6-卡箍橡胶密封圈选型设计报告及力学性能试验报告

灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告（六）：卡箍橡胶密封圈设计报告及力学性能试验报告合同编号:YB12ZF0022灌浆卡箍力学实验及分析研究系列报告（六）：忖箍橡胶密封圈设计报告及力学性能试验报告哈尔滨工程大学黑龙江省重点实验室水下作业技术与装备实验室王茁孙立波目 录卡箍橡胶密封圈选型设计报告及力学性能试验报告 10、引言11、密封圈材料分析及选择 11.1、密封圈材料的性能分析 11.2、密封圈材料的选择 42、O型密圭寸圈的分析 52.1、灌浆卡箍中 O型密封圈有限元分析计算模型 52.1.1、橡胶材料有限元分析及本构模型 62.1.2、O型密封圈有限元分析模型 62.2、O型密封圈失效模式与失效判据 72.2.1、最大应力72.2.2、最大接触应力 72.2.3、剪应力72.3、计算结果与数据分析 82.3.1、预紧状态时108mmX 2mm规格O型密圭寸圈变形及 VonMises应力分布 82.3.2、不同水压时O型密封圈变形及Von Mises应力分布 92.3.3、 预紧状态时108mmx 2.6mm规格O型密封圈变形及 Von Mises 应力分布 112.3.4、不同水压时O型密封圈变形及Von Mises应力分布 122.3.5、不同压缩率时 O型密封圈最大Von Mises应力、最大接触压力与水压的关系 142.4、结论143、卡箍密圭寸实验分析及密圭寸圈的选择 153.1、卡箍密封实验 153.1.1、实验目的153.1.2、实验装置153.1.3、实验步骤153.1.4、小的直管卡箍密封实验结果分析 163.1.5、小的K管卡箍密封试验结果分析 173.1.6、小的直管径向加填料密封的实验结果分析 183.1.7、液压伸缩式直管卡箍和大的 K管卡箍的密封实验结果分析 203.2、密封圈的选择 244、密封圈的力学性能实验 244.1、实验目的244.2、实验装备244.3、实验结果254.4、卡箍橡胶密圭寸圈的选型及卡箍沟槽尺寸 275、总结28灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告（六）：卡箍橡胶密封圈设计报告及力学性能试验报告合同编号:YB12ZF0022卡箍橡胶密封圈选型设计报告及力学性能试验报告0、引言随着人类对海洋资源不断地开拓利用，应用于水下的设备也越来越多样化。由于水下 作业具有深度大、时间长和复杂性高等特点，且直接关系到人身安全，因此人们对水下设 备的可靠性和安全性提出了越来越高的要求。其中，密封设计是保证水下设备正常使用、 安全可靠的关键环节。密封泄漏或失效，轻者使装备不能正常工作，重者会使装备产生腐 蚀或破坏，甚至危及人员生命安全。密封圈作为保证密封性的重要措施，在设备的结构设 计中应加以重点考虑，所以对于密封圈的选型及其力学性能分析尤为重要。1、密圭寸圈材料分析及选择1.1、密圭寸圈材料的性能分析由于卡箍形状的限制，卡箍密封不能使用传统意义上的法兰密封形式。因此采用在卡 箍内镶嵌密封胶圈的形式对卡箍进行密封。考虑到卡箍复杂的工作环境，初步选定了丁腈 橡胶、乙丙橡胶、硅橡胶、氟橡胶、聚氨酯、三元乙丙橡胶六种密封胶条。对以上六种橡 胶的性能进行对比，结合工况需求选择合适的密圭寸材料。（1）丁腈橡胶（简称NBR是一种高分子弹性体，其基本组成成分是丙烯腈和丁二烯 工业上使用的丁腈橡胶大都是由乳液法制得的普通丁腈橡胶。丁腈橡胶既有良好的耐油 性，又保持有较好的橡胶特性，广泛用于各种耐油制品。高丙烯腈含量的丁腈橡胶一般用 于直接与油类接触、耐油性要求比较高的制品，如油封、输油胶管、垫圈等。低丙烯腈含 量的丁腈橡胶用于耐油性较低的制品，如低温耐油制品和耐油减震制品等。由于分子结构 的原因丁腈橡胶自身的强度较低，使用的丁腈橡胶通常对其结构进行了补强，增加其力学 性能。比较典型的力学性能见表1.1。表1.1 丁腈橡胶的物理学性能丙烯腈含量/%26323540200%定伸应力/MPa4.44.96.36.7拉伸强度/MPa1818.518.920.4伸长率/%640600570600硬度（JISA）58626470撕裂强度/KN m-146474652回弹率/%53474128（2）乙丙橡胶为乙烯、丙烯的二元聚合物（EPM）简称二元乙丙橡胶或乙烯、丙烯 及少量非共轭双烯类烯烃的三元共聚物（EPDM）简称三元乙丙橡胶，采用溶液法和悬浮 法在有机催化剂作用下进行二元或三元共聚制得的无规共聚物。乙丙橡胶具有良好的耐老 化性、耐氧化性、耐化学介质性。不仅在化学性能方面表现优异，在物理性能方面对低温 环境具有良好的抗性，在电绝缘方面表现尤为突出。材料相对密度较小具有很好的填充性 能；作为橡胶材料本身在弹性和抗压缩变形性方面表现优异，特别是非结晶性，且低温状 态下的鞍型保持性好。主要运用于有耐水、耐腐蚀要求的领域。乙丙橡胶经常使用在建筑 领域代替沥青材料作为防水卷材使用，乙丙橡胶使用寿命长、具有良好的弹性、使用乙丙 橡胶的建筑防水性能得到有效提高，广泛用于房屋、桥梁、隧道、水库和堤坝等防水工程。 