李瑞容， 朱德文， 王鵬軍， 韓柏和， 陳明江， 陳永生

(1.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所， 南京 210014； 2. 農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源開發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610041)

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干發(fā)酵庫(kù)充氣密封圈非線性有限元分析

李瑞容1，2， 朱德文1， 王鵬軍1， 韓柏和1， 陳明江1， 陳永生1

(1.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所， 南京 210014； 2. 農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源開發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610041)

文章基于非線性有限元理論，考慮密封結(jié)構(gòu)的材料特性、幾何形狀和接觸的非線性，建立了“M”形充氣密封圈的平面應(yīng)變有限元模型，分析了充氣密封機(jī)理，得到了法向接觸應(yīng)力沿密封接觸面的分布規(guī)律，討論了充氣壓力、被密封介質(zhì)壓力和密封間隙對(duì)法向接觸應(yīng)力和密封效果的影響。結(jié)果表明，保證密封效果的法向接觸應(yīng)力隨充氣壓力的增大而增大，接觸橫截面寬度也隨之增長(zhǎng)，在外表面中間的凹陷圓弧部分達(dá)到應(yīng)力峰值；被密封介質(zhì)壓力使得靠近介質(zhì)一側(cè)的接觸應(yīng)力減小，密封面長(zhǎng)度變短；隨著密封間隙的增加，其接觸應(yīng)力也相應(yīng)增大。為了提升充氣圈的密封性能，需要結(jié)合密封圈的受力變形、環(huán)境溫度、壓力和材料特性等綜合進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，密封圈的表面應(yīng)做涂層防腐處理；選擇適當(dāng)?shù)谋幻芊饨橘|(zhì)壓力和充氣壓力比值，既能保證密封效果又能延長(zhǎng)充氣圈的使用壽命。

充氣式密封； 非線性有限元； “M”形充氣圈； 硅橡膠

干法發(fā)酵具有產(chǎn)生沼液少、容積產(chǎn)氣率高、物料適應(yīng)范圍廣和運(yùn)行穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，無(wú)濕法發(fā)酵中的浮渣、沼液難處理等問(wèn)題，受到了越來(lái)越多的關(guān)注。規(guī)?；託飧煞òl(fā)酵裝置主要有車庫(kù)型、氣袋型、滲出液存儲(chǔ)桶型、干濕聯(lián)合型和覆膜槽型等，其中車庫(kù)型干法發(fā)酵裝置容易實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展和規(guī)?；瘧?yīng)用，具有運(yùn)行管理簡(jiǎn)單、能耗低、利用效率高、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊[1-3]。

為了滿足裝載機(jī)的快速進(jìn)出料，發(fā)酵庫(kù)門一般開在發(fā)酵庫(kù)的側(cè)面，大門的密封面積大；密封面易有雜物，產(chǎn)生間隙；發(fā)酵物料成分復(fù)雜，腐蝕性強(qiáng)等問(wèn)題導(dǎo)致密封難的現(xiàn)象。國(guó)內(nèi)外已有學(xué)者開展了相關(guān)密封系統(tǒng)的研究，韓捷[4]等采用氣漲式夾緊密封方式對(duì)敞口式覆膜槽生物反應(yīng)裝置進(jìn)行密封，進(jìn)出料方便，氣體易排盡，但密封面積大，密封效果難保障，且設(shè)計(jì)的深度和容量受密封面積大小所限；趙國(guó)明[5]等在地面車庫(kù)型發(fā)酵槽敞口處采用輔助加強(qiáng)膜式封口、雙閉合液漲式密封結(jié)構(gòu)，反映直觀，安全可靠，但該方法僅適用于全年零度以上的地區(qū)，且密封面積過(guò)大，存在安全隱患；黑龍江省賓縣引進(jìn)德國(guó)的密封技術(shù)，采用液壓驅(qū)動(dòng)和粘黏式矩形充氣圈組合的密封方式，便于進(jìn)出料，自動(dòng)化程度高，但成本高，充氣圈底部易脫落，密封缺少可靠性和穩(wěn)定性；陳永生、朱德文等研究開發(fā)的柔性頂膜車庫(kù)式干發(fā)酵裝置采用復(fù)合“M”形氣漲式機(jī)械壓緊密封技術(shù)，雙重密封安全可靠，可調(diào)節(jié)密封間隙，但需要空壓機(jī)供氣保證圈內(nèi)氣壓。可見，針對(duì)復(fù)雜的沼氣運(yùn)行工況，復(fù)合“M”形氣漲式機(jī)械壓緊密封技術(shù)是比較合適的密封方式之一。

