Новая усовершенствованная конструкция самозатягивающегося уплотнения — великолепное преображение восьмиугольной прокладки

Thread Content

Эта статья взята из оригинальных материалов официального аккаунта WeChat «ANSYS Analysis Designer». Мы уважаем авторские права; для просмотра дополнительного контента можно подписаться на этот аккаунт. 1. Введение? Надежность уплотнения является важной гарантией безопасной эксплуатации сосудов под давлением, а разумный и надежный дизайн уплотнительных структур — важным элементом проектирования таких сосудов. По сравнению с контейнерами среднего и низкого давления, у контейнеров высокого давления возникают большие трудности с герметизацией. Чтобы решить эту проблему, было разработано множество конструкций для герметизации при высоком давлении; они делятся на принудительные и самозатягивающиеся. К таким конструкциям относятся: герметизация с использованием плоских прокладок, восьмиугольных прокладок, двухконусной герметизации, герметизация по методу Казари, герметизация по методу Вуда и другие. Среди них герметизация с использованием плоских прокладок, герметизация по методу Казари и герметизация с использованием восьмиугольных прокладок относятся к принудительным конструкциям, а двухконусная герметизация и герметизация по методу Вуда — к самозатягивающимся конструкциям. Хотя стандартная конструкция уплотнения с восьмиугольным уплотнительным элементом обладает определенной способностью к самоуплотнению, из-за небольшой высоты кольцевого уплотнителя, а также отсутствия у уплотнителя способности к радиальному сжатию и возврату в исходное состояние, эффект самоуплотнения остается крайне ограниченным. Поэтому в настоящее время такие конструкции проектируются с использованием принципа принудительного уплотнения. 2. Принудительная восьмиугольная прокладка + принцип двойного конического уплотнения = самозатягивающаяся восьмиугольная прокладка с уплотнительной структурой? Структура уплотнения с самозатягивающимся восьмиугольным уплотнителем похожа на структуру обычного восьмиугольного уплотнителя. Принцип уплотнения аналогичен принципу двухконусной системы уплотнения. Структура уплотнения показана на рисунках 1 и 2:
https://pic4.zhimg.com/80/v2-99d986ca8ae551049dff72c11646c09e_hd.jpg – Рисунок 1. Структура уплотнителя с самозатягивающимся эффектом и каналы для уплотнения.
https://pic3.zhimg.com/80/v2-ea1058aa851268eca0297171e6acabcd_hd.jpg – Рисунок 2. Схема соединения уплотнителя с фланцем.
Особенности структуры уплотнителя с самозатягивающимся эффектом: 【1】Угол наклона внутренних и внешних конусов уплотнителя составляет 23° ； 【2】Автозатягивающаяся восьмиугольная прокладка и коническая поверхность снаружи уплотнительного паза являются уплотнительными поверхностями; структура уплотнения такая же, как и в случае двухконической уплотнительной структуры. Между этими уплотнительными поверхностями восьмиугольной прокладки и уплотнительного паза используется мягкая металлическая прокладка, либо на внешней конической поверхности восьмиугольной прокладки наносится графит ； 【3】Коническая поверхность внутри уплотнительного паза служит опорной конической поверхностью для восьмиугольного уплотнителя и предназначена для контроля максимально допустимой радиальной деформации уплотнителя ； 【4】Между центральной линией сечения восьмиугольного коврика и центральной линией сечения уплотнительного паза имеется радиальный зазор. После предварительного затягивания уплотнительной конструкции восьмиугольная прокладка радиально сжимается до тех пор, пока её поверхность не соприкоснется с внутренней конической поверхностью уплотнительного паза; см. рисунок 3 ниже. Эта радиальная зазора соответствует зазору между двухвыпуклым кольцом и опорной поверхностью в конструкции двухвыпуклого уплотнения. 【5】По сравнению с обычно используемыми принудительно затягиваемыми восьмиугольными уплотнителями, у самозатягивающихся восьмиугольных уплотнителей более большие габариты, что позволяет обеспечить достаточную степень самозатягивания и тем самым гарантировать качество уплотнения. https://pic3.zhimg.com/80/v2-4433443d1c4b60cac173f9aa55faaf33_hd.jpg Рисунок 3. Степень упругого сжатия самозатягивающегося восьмиугольного прокладки до и после предварительного затягивания болтов. Как показано на рисунке 3, в состоянии сборки до предварительного затягивания болтов между центральными кругами восьмиугольной прокладки и центральным кругом уплотнительной канавки существует зазор, а именно радиальный зазор g, показанный на рисунке. После предварительного затягивания болтов центральные круги совпадают, при этом коническая поверхность внутри прокладки соприкасается с конической поверхностью уплотнительной канавки. 3. Сравнение различий трех структур высоконапорного уплотнения? Замкнутая конструкция уплотнения с восьмиугольным прокладкой сочетает в себе преимущества как двухвыпуклого уплотнения, так и традиционной конструкции уплотнения с восьмиугольной прокладкой, являясь тем самым замкнутой уплотнительной конструкцией. Различия в основных параметрах конструкции и характеристиках уплотнения по сравнению с традиционными восьмиугольными прокладками и двухвалковыми уплотнительными структурами приведены в таблице 1. https://pic4.zhimg.com/80/v2-bf4b4ef1e919542b1a40b4b0ed8dfd3f_hd.jpg Таблица 1. Деформация эластичного сжатия самозатягивающегося восьмиугольного прокладки до и после предварительного затягивания болтов. 4. Анализ и проверка модели финитных элементов самозатягивающейся восьмиугольной прокладки? 