乙丙橡胶主要力学性能见表1.2。表1.2乙丙橡胶的力学性能胶料牌 号拉伸强度（）/MPa扯断伸长率（）/%扯断永久变形（）/%撕裂强度（）/（KN/m）硬度（绍尔A）835013.016.7470630一34.040.046528360-115.518.5220275一34.038.561648370-112.722.5142238一25.442.169768380-114.820.4130213一24.538.27580EP828210.816.017026046一7782EP818912.617.612021046一8590H890113.923.398140一一8992（3）硅橡胶（简称SiR）的分子主链由硅原子和氧原子组成（一SiOSi）,其侧 链主要是烷基、苯基、乙烯基、氰基和含氟基等。硅橡胶又称聚有机硅氧烷（聚硅酮），通常用氯硅烷制备。由于分子珠帘由硅原子和氧原子组成，因此具有无机高分子的特征。 具有很高的热稳定性。由于侧基是有机基团，又赋予硅橡胶一系列优异性能。硅橡胶的主 要特征是卓越的耐高低温性、优异的耐臭氧和耐侯性、优良的电绝缘性和透气性以及特殊 的生理惰性和生理老化性能等。经过改性的硅橡胶还能耐油、耐燃、耐辐射以及作为功能 高分子使用i。硅橡胶具有独特的综合性能可用于汽车配件、电子配件、宇航密封制品、 建筑工业的黏结缝、家用电器密封圈、医用人造器官、导尿管等。但硅橡胶易溶于汽油， 煤油等含笨的溶剂，因此与苯类溶剂接触的密封中应避免使用硅橡胶。耐疲劳硅橡胶的性 能见表1.3。表1.3耐疲劳硅橡胶的性能硅橡胶牌号咼耐疲劳硅橡胶中耐疲劳硅橡胶通用硅橡胶KE5140-UKE5150-UKE5160-UKE9411-UKE9511-UKE9611-UKE951-U外观乳白色半 透明乳白色半 透明乳白色半 透明乳白色半 透明乳白色中 透明乳白色半 透明乳白色 半透明相对密 度/(g/cm3)1.091.111.121.111.141.141.15可塑度160170175175200205255硬度(JISA)40506040505951扯断伸长率/%550480410390290290330拉伸强度 /MPa7.98.18.16.47.16.68.0撕裂强 度/(KN/m)14191598109回弹性/%82777173737375压缩永 久变形/%76644410线收缩率/%3.93.73.93.93.53.44.0抗疲劳性 /106610482435231.52.045(4) 氟橡胶是一种合成高分子弹性体，其氟原子主要分布在主链或侧链的碳原子上相比其他密封材料，氟橡胶的耐化学腐蚀性能及其优良，在高温环境及油介质中表现不俗。 氟橡胶价格较高，目前在航空、航天、国防及其他特殊工业方面应用较多。目前主要应用 的氟橡胶有：聚烯烃类氟橡胶、亚硝基类氟橡胶、四丙氟橡胶、全氟醚橡胶、氟化磷腈橡 胶。氟橡胶的特点之一是具有极优越的耐腐蚀性能，氟橡胶处于高浓度过氧化氢、浓酸、 有机液体及其他强氧化剂环境中，其物理学性能依旧稳定，这是其他种类橡胶无法实现的。 氟橡胶的压缩永久变形性能较好，高温下表现依旧非常出色，其密封保持率在各类橡胶中 处于领先位置。氟橡胶常温下的力学性能见表 1.4。表1.4氟橡胶在25oC下的力学性能橡胶种类50%定伸应力/MPa拉伸强度/MPa扯断伸长率/%撕裂强度/（KN/m）VitonE-60C 硫化胶2.412.435023VitonGLT硫化胶2.215.835023氟硅橡胶硫化胶1.28.341546（5）聚氨酯橡胶是聚合物主链上含有较多的氨基甲酸酯基团的系列弹性体，实际应该是聚氨基甲酸酯橡胶，简称聚氨酯橡胶。聚合物链由氨基甲酸酯基团、酯基、醚基、脲基、 芳基和脂肪链等组成。通常是由低聚物多元醇、多异氰酸酯和扩链剂反应而成。聚氨酯具 有很高的拉伸强度和撕裂强度；弹性好，即使硬度高时，也富有较高的弹性；但是聚氨酯 橡胶的耐水性差，也不耐酸碱，长时间与水作用会发生水解。聚氨酯的物理机械性能非常 优越，因此一般用于一些性能需求高的制品如：实心轮胎、胶辊、胶带、各种模制品、鞋 底、后跟、耐油及缓冲作用密封垫圈、联轴节等。聚氨酯力学性能见表1.5。表1.5聚氨酯力学性能材料名称拉伸强度/MPa扯断伸 长率/%硬度（绍尔A）撕裂强度/（KN/m）压缩 率/%弹性体密度/（g/cm3）GF-3-Z9 聚氨酯464319078251.12（6）三元乙丙橡胶（EPDM）是乙烯、丙烯以及非共轭二烯烃的三元共聚物，三元乙丙本质上是无极性的，对极性溶液和化学物具有抗性，吸水率低，具有良好的绝缘特性。EPDM最主要的特性就是其优越的耐氧化、抗臭氧和抗侵蚀的能力。由于三元乙丙橡胶属 于聚烯烃家族，它具有极好的硫化特性。在所有橡胶当中，EPDM具有最低的比重。它能吸收大量的填料和油而影响特性不大。因此可以制作成本低廉的橡胶化合物。根据乙丙橡 胶的性能特点，主要应用于要求耐老化、耐水、耐腐蚀、电气绝缘几个领域，如用于轮胎 的浅色胎侧、耐热运输带、电缆、电线、防腐衬里、密封垫圈、建筑防水片材、门窗密封 条、家用电器配件、塑料改性等。