深井超声波清洗装置的O型密封圈有限元分析*

乐泽锌，雷泽勇，钟 林，李 魁，李兴镇，郑帮龙

(南华大学 机械工程学院，湖南 衡阳 421000)

0 引 言

地浸采铀技术始于20世纪50年代[1-2]，目前是我国应用范围较广的采铀方式。在铀矿地浸生产井使用过程中，容易形成CaSO4、SiO2胶体等沉淀造成过滤器堵塞，影响浸出效率[3]。目前常用洗井清堵方式主要为压缩空气洗井和活塞洗井。但这两种方法作业程序复杂，工人劳动强度大、清洗时间长等[4]。相比较而言超声波清洗技术具有除垢效果明显、清洗时间短，对工件表面无损伤等诸多优点，因此考虑采用超声波清洗装置对地浸生产井进行清洗。研制了一套超声波洗井装置，由超声波震头和鱼雷接头两部分构成，钢管中装有24个50 W的超声波震头，超声波发生器通过鱼雷接头的钢丝绳电缆与震动棒的电缆相连，实现0～1 200 W可调，从而达到不同的清洗效率。超声波鱼雷接头是连接超声波发生器与超声波震动棒的关键部件，起着连接密封的作用，其O型密封圈的结构强度直接影响整个超声波清洗系统的安全性和稳定性。但在现场使用超声波进行清洗作业时发现超声波清洗装置与鱼雷接头连接密封性较差，在水下高压环境压力下容易出现渗水、电器短路现象，严重影响清洗效果和工作效率。为提高装置的连接密封性，对超声波清洗装置与鱼雷接头处O型密封圈的密封性能进行了重点研究。

目前，国内对于O型橡胶圈的密封防水能力没有明确的计算方法，通常是通过试验予以确定。但试验条件较为理想，不能完全反映实际工程中各种不利因素的影响。文献[5]～[8]介绍了通过有限元软件进行分析和预估的方法，有效地反映了密封圈的密封性能。基于已有文献研究资料，利用有限元软件ANSYS对O型橡胶密封圈的工作过程进行模拟，分析其接触应力，得出不同条件下 O 型橡胶密封圈防水性能，对于高压密封结构有着重要的研究价值。

1 超声波鱼雷接头设计方案

1.1 超声波鱼雷接头结构

超声波洗井装置如图1所示，其中重要连接部分超声波鱼雷接头如图2所示，主要由仪器接头18、鱼雷主体13和过渡接头4等组成。为保证井下超声波系统能长时间的正常工作，超声波装置与鱼雷接头对接并用橡胶密封圈密封，超声波发生器和震动棒通过鱼雷接头连接以及传输信号。由于当整个系统运行的过程中，超声波钢管将下放至井内不同深度处，进而管壁将在不同压力下工作，为了保证密封处的稳定，鱼雷主体的O型密封圈尤为重要。

图1 超声波洗井装置

图2 鱼雷接头1.O型密封圈 2.防转钉 3.拉紧套 4.过渡接头 5.单芯密封塞 6.铜插孔 7.黑胶套 8.尾簧 9.橡胶套 10.固定螺钉 11.注脂螺钉 12.橡胶垫 13.鱼雷主体 14.紧定螺钉 15.鱼雷锥体外壳 16.鱼雷中锥套 17.鱼雷小锥套 18.仪器接

1.2 O型密封圈选型及沟槽尺寸设计

O型密封圈按照密封结构的不同主要分为两大类：径向密封和轴向密封，其中径向密封分为活塞密封和活塞杆密封，鱼雷接头和超声波钢管的密封属于活塞杆密封，通过查阅《机械设计手册》O型密封圈规格表如表1所示，选取合适的密封圈截面直径。

在设计时，考虑到装置的直径的限制，在保证压缩率和密封性的前提下，尽可能选择直径较小的O型圈规格。根据图3装置的尺寸模型，按照表1的推荐，选择截面直径为3.55 mm的O型圈，结合文献[9]《液压气动用O型橡胶密封圈 第一部分尺寸系列及公差标准》GB/T 3542.1-2005，选取的O型圈内径规格D1为50 mm，O型圈密封属于挤压密封，对于活塞杆密封，在O型圈的装配过程中存在预压缩和压缩挤压的两个过程，O型圈密封效果的好坏很大程度上取决于密封圈压缩量、预压缩量及O型圈尺寸与沟槽尺寸的正确匹配，O型圈沟槽底径直径D3和O型圈沟槽深度t的极限尺寸计算公式，分别为：

表1 O型密封圈规格

图3 超声波钢管与鱼雷接头连接处的尺寸模型1.鱼雷接头 2.O型密封圈 3.超声波钢管壁

D3max=(1-Ymin)(D1min+2D2min)

(1)

D3min=(1-Ymax)(D1max+2D2max)

(2)

(3)

(4)