目前，非線性有限元法被廣泛的應(yīng)用于橡膠類密封圈數(shù)值模擬研究，但僅有少數(shù)針對(duì)充氣式密封結(jié)構(gòu)，孟祥鎧[6]等利用MARC對(duì)“a”形充氣密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，賁可存[7]等利用ANSYS對(duì)“V”形充氣式柔性密封圈進(jìn)行了分析，周仕明[8]等利用MARC對(duì)充氣式自密封氣囊進(jìn)行了分析，但對(duì)于“M”形充氣密封結(jié)構(gòu)未見報(bào)道。本文利用大型有限元分析軟件ABAQUS，建立了截面結(jié)構(gòu)為“M”形充氣密封圈的軸對(duì)稱有限元模型。分析了充氣圈的變形情況，以及充氣壓力、被密封介質(zhì)壓力、密封間隙對(duì)法向接觸應(yīng)力的影響，為充氣密封圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。

1.密封圈墊片； 2.充氣密封圈I； 3.緊固圈部件； 4.螺栓； 5.平墊圈； 6.螺母； 7.充氣密封圈II； 8.密封圈卡箍； 9.大門門體圖1 復(fù)合“M”形充氣密封圈固定安裝方式示意圖

1 “M”形充氣密封圈結(jié)構(gòu)和工作原理

發(fā)酵庫(kù)大門采用復(fù)合“M”形充氣圈組合密封技術(shù)，采用夾具固定的方式安裝在大門的四周，主要由兩個(gè)“M”形充氣密封圈、墊片、緊固圈、卡箍等組成，如圖1所示，兩道密封圈中間用緊固圈壓緊螺栓固定，兩側(cè)分別用墊片和卡箍加夾緊，使得密封圈既可以固定住也可以有一定的伸縮余量。

該充氣密封圈材料選用以硅橡膠為基體材料，白炭黑為增強(qiáng)纖維，并添加硅油和硫化劑等。形狀設(shè)計(jì)為“M”形，實(shí)際尺寸25 mm(寬度)×20 mm(高度)，壁厚3 mm。大門關(guān)閉后，利用空壓機(jī)對(duì)充氣圈加壓，充氣密封圈凹陷部位向外膨脹變形，與剛體門框相擠壓達(dá)到密封效果；當(dāng)發(fā)酵完畢后，將充氣圈內(nèi)的壓力卸載，密封圈脫離門框恢復(fù)充氣前“M”形?？紤]到充氣密封圈因?yàn)殚L(zhǎng)期工作磨損、氣壓不穩(wěn)定等因素撕裂或泄漏，設(shè)計(jì)了兩道并行充氣密封圈，一旦其中一個(gè)密封圈發(fā)生破裂，另一個(gè)密封圈將保證發(fā)酵庫(kù)氣密性和穩(wěn)定性。影響充氣圈密封性能的因素主要有充氣密封圈的接觸應(yīng)力、結(jié)構(gòu)形式、材料回彈性能、充氣壓力、被密封介質(zhì)壓力、密封間隙大小以及接觸表面粗糙度[9]等。

2 “M”形充氣密封圈有限元模型

2.1 基本假設(shè)

(1)由于大門的門體、門框和固定件的剛度較大，不考慮其變形，將門框、固定件和接觸的門體視為剛體邊界；

(2)充氣密封圈采用的是硅橡膠材料，視為不可壓縮的而且在變形前是各向同性的;

(3)充氣密封圈沿著門框安裝在大門四周，周長(zhǎng)遠(yuǎn)大于密封圈的高度和寬度，因此，密封圈及其接觸邊界均按平面應(yīng)變問(wèn)題處理。

2.2 材料定義

確定彈性體材料的非線性特性是困難的，但基于應(yīng)變能密度用于大彈性變形的幾種本構(gòu)理論已經(jīng)發(fā)展起來(lái)，對(duì)于橡膠類物理非線性材料，常用Mooney-Rivlin模型來(lái)描述[10]：