三元乙丙力学性能见表1.6。表1.6三元乙丙力学性能材料名称拉伸强度/MPa扯断伸 长率/%硬度（绍尔A）撕裂强度/（KN/m ）压缩 率/%弹性体密度/（g/cm3）三兀乙丙橡胶（EPDM ）20248.37854.8251.21.351.2、密封圈材料的选择根据对工作条件的分析，在本课题设计中密封条选用时主要关注密封条以下几个性（1）压缩性能：它是选择橡胶密封件的重要依据，处于工作状态的橡胶密封件通常 处于受压缩状态，但是在橡胶材料本身的黏弹性作用下，橡胶材料受到大外界压力日益降 低；当密封件卸载后无法回到初始状态产生压缩永久变形。当密封件处于高温环境中时产 生永久变形的速度更快，材料的压缩性能直接关系到密封件的密封效果及寿命。（2）耐油或耐介质性能：橡胶材料及密封剂除接触石油基、双酯类、硅酸酯油料外， 在化学工业中有时还接触酸、碱等腐蚀介质。在这些液体中除受侵蚀作用外，在高温下还 会导致膨胀和强度、硬度的降低；同时橡胶和密封剂内的增塑剂和可用性物质被抽出，导 致质量减轻、体积缩小，引起泄漏。因此选取密封件时材料的耐油性或耐介质性是重要考 量依据。一般是在一定温度下，在介质中浸泡若干时间后测定其质量、体积、强度、伸长 率和硬度的变化来评定橡胶及密圭寸剂耐油或耐介质性能的好坏。（3）耐老化性能：橡胶及密封剂长时间遭受自然因素和人为因素作用后引起的材料 性能降低，称为橡胶和密封剂的老化。橡胶及密封剂的耐老化性能可通过自然老化和人工 加速老化试验（热老化、湿热老化、臭氧老化等）测定。耐老化性可用老化后试样的强度、 伸长率、硬度的变化来表示，变化率越小耐老化性能越好。根据卡箍工作环境在100米深海水下，可以推算要求密封胶条有一定的抗酸碱性。100 米水深工作压力为 1MPa，外加卡箍自身工作压力，橡胶密封件的抗压性能不能低于 2.3MPa。综合考虑性能及经济性，最终选择三元乙丙橡胶密封胶圈进行卡箍密封。2、O型密封圈的分析密封圈的形式多种多样，目前成型的密封圈有 YX型密封圈、O型密封圈、矩形密封 圈、星型密封圈、L型领圈、v形圈等，其中O型密封圈是一种被广泛使用的橡胶制品， 早在19世纪，就被用在蒸汽机的汽缸上。20世纪40年代，丁腈橡胶和氯丁橡胶的出现， 使O型密封圈广泛用于机械、工程以及化工等领域的密封中。因此，在本课题实验过程中 我们选择O型密封圈，目前一些领域对O型密封圈的结构设计、选型等均是通过经验获得 的，但是在重要场合（航空天、海底采油设备等）下，经验是远远不能满足要求的。针对灌浆卡箍用 O型密封圈需满足密封性能良好且使用寿命长等特点，本文采用 ABAQUS软件对O型密封圈建模，分析其在不同压缩率和水压时的应力及接触压力等的 变化规律，为O型密封圈结构设计及选型提供相关参考。2.1、灌浆卡箍中O型密封圈有限元分析计算模型2.1.1、橡胶材料有限元分析及本构模型O型密封圈材料为橡胶材料，近似为不可压缩超弹性材料。在实际应用中，橡胶材料存在着复杂的边界条件和接触非线性等各种问题。橡胶材料的非线性主要体现在以下3个方面：材料应力应变非线性、几何应变位移关系非线性及接触非线性，其中，橡胶材料 的材料应力应变非线性可用应变能函数来表示。橡胶材料的应变能函数形式较多，准确地确定应变能函数形式对分析计算结果非常重 要。对于橡胶类物理非线性材料，一般采用Mooney-Rivlin模型来描述。其函数表达式为：W = Ci( Ii 3) + C2( I2-3)(2-1)式中 W应变能密度；C1、C2材料 Mooney-Rivlin 系数。2.1.2、O型密封圈有限元分析模型图2.1所示为O型密封圈有限元分析模型，材料为三元乙丙橡胶，邵氏硬度为78HA。 模型中上法兰、下法兰均采用轴对称解析刚体建模，O型密封圈采用轴对称柔体建模。对O型密封圈模型进行网格划分时，刚体不做任何处理，O型密封圈采用自由网格划分技术， 杂交单元CAX4H。O型圈分析载荷条件包括 2个方面，首先模拟压缩过程，凹槽位置固定不变，密封端 面平移对O型圈进行压缩；其次施加工作压力，即对O型圈一侧施加不同大小的均匀压力。图2.1 O型密封圈有限元分析模型哈尔滨工程大学第7页共28页灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告（六）：卡箍橡胶密封圈设计报告及力学性能试验报告合同编号:YB12ZF00222.2、O型密封圈失效模式与失效判据关于橡胶0型密圭寸圈的失效模式和失效判据，目前普遍采用的是最大接触压应力大于 工作压力，但是工作状态下，密封槽槽口转角处的剪应力和应力都达最大；而且随着压力 增大，密封圈被挤压的量增多，剪应力和应力增大都可能造成0型圈的密封失效，因此需从最大应力、接触应力和剪应力 3个方面考虑密封失效模式和失效判据。2.2.1、最大应力0型圈在不同的工作压力下，其应力也将增大，如果该应力超过橡胶材料的屈服强度， 则密封圈将失效。因此，为了保证密封圈的密封性能，0形圈最大应力需满足：(T maxv(T s(2-2)式中(T max橡胶0型密圭寸圈在不同工况下的最大应力；(7 s 0型密封圈橡胶材料的屈服强度。