一种新型的大容积、低频率双作用泵送装置。国内部分企业虽也在尝试应用该装置，但对其应用的泵送能力、泵送性能研究不足。本文采用有限元分析法，对新型乳胶基质泵送装置的密封性能进行研究。
1 装置密封结构及原理
密封组件是柱塞泵送设备的一个重要的组成部分，它的工作可靠性和使用寿命是整个装置稳定工作的基本保证。在新型乳胶基质泵送装置的往复式活塞泵密封结构中，密封组件与缸体的密封性能直接影响其容积效率和机械效率。目前，国外的往复式活塞泵主要采用V型密封实现动态密封[1， 2]，见图1所示：本装置的往复式柱塞泵密封借鉴了V型密封结构，其中进料套与泵轴柱塞密封座为细牙螺纹连接。
新型乳胶基质泵送装置的密封原理是在压环与传递块之间装入弹性材料或具有弹性结构的元件，在进料套与泵轴柱塞密封座的螺纹M76×2预紧力作用下，压环被预紧力施加轴向压缩。压环与传递块之间的弹性密封使其受到轴向压缩，产生径向力，并与缸体内壁紧密接触、摩擦，从而实现密封功能。
接触应力是判定密封性能的一个重要标准。接触应力越大表明能够密封的介质压力越大，泵送性能越好。文献[3]定性地分析了橡胶材质V型密封在压紧力、密封间隙、密封圈个数、密封圈排布方式等参数下的密封性能，但对于各向同性的聚四氟乙烯材質密封组件，还缺少量化的指标，无法指导应用。
2 有限元分析
为使新型乳胶基质泵送装置的密封性能满足实际应用，采用Solidworks Simulation有限元软件对其进行工况应力分析。首先，分析V型密封组件与缸体内径尺寸相等时，即V型密封组件与缸体内表面零间隙配合下，其受到不同预紧力的接触应力；其次，分析V型密封组件与缸体内表面形成0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm四种过盈量时，其在这些过盈状态下的接触应力；最后，叠加两者计算结果，与实际应用到的泵送最大压力3 MPa相比较，得出合理的预紧力及过盈量。
2.1 材料参数
因有限元分析聚焦于V形密封圈组与缸体之间的接触应力，故不再对进料套、压环、传递块、柱塞柱塞密封座等零件的压缩考虑在内。柱塞泵密封圈采用聚四氟乙烯V形密封圈，硬度（邵氏）为55 IRHD，压缩弹性模量为280 MPa，泊松比为0.40，摩擦系数为0.04[4]。缸体为304不锈钢，其弹性模量为2×105 MPa，泊松比为0.33。
2.2 网格划分与边界条件设定
缸体、V形密封圈组采用四面体实体网格进行划分，其中缸体内表面与接触的V形密封圈组各密封件表面应用网格控制，即将这些面精细划分网格，并将其设为无穿透相接触面组；另，将V形密封圈之间相贴合的V型槽面之间也设为无穿透相接触面组。共计划分76 253网格单元、13 463节点数。
当V型密封组件与缸体内表面零间隙配合时，为分析其受不同预紧力的接触应力，将预紧力P垂直施加于V形密封圈下的V型面进行有限元分析；当V型密封组件与缸体内表面形成0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm四种过盈量时，为分析其在过盈状态下的接触应力，缸体内表面与接触的V形密封圈组各密封件表面应用冷缩配合进行有限元分析。预紧力按文献[5]中螺纹夹紧力螺母类型计算，其中螺纹公称直径M为76 mm，中径为φ75.026 mm，进料套相当于螺母直径，为φ110.2 mm。螺纹升角按文献[6]中三角螺纹升角计算公式计算，为0.36°。预紧力及其他计算参数见表1。
3 数据选取与讨论
3.1 V型密封组件与缸体内表面零间隙接触应力
当V型密封组件与缸体内表面零间隙配合时，用有限元静应力分析得到四种预紧力下的接触应力，如图2所示。结果表明：V型密封组件最大接触应力出现在第一个密封圈肩部，说明此处最先遭到破坏；接触应力随预紧力的增加而增加得不明显，且没有线性关系。当预紧力为14 238 N时，满足使用需求；当预紧力为最大值37 883 N时，接触应力为0.168 6 MPa。
3.2 V型密封组件不同过盈量下接触应力
V型密封组件与缸体内表面形成0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm四种过盈量时，用有限元静应力分析得到不同过盈状态下的接触应力，如图3所示。结果表明：当过盈量为0.1 mm时，接触应力为3.479 MPa，已经满足泵送压力需求；当过盈量为0.2 mm时，接触应力已达27.6 MPa，远超泵送压力需求；其他两种过盈量下的接触应力分别为35.99 MPa及47.9 MPa，亦远远超过泵送压力需求。随着过盈量的增加，V型密封组件接触应力也相应增加。
4 结论
（1）新型乳胶基质泵送装置的密封性能主要取决于过盈量。预紧力对密封性能影响较小。
（2）考虑到聚四氟乙烯密封组件的磨损，在实际应用时，可采用0.1 mm过盈量的V型密封组件，在14 238 N预紧力下满足使用需求。
参考文献
[1] 付平， 常德功. 密封设计手册[M]. 北京： 化学工业出版社， 2009.
[2] 刘令勋， 刘荚责. 动态密封技术设计[M]. 北京： 中国标准出版社， 1993.
[3] 杜坚， 刘旭钻. 井泥浆泵柱塞V形圈密封失效仿真分析[J]. 陕西： 应用力学学报， 2017， 34（4）： 698-703.
[4] 胡勇， 文华斌， 颜伟， 等. 电石反应器斜锥滑环组合密封装置的设计与分析术[J]. 机械设计与制造， 2010（10）： 59-61.
[5] 郭爱莲. 新编机械工程技术手册[M]. 北京： 经济日报出版社， 1991.
[6] 李建功. 机械设计基础[M]. 北京： 机械工业出版社， 2012.