式中：Y%为预压缩率；S%：压缩率；D1为O型圈内径，单位为mm；D2为O型圈截面直径，单位为mm；D3为O型圈沟槽底径直径，单位为mm；t为O型圈沟槽深度，单位为mm。已知最小预压缩Ymin%为0，最大预压缩Ymax%、最小压缩率Smin%和最大压缩率Smax%分别为5%、11.5%和27.5%，将O型圈内径尺寸D1和截面直径尺寸D2的数值代入公式(1)～(4)得到沟槽底径直径和深度尺寸，O型圈沟槽深度t得最大值为3.19 mm，最小值为2.29 mm，取值2.8 mm。

2 O型密封圈结构有限元分析

O型圈密封原理是发生了挤压弹性变形，橡胶圈和超声波钢管壁及鱼雷接头沟槽的接触面由于橡胶材料产生了弹性变形以及橡胶材料的不可压缩性，接触面上产生了接触压力，Pjmax表示最大接触压力，P表示缸体内介质的压力，O 型密封圈的最大接触应力越大密封性能越好[10]，当Pjmax>P时，满足静密封的要求。

2.1 ANSYS有限元模型的建立

将鱼雷接头内的密封结构进行简化如图4所示，属于活塞杆和活塞的密封方式，结构图形是轴对称，载荷也是轴对称的，因此采用2D轴对称作为分析模型，能提高计算的效率和准确性。由上文得知，O型密封圈的沟槽深度t取值2.8 mm，外界初始载荷压力为0，将这一次参数设置为模拟分析的对象，以1 MPa为增量梯度分析不同压力下最大接触压力的大小值，检验密封圈在压力作用下的密封性能。利用SolidWorks软件建立O型密封圈的几何模型，通过保存好的.STEP文件模型导入到ANSYS分析软件中，对O型密封圈进行工作载荷下的应力和变形仿真分析。

图4 有限元模型 图5 网格划分

2.2 模型网格的划分及材料参数计算

对O型密封圈的网格尺寸大小为0.2 mm的自由网格划分，超声波钢管和鱼雷接头的网格尺寸大小也为0.2 mm，得到的网格图如图5所示，O型圈选取的材料为氟橡胶其弹性模量E为7.84 MPa，泊松比μ为0.49，ANSYS材料库中增加Field Variables，弹性模量E和泊松比μ代入各向同性的相关设置里，取杨氏模量为7.84 MPa，泊松比为0.49，将其数值输入到ANSYS材料库中，如图6所示。

图6 材料属性

2.3 设置接触类型

O型密封圈与鱼雷接头、超声波钢管壁之间的接触是非线性行为[11]，是属于包含非线性材料的接触，当接触条件满足无穿透约束条件，即认为接触物与目标物发生了接触，接触问题属于带约束条件的泛函极值问题[12]，在解决非线性接触中常用方法一般为增广拉格朗日乘子法。增广拉格朗日乘子法是一种通过乘子对带约束极值问题的接触体施加其必须要满足的无穿透约束条件的一种方法[13]。本次模拟O型密封圈与鱼雷接头的接触求解方法即为增广拉格朗日乘子法，类型设置为摩擦接触，摩擦系数为0.05，接触截面如图7所示。

图7 接触截面

2.4 载荷约束及后处理结果

超声波钢管壁的底部设置位移约束，限制其Y方向上的位移为0，在-X方向上设置为0.7 mm的位移距离，同时对鱼雷接头采用fixed support命令进行约束，其载荷约束见图8所示：在后处理过程查看接触应力，研究压力载荷与接触应力的关系。

图8 约束载荷

为探究外界压力对接触压力的影响，研究O型密封圈在高压下的密封性能，设定O型圈直径为3.55 mm、沟槽宽度4.5 mm固定不变，将外界压力载荷作为变量。图9分别为外界压力为0、1 MPa、2 MPa、3 MPa下的应力云图，表2为接触压力与外界压力的关系。

图9 不同外界压力对应的接触压力云图

表2 不同外界压力下对应的接触压力值/MPa

由图4～5和表2所示，外界压力越大，O型密封圈与超声波钢管壁和鱼雷接头接触时产生的接触应力越大，在压力为3 MPa时产生的应力最大为18.98 MPa，在不施加压力时产生的应力最小为3.36 MPa，接触应力随着外界压力的增加而显著提高。深井内超声波清洗装置使用的环境水压是3 MPa，为了保证该装置的密封性和可靠性，O型密封圈的接触应力必须要大于3 MPa，显然从分析结果来看接触应力远远大于环境压力，所以该O型密封圈的密封性能达到要求，可以保证超声波清洗装置在水下正常工作。

3 结 语

探讨深井超声波清洗装置的O型密封圈结构，确定O型密封圈以及沟槽的选型，通过ANSYS有限元分析软件对密封圈的结构进行静力学仿真分析，模拟出了不同环境压力对O型密封圈接触应力的影响，环境压力为3 MPa时，分析结果显示密封圈的最大应力值为18.98 MPa，满足密封性能要求。对深井超声波清洗装置研究提供了技术支持，为同类型高压工作装置的O型密封结构探索提供有益借鉴。