2.2.2、最大接触应力0型圈装配在沟槽中，受到一种初始挤压或压缩作用， 这种挤压或压缩状况与密封圈、 沟槽深度和径向间隙等相关尺寸有关。这种压缩作用提供了初始密封压力。后来通过间隙 加到0型圈一侧上的内压力进一步使其变形，与沟槽的另一侧保持接触，这种压力传递到 被密封表面上去。因此，橡胶0型密封圈的接触应力由与初始压缩量有关的预压缩应力7 o和p组成，可以表示为：7 xmax= 7 o+ kp(2-3)为了保证密封圈的密封性能，0型圈最大应力需满足：7 xmax 7 o(2-4)式中7 xmax橡胶0型密封圈在工况下所受最大接触应力；7 o橡胶0型密封圈在不同工况下的工作压力。2.2.3、剪应力有限元计算得到在密封槽槽口转角位置剪切应力最大，而且此应力为兆帕数量级，如 果该应力超过橡胶材料的剪切强度时，则密封圈在此位置被撕裂，甚至可能会被剪断，造 成密封圈失效。因此对于剪切应力引起的密封失效也要着重考虑，应保证密封下的剪切应 力满足：7 xy v t b(2-5)式中7xy橡胶0型密封圈在工况下所受的最大剪应力；t b0型密封圈橡胶材料的抗剪强度。哈尔滨工程大学第7页共28页灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告（六）：卡箍橡胶密封圈设计报告及力学性能试验报告合同编号:YB12ZF00222.3、计算结果与数据分析本文分析了两种规格的 0型密圭寸圈，108mmn11.1 I* 盘器：112“ n*3 777 e- + 1 河 t +严和*; n? i廿 ” i-rk EHnsfr-Lsi n- a 9Nhi +XJ HirUH Clm= P*FT 1 go Mjiu j LI(a) e =5%(b) e =8%二JtHX K If吨込 *l ! r-?” ,3斗M +吃叶亠 r . * *l ,-a FP .M K “TH “ uk -rfelll: tz?cI侶* G 44+1 7Mjl.l H I弘*4曲 * ji片号Hul I 5 t- d* *l i -i-i f W ；* ；扣 4 IX 严； I*M-k! ”MWi $* tlT t-t-1 .iJI-(C) e =10%k. MLrUitvi； rs%：-二UF/ . l 2%亠貝 -5 血-宀- .jMznr zc 兰需AC 72C L _ tJU w I L - Ji I 7- -f !4 5* e H治皿屮辅it ：Ewm乜介$畝匸;!.唱(d) e =13%（e） e =16%图2.2 预紧状态时108mmX 2mm规格O型密圭寸圈变形及 Von Mises 应力分布（p =0）2.3.2、不同水压时 O型密封圈变形及 Von Mises应力分布图2.3所示为压缩率e为16% O型密封圈在不同水压p时的变形及Von Mises应 力分布。对比图2.2和图2.3可以看出：施加水压后，最大 Von Mises应力由中间位 置向O型密圭寸圈与沟槽侧壁接触的方向移动，并向两侧分散；随着水压的增大，最大VonMises应力逐渐向间隙区域移动。哈尔滨工程大学第9页共28页灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告（六）：卡箍橡胶密封圈设计报告及力学性能试验报告合同编号:YB12ZF0022哈尔滨工程大学第10页共28页灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告（六）：卡箍橡胶密封圈设计报告及力学性能试验报告合同编号:YB12ZF0022-刑二妇I *dLiT-r*fpa； u.讥 *1 町u： fcl.Wf* I丄尸一幵 * I “ g 讦-、.十 1 J.HJfl- CJf- =?a*WLklur -|fX 协*!-3 X ；! *)A+4in -f 矢“+i印*h -* l flii- _ _m“” ；茁二* m鼻5T*矶 4mi Y-M 鼻FhTni* t-f*勺* B. jMr-r -s.ru?-+-i-卜 4_-P 士 (a) p=0.3MPa(b) p=0.6MPaKiicr lAjin V1SS：H2訓眄fll “ 4E A2Hx :+孚僅0 tlirn Pi*i T-Ili44 :*rNhi #ihliiM l3 -S-3 #| ”(c)p=0.9MPa(d) p=1.2MPa哈尔滨工程大学第11页共28页灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告（六）：卡箍橡胶密封圈设计报告及力学性能试验报告合同编号:YB12ZF0022哈尔滨工程大学第12页共28页灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告（六）：卡箍橡胶密封圈设计报告及力学性能试验报告合同编号:YB12ZF0022M-1亠 J. 3t f(AiV Tin)imu.2*7*：* ICJU +J-J . + Il l 北 I rnm .ICU-WHI4I * 勺I J JIhtflF p臧T令：7|,科 fehdiri. 