【Условия проектирования】: Параметры структуры для элементной моделирования уплотнения с самозатягивающейся восьмиугольной прокладкой приведены в таблице 2. https://pic3.zhimg.com/80/v2-b6b210fbc123dc94718b9c2c8e765b42_hd.jpg Таблица 2. Основные геометрические размеры уплотнительной конструкции. [Параметры материалов и их свойств]: согласно стандарту GB/T150-2011 «Резервуары под давлением», коэффициент давления металлической прокладки составляет 124,1 МПа; коэффициент m равен 5,5. Расчетная нагрузка на один болт составляет 131542 Н. Материалы и параметры характеристик отдельных компонентов уплотнительной конструкции приведены в таблице 3. https://pic1.zhimg.com/80/v2-77b27a763056b3040552d3d1efdca6f7_hd.jpg Таблица 3. Материалы и параметры характеристик отдельных компонентов уплотнительной конструкции 【Создание модели и выбор элементов】: Для снижения объема вычислений, с учетом периодической симметрии геометрической структуры, нагрузок и граничных условий, для создания модели методом элементов конечных разностей используется структура в масштабе 1/20. В данной модели для создания сетки используются элементы типа Solid185 и элементы преднатяжения типа PRETS179. Все тела в модели разбиваются на гексаэдры. Сетка в области прокладок и в зонах их контакта с другими элементами уточняется, что способствует достижению стабильности решения и точности получаемых результатов. Все компоненты модели предполагаются из линейно-эластичных материалов. Трехмерная модель конструкции и схема сетки показаны на рисунках 4 и 5. https://pic2.zhimg.com/80/v2-a1c8e0208c282414c9ae24f75a974962_hd.jpg Рисунок 4. 3D-модель с использованием метода конечных элементов, 1/20 https://pic2.zhimg.com/80/v2-9a42bb399baeb22e1542a91acfffc948_hd.jpg Рисунок 5. Более детальное разделение сетки. 【Нагрузки и граничные условия】: 【Внутреннее давление и эквивалентные нагрузки】 На внутреннюю поверхность конструкции приложено равномерное давление в размере 15 МПа; на верхнюю поверхность цилиндра приложено эквивалентное давление в размере -65,44 МПа ； 【Нагрузка предварительного затягивания】 На узлах блока предварительного затягивания прикладывается нагрузка; сила затягивания болтов увеличивается от нуля до заданной величины ； 【Ограничение смещения твердого тела】Для предотвращения осевого смещения модели ограничивается смещение в направлении Z на концевой поверхности нижней цилиндрической части ； 【Симметричные ограничения】 На симметричной поверхности модели 1/20 вводятся симметричные ограничения ； 【Настройки контактов】Для анализа используются элементы контакта Contact174 и элементы цели Targe170 для определения пар контактов. В модели задано в общей сложности 6 пар контактов между плоскостями: контакт гайки с верхней фланцевой деталью, контакт гайки с нижней фланцевой деталью, а также 4 пары контактов между четырьмя коническими поверхностями прокладки и уплотнительными канавками ； 【Применение нагрузки】Поскольку в процессе моделирования рассматривается анализ нелинейных контактов, для обеспечения сходимости и точности результатов расчетов нагрузка применяется поэтапно. Для решения задач, связанных с ограничениями контакта, используется расширенный лагранжевский алгоритм. Подробности о воздействии нагрузок и граничных условий показаны на рисунке 6. https://pic4.zhimg.com/80/v2-3da35a6982c93cceeae1003a3e63c130_hd.jpg Рисунок 6. Нагрузки и граничные условия 5. Анализ результатов моделирования с использованием метода конечных элементов? Карты распределения эквивалентных напряжений в целой конструкции и у подушек уплотнения приведены на рисунках 7 и 8 соответственно: https://pic3.zhimg.com/80/v2-7654aeee90b33482fbe371572708ea57_hd.jpg Рисунок 7. Карта распределения напряжений в целой конструкции. https://pic4.zhimg.com/80/v2-811f379510256ccbe49f708f98adb6e5_hd.jpg Рисунок 8. Карта распределения эквивалентных напряжений у подушек уплотнения. Из рисунка 7 видно, что максимальное эквивалентное напряжение в конструкции составляет 287,834 МПа; оно возникает на поверхности контакта подушек уплотнения с фланцем. Это значение не превышает предел прочности материала ； Из-за действия внутреннего давления напряжения в болтах распределяются неравномерно ； Как видно из рисунка 8, максимальное эквивалентное напряжение в прокладке составляет 83,64 МПа, что меньше предела прочности материала прокладки; к тому же максимальные напряжения возникают на стороне герметизирующей поверхности прокладки. https://pic3.zhimg.com/80/v2-0d98b1853e53b3b6d92206fd68ff1a08_hd.jpg Рисунок 9. Кривые осевой силы болта и внутреннего давления. https://pic2.zhimg.com/80/v2-3f8cc3290bd53ce4d7dc13c78a892487_hd.jpg Рисунок 10. Кривые напряжений уплотнителя и внутреннего давления. На рисунке 9 показаны кривые осевой силы болта и внутреннего давления; эти данные сравниваются с результатами теоретических расчетов. Можно видеть, что результаты моделирования с использованием метода конечных элементов хорошо согласуются с результатами теоретических расчетов ； На рисунке 10 показаны кривые давления сжатия на стороне уплотнения прокладки и внутреннего давления. На начальном этапе повышения давления напряжение на поверхности уплотнителя снижается по мере роста внутреннего давления. Когда внутреннее давление достигает определенного значения, напряжение на поверхности уплотнителя начинает расти линейно с увеличением давления. Напряжение на поверхности уплотнения прокладки в модели всегда превышает давление, необходимое для обеспечения уплотнения, что свидетельствует о надежности уплотнительных свойств прокладки в процессе нагнетания давления.