3Hll声电H-r- e-鸣哈尔滨工程大学第#页共28页灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告（六）：卡箍橡胶密封圈设计报告及力学性能试验报告合同编号:YB12ZF0022哈尔滨工程大学第#页共28页灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告（六）：卡箍橡胶密封圈设计报告及力学性能试验报告合同编号:YB12ZF0022（e） p=1.5MPa图2.3压缩率为16% O型密封圈在不同水压的变形及Von Mises 应力分布2.3.3、预紧状态时108mmx 2.6mm规格O型密圭寸圈变形及Von Mises应力分布图2.4所示为预紧状态（水压为0）, O型密封圈在不同压缩率&下的变形及VonMises应力分布。&较小时，应力集中于上下两侧且呈哑铃形状；随着&增大，应力集中向中间移动并向两侧扩展且不断增大。当压缩率进一步增大时，O型密封圈开始出现挤出现象，当压缩率为25及以上时，最大Von Mises应力集中在挤出区域且中间出现低应力 区，其余部分应力分布较均匀。由此可判断：在预紧状态时O型密封圈材料易发生失效的 地方位于呈现哑铃形状区域及中间区域；当压缩率大于25%寸，O型圈材料易发生失效的位置位于其在上法兰与下法兰间隙的挤出区域。(a) e =5%(b) e =10%t Hlii*in.fkh卫i *S it-sl3 Ji illl-fcla.1 斗IMi 11:!*!- -aJfE 亍电 * l rf 1 R : w：:牌 | V-ll I115:rhm-1-1 UH liM*小 “lA-.IEj*(c) =15%(d) =20%* 4： Ii. ji 1172 I *!： -a ； # L F .-I I r113.)9（e） =25%图2.4预紧状态时108mnX 2.6mm规格O型密圭寸圈变形及 Von Mises 应力分布（p =0）2.3.4、不同水压时O型密封圈变形及 Von Mises 应力分布图2.5所示为压缩率为15% O型密封圈在不同水压p时的变形及Von Mises应 力分布。对比图2.4和图2.5可以看出：施加水压后，最大 Von Mises应力由中间位置 向O型密圭寸圈与沟槽侧壁接触的方向移动，并向两侧分散；随着水压的增大，最大VonMises应力逐渐向间隙区域移动，由于施加的工作压力不大，所以应力变化不明显。哈尔滨工程大学第15页共28页灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告（六）：卡箍橡胶密封圈设计报告及力学性能试验报告合同编号:YB12ZF0022哈尔滨工程大学第16页共28页灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告（六）：卡箍橡胶密封圈设计报告及力学性能试验报告合同编号:YB12ZF0022Mil *#-r* rin1 i :s-p .iii a-B * Ll*.*ijn ) J4 413-. 4Jll -/亡-匸VZ fr 3 貝I” *山別 2 UIJUL h-l I iMfe JT哈尔滨工程大学第#页共28页灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告（六）：卡箍橡胶密封圈设计报告及力学性能试验报告合同编号:YB12ZF0022(b) p=0.6MPa(a) p=0.3MPa哈尔滨工程大学第#页共28页灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告（六）：卡箍橡胶密封圈设计报告及力学性能试验报告合同编号:YB12ZF0022哈尔滨工程大学第#页共28页灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告（六）：卡箍橡胶密封圈设计报告及力学性能试验报告合同编号:YB12ZF0022i HmmAptvtai-l m ：坤4*klUlM MK 1*7*农孜舉朝严-_ * a 4 4 m - .a * % 4 *- 4 -L A-fe- ffl./ S-B I - fci B-b jMT ftP4t. 2* -11 - *is - -. - -g.T dL!Qss ti*:F ； 1T.:I -肯 T* ; -JI .- * B l.:it,土I.i.I.?.* * * *e .f ! Bfc-! h w哈尔滨工程大学第#页共28页灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告（六）：卡箍橡胶密封圈设计报告及力学性能试验报告合同编号:YB12ZF0022(c) p=0.9MPa(d) p=1.2MPa哈尔滨工程大学第#页共28页灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告（六）：卡箍橡胶密封圈设计报告及力学性能试验报告合同编号:YB12ZF0022哈尔滨工程大学第#页共28页灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告（六）：卡箍橡胶密封圈设计报告及力学性能试验报告合同编号:YB12ZF0022(e) p=1.5MPa图2.5压缩率为15% O型密封圈在不同水压的变形及 Von Mises 应力分布讲磴I-为屮*/ ft *. I *4R I I Ak I I y | 鼻1.】Wm -坤I.趴-i. r.哈尔滨工程大学第17页共28页灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告（六）：卡箍橡胶密封圈设计报告及力学性能试验报告合同编号:YB12ZF00222.3.5、不同压缩率时O型密圭寸圈最大Von Mises应力、最大接触压力与水压的关系通过软件ABAQU分析可知，在压缩率一定时，最大 Von Mises应力随着水压的增大 而增大；而在水压一定时，最大 Von Mises应力随压缩率的减小而降低。由此可以得出： 在保证形成良好密封的前提下，适当的降低压缩率可以提高0型密封圈材料的密封性能。O型密封圈在预紧状态时，最大接触压力随压缩率增大而增加；而在压缩率一定的条 件下，最大接触压力随水压的增加而增加。由此可以得出：在水压一定的条件下，适当增 加O型密封圈的压缩率可以提高最大接触压力，起到增强密封的效果。2.4、结论(1) 从O型密圭寸圈的最大应力、最大接触应力和最大剪应力3个方面考虑密圭寸失效准 则并得到相应的失效判据。(2) 预紧状态时，O型密封圈材料易发生失效的位置位于呈现哑铃形状区域及中间区域。(3) 施加水压后，当压缩率一定时，最大 Von Mises应力由中间区域向O型圈与沟槽 侧壁接触的区域转移，在高压下最大 Von Mises应力集中于O型圈在上法兰与下法兰间 隙的挤出区域，该区域也是 O型密封圈材料易发生失效的位置。(4) O型密圭寸圈最大Von Mises应力和密圭寸面最大接触压力随压缩率和水压的增加而增加。在水压一定时，适当地提高压缩率可以增强密封效果；同时，在保证 O型密封圈形成 良好密封的前提下，适当地降低压缩率，可以提高O型密封圈材料的密封性能。3、卡箍密封实验分析及密封圈的选择3.1、卡箍密封实验针对本课题，为了便于实验，在设计阶段我们设计了两种比例（一种是根据实际管的 尺寸所设计的大的直管卡箍样机和 K管卡箍样机，另一种是在管原有尺寸基础上缩小大约 五倍的小的直管卡箍样机和K管卡箍样机）的卡箍样机。3.1.1、实验目的由于水下作业具有深度大、时间长和复杂性高等特点，且直接关系到人身安全，因此人们对水下设备的可靠性和安全性提出了越来越高的要求。根据卡箍工作环境在100米深海水下，其工作压力为1MPa在本课题中针对给定的要求，对所设计的卡箍样机进行模拟 密封实验，检测所设计的卡箍是否满足密封要求。3.1.2、实验装置手动压力泵一台，其量程为0-4MPa,装置如图3.1图3.1手动压力泵3.1.3、实验步骤（1）用布将卡箍密封槽擦干净，用砂纸将卡箍接触表面的铁锈磨掉，将密封圈仔细的 贴在密封槽里。（2）组装两瓣卡箍，用螺栓将两瓣卡箍把紧，尽量减小两瓣卡箍之间的额间隙。（3）在卡箍灌浆处进行注水，将卡箍注满水，直到将里面的空气排尽。（4）连接手动压力泵与卡箍接头，进行打压，完全排尽空气，安装卡箍接头，将卡箍 完全密圭寸。（5）进行打压，按动压力泵，慢慢加压，进行观察。3.1.4、小的直管卡箍密封实验结果分析小的直管卡箍管的尺寸设计为 108mm卡箍上开槽的尺寸取槽深1.68mm槽宽2.7mm 所配合的密圭寸圈的尺寸查表取2mm密封试验过程中，首先对小的直管卡箍进行密封实验，用查表所取的2mm密封圈进行密封。密封条安装完成后，将两瓣卡箍用螺栓预紧达到紧密贴合的程度，然后进行注水 打压实验，注水完成后没有渗水点，静压可以保持，然后打压，在打压的过程中两瓣卡箍 接缝处以及环面陆续出现漏水，无法加压。在上一节的分析中2mm密封圈在理论上可以实现密封，然而，在实际操作中 2mm密封圈达不到密封要求。图3.2小的直管卡箍打压装置图图3.3小的直管卡箍密封圈放置图针对小的直管卡箍 2mm密圭寸圈无法密圭寸的情况，做如下假设分析：2mm密圭寸圈在理论上可以实现密封，而实际上却达不到密封要求，分析其原因可能是由于我们所设计的卡 箍是由两瓣组成，在装配后存在一定的间隙，安装预紧完成后其压缩量达不到密封机理所 要求的压缩量。所以考虑更换直径更大一点密封圈来补偿由于间隙造成的压缩量，因此在 下一次的实验中将2mm的密封圈换为2.6mm的密封圈。运用2.6mm密封圈对直管卡箍再次进行密封打压实验，密封安装完成后，注水打压， 静压可以保持。开始打压，陆续慢慢打压到 0.5MPa 0.8MPa 1MPa观察一段时间，没有 渗水点。在保证100米水深1MPaffi力的前提下，为了密封的安全性，打压到 1.25MPa,观 察两个小时，没有渗水点，且压力表一直保持1.2MPa,0.05MPa的泄露仅由内泄造成，实验结果见表3.1。由此可以得出：02.6mm密封圈可以实现密封的要求，且补偿了由间隙带 来的压缩量。但是拆开装置发现密封圈由于沟槽过小出现了飞边，像图2.4中的（e）由于沟槽小，压缩量大，密封圈被挤出，最大应力位于挤出区域，接触面出现低应力区，此 时密封圈还能暂时维持密封，但实际上已经损坏。图3.4使用后密封圈损坏图表3.1小直管卡箍实验结果记录表观察时间渗漏点仪表读数（MPa升降幅度（MPa打压完成12:15没有渗水点12:18没有渗水点1.25012:30没有渗水点1.25012:50没有渗水点1.240.0113:10没有渗水点1.230.0113:30没有渗水点1.220.0113:50没有渗水点1.210.0114:10没有渗水点1.200.013.1.5、小的K管卡箍密封试验结果分析小的K管卡箍主管尺寸设计为 133mm支管尺寸设计为 108mm卡箍上开槽的尺寸 取槽深1.68mm槽宽2.7mm所配合的密圭寸圈的尺寸查表取 2mm根据直管卡箍密圭寸的成功经验，运用2.6mm密圭寸圈对小的K管卡箍进行密圭寸打压实验，由于小的K管卡箍三角板处太薄，并且没有加强筋，第一次试验没有成功。考虑到三角板的薄弱，在三角板处进行了局部加强，在两侧三夹板处各加两层硅胶垫来补偿间隙。 安装完成后，进行注水打压试验，静压可以保持，陆续打压到0.5MPa 0.8MPa 1MPa观察没有渗水点，继续打压到1.25MPa观察一段时间，没有渗水点，实验结果见表3.2。由此可以得出，2.6m m可以实现密封要求，但是同样密封圈出现了飞边，说明已经损坏, 只是暂时能维持密封作用，出现飞边的密封圈不能再重复利用。图3.5小K管卡箍局部加强图及密封圈损坏图表3.2小的K管卡箍实验结果记录表观察时间渗漏点仪表读数（MPa升降幅度（MPa注水完成12:30没有渗水点开始打压12:32没有渗水点0.512:40没有渗水点0.70.212:50没有渗水点10.3打压完成13:00三角板渗水1.250.2513:10三角板渗水1.150.1013:20三角板渗水1.100.0513:40三角板渗水1.050.0514:00没有渗水点10.013.1.6、小的直管径向加填料密封的实验结果分析用填料密封的方式对小直管卡箍进行密封，采用2mm的密封圈在打压过程中直面以及环面均有漏水情况，在不改变密封圈尺寸的前提下采用填料密封。在环面端部加一层填 料密封，填料加固件如图3.6所示。图3.6填料加固装置安装完成后，进行卡箍密封试验，注水后观察没有渗水点，静压可以保持，开始打压，陆续慢慢打压到0.5MPa 0.8MPa 1MPg观察一段时间，没有渗水点。在保证 100米水深 1MPa压力的前提下，为了密封的安全性，打压到 1.25MPa,观察两个小时，没有渗水点， 且压力表一直保持1.25MPa，最高可打压到1.5MP&由此可以得出：在海水中工况不是很 好，加工组装精度比较低，两瓣卡箍组装存在间隙，导致密封圈压缩量不够，在这种情况 下，填料密封完全可以实现对卡箍的密封要求，实验结果见表3.3。图3.7填料使用前后对比表3.3小直管卡箍实验结果记录表观察时间渗漏点仪表读数（MPa升降幅度（MPa注水完成15:20没有渗水点开始打压15:25没有渗水点0.50.515:30没有渗水点0.80.315:50没有渗水点10.216:00没有渗水点1.250.2516:20环面端部渗水1.50.2516:10环面端部渗水1.20.316:15环面端部渗水10.23.1.7、液压伸缩式直管卡箍和大的 K管卡箍的密封实验结果分析液压伸缩式直管卡箍管的尺寸设计为 610mn和K管卡箍管的尺寸设计为 762mm卡 箍上开槽的尺寸取槽深12.5mm槽宽17mm所配合的密圭寸圈的尺寸查表取 15mm密封试验过程中，首先对大的直管卡箍进行密封实验，用查表所取的15mn密封圈进行密封。密封条安装完成后，将两瓣卡箍用螺栓预紧达到紧密贴合的程度，然后进行注水 打压实验，在注水的过程中直管卡箍环面以及两瓣卡箍接缝处开始漏水，静压不能保持。 为了分析其静压不能保持的原因，现用有限元分析软件对其进行理论分析，分析过程和步 骤在第二节中已作出详细介绍，在这只给出分析结果。!札2J +CM7I.- RfFlj計EE31訂*仃町1 m甲g轧紂热心Mp; *1 TJ7- + XI常卜囲甘丫 J L.fajr； g零MW“*7Fi.- CVR-1-L11?-*：-IMvdc * fb哈尔滨工程大学第24页共28页灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告（六）：卡箍橡胶密封圈设计报告及力学性能试验报告合同编号:YB12ZF0022哈尔滨工程大学第#页共28页灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告（六）：卡箍橡胶密封圈设计报告及力学性能试验报告合同编号:YB12ZF0022图3.815mm密封圈变形应力图哈尔滨工程大学第#页共28页灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告（六）：卡箍橡胶密封圈设计报告及力学性能试验报告合同编号:YB12ZF0022判断能否密封的条件是密封圈最大接触压应力大于工作压力。在本课题分析中我们所施加的工作压力为1.25MPa,而从分析结果来看，密封圈的最大应力为3.522MPQ显然，满足密封圈的密封条件，由此可以说明，15mn密封圈在理论上可以实现密封要求。然而在实际操作中，密封圈达不到我们所需要的密封要求。分析其原因可能与上面所描述的小 的卡箍有着同样的情况，由于卡箍由两瓣组成，在组合装配之后存在一定的间隙，导致密 封圈的压缩量不够，满足不了密封圈的密封条件。所以还是尝试换大一点的密封圈。用16mm的方形密封圈代替 15mni密封圈再次进行密封打压实验，密封安装完成后注 水打压，静压可以保持。开始打压，陆续慢慢打压到0.5MPa 0.8MPa 1MPa观察一段时间，没有渗水点。在保证 100米水深1MPa压力的前提下，为了密封的安全性，打压到 1.25MPa,观察两个小时，没有渗水点，且压力表一直保持1.25MPa实验结果记录表见表3.4。为了测试16mm方形密封圈的密封性能，继续打压到 1.5MPa,观察一段时间，发现两 瓣卡箍断面接缝处开始含水，如在继续加压，卡箍可能会渗水。由此可以得出：16mn方形密封圈可以实现密封的要求，且补偿了由间隙带来的压缩量。但是拆开装置发现密封圈由 于沟槽过小同样出现了飞边，像图 2.4中的（e）由于沟槽小，压缩量大，密封圈被挤出, 最大应力位于挤出区域，接触面出现低应力区，此时密封圈还能暂时维持密封，但实际上 已经损坏。图3.9 16mm密封圈安装前后表3.4大的直管卡箍实验结果记录表观察时间渗漏点仪表读数（MPa升降幅度（MPa注水完成14:20没有渗水点00开始打压14:25没有渗水点0.70.714:35没有渗水点10.314:50没有渗水点1.250.2515:00环面端部渗水1.50.2515:25环面端部渗水0.90.116:00没有渗水点0.80.117:00没有渗水点0.80下面我们对16mm方形密圭寸圈进行一下简单的分析。与 0型密圭寸圈的分析过程相同， 设定相同的边界条件，约束以及载荷，对 16mm方形密封圈进行有限元分析，从而得到方 形密圭寸圈的密圭寸特性。密圭寸圈的分析如图3.10和3.11所示，压缩率为15%，施加工作压力为1.25MPa。由图可以看出，密圭寸圈的最大应力出现在挤出区域，且密圭寸圈已损坏，但 是满足密封条件，所以16mm密封圈可以密封，只是不能重复使用。图3.10 16mm方形密封圈有限元分析模型 I显 1 :1 h: M L严1帆亦 *A.injAinnfl1斗龟图3.11 16mm方形密封圈变形应力图哈尔滨工程大学第26页共28页灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告（六）：卡箍橡胶密封圈设计报告及力学性能试验报告合同编号:YB12ZF0022哈尔滨工程大学第#页共28页灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告（六）：卡箍橡胶密封圈设计报告及力学性能试验报告合同编号:YB12ZF0022根据大的直管卡箍的成功经验，用 16mm方形密圭寸圈对大的K管卡箍进行密圭寸试验,哈尔滨工程大学第#页共28页灌浆卡箍力学实验及分析研究服务系列报告（六）：卡箍橡胶密封圈设计报告及力学性能试验报告合同编号:YB12ZF0022密封条安装完成之后，进行注水打压实验，注水到一半之后，三角板两瓣卡箍连接处开始 漏水，继续注水，注满水之后观察发现，只有三角板缝隙处漏水，其他地方没有发现渗水 点，静压不能保持，其原因是三角板处属于薄弱环节，不能减小其间隙，如图3.12所示图3.12 K管卡箍三角板安装情况针对大的K管卡箍不能实现密圭寸的情况，在其密圭寸薄弱环节进行局部加强，通过在环 面端部和三角板处加加强件来加强密圭寸条的密圭寸效果。对改进的卡箍再次进行密圭寸试验， 密封安装完成后注水打压，静压可以保持。开始打压，陆续慢慢打压到0.5MPa 0.8MPa1MPa观察一段时间，没有渗水点。实验结果记录表见表3.5。表3.5大的K管卡箍实验记录表观察时间渗漏点仪表读数（MPa升降幅度（MPa注水完成14:20没有渗水点00开始打压14:25没有渗水点0.70.714:35没有渗水点10.314:50没有渗水点1.250.2515:00环面端部渗水1.50.2515:25环面端部渗水0.90.116:00没有渗水点0.80.117:00没有渗水点0.803.2、密封圈的选择密封圈的选择往往都是查表获得，而在实际应用中会因为各种原因使得在理论上完全 可以实现密封的密封圈达不到我们对部件的密封要求，例如：加工精度不够、连接组件的 变形、安装位置的偏移等原因都会对密封件产生附加作用力，从而对密封造成不利的影响。上面我们对密封