W=C10(I1-3)+C01(I2-3)

式中，C10和C01為Rivlin系數(shù)，均為正定常數(shù)。對(duì)于大多數(shù)橡膠而言，在應(yīng)變?yōu)?50%以內(nèi)時(shí)可得到合理的近似。

采用兩參數(shù)的Mooney-Rivlin模型進(jìn)行計(jì)算，待定的材料參數(shù)可通過(guò)理論估算的方法求得。該方法是建立在以下理論基礎(chǔ)上：初始剪切模量G= 2(C10+C01)和彈性模量E≈ 3G。利用橡膠材料的邵氏硬度HA計(jì)算彈性模量[8，11]。

再利用經(jīng)驗(yàn)公式(C10+C01)=E0/6，C01=0.25C10，即可得到兩參數(shù)的Mooney-Rivlin模型的材料參數(shù)值。

2.3 有限元模型

充氣密封圈材料為硅橡膠，硬度HA為55，采用Mooney-Rivlin模型，參數(shù)由上訴公式計(jì)算得出。根據(jù)氣囊的實(shí)際結(jié)構(gòu)，考慮材料的不可壓縮性，對(duì)硅橡膠采用四節(jié)點(diǎn)四邊形完全積分不可壓縮Herrmann軸對(duì)稱單元，對(duì)大變形大應(yīng)變的部位重劃網(wǎng)格保證單元的質(zhì)量和計(jì)算的精度。模型中考慮密封圈底部與發(fā)酵庫(kù)門、密封圈頂部與門框的接觸，接觸間的摩擦采用庫(kù)侖摩擦模型，摩擦因數(shù)f=0.1，將充氣密封圈定義為變形體，采用離散描述；大門門體、固定件和門框定義為剛體，采用解析描述，并建立接觸體間的接觸關(guān)系。

根據(jù)實(shí)際工程運(yùn)行情況，對(duì)該模型先施加內(nèi)壓，待充氣密封圈膨脹穩(wěn)定后，再施加被密封介質(zhì)壓力。由于被密封介質(zhì)壓力對(duì)充氣密封圈外表面作用范圍不可預(yù)知，采用預(yù)先加載充氣圈內(nèi)壓力，待膨脹穩(wěn)定后將實(shí)際接觸面的路徑用ABAQUS標(biāo)記，再重新加載充氣圈內(nèi)壓力和被密封介質(zhì)壓力。該模型采用大位移全Lagrange格式的增量方法處理充氣密封圈的大變形幾何非線性問(wèn)題，通過(guò)調(diào)整加載時(shí)間步長(zhǎng)即可得到穩(wěn)定的計(jì)算結(jié)果。

3 “M”形充氣圈密封性能分析

3.1 等效應(yīng)力與變形分析

圖2～圖4顯示了充氣密封圈原始狀態(tài)的網(wǎng)格劃分情況，不同加載階段的整體變形和von-Mises應(yīng)力分布情況。從圖2中可以看出，充氣密封圈未充氣時(shí)，呈現(xiàn)原始的“M”形，與頂部的大門門框存在一個(gè)密封間隙；如圖3所示，當(dāng)充氣密封圈內(nèi)充入一定壓力的氣體后，頂部的“M”形向外膨脹變形逐漸與頂部的大門門框貼合擠壓，將間隙填滿；如圖4所示，在充氣密封圈右側(cè)加載了被密封介質(zhì)壓力Po后，密封圈右側(cè)部分受到擠壓脫離了與門框的接觸，接觸橫截面寬度變小。充氣壓力加載后，接觸面處充氣密封圈的應(yīng)力分布呈軸對(duì)稱分布，其中凹陷圓弧部位的應(yīng)力達(dá)到峰值，充氣密封圈的最大等效應(yīng)力主要出現(xiàn)在“M”形左右兩側(cè)內(nèi)部圓弧面、頂部凹陷圓弧與門框接觸面處。這主要由于這幾處圓弧部位發(fā)生了較大的彎曲變形，彎曲應(yīng)力較大。因此，進(jìn)行“M”形幾處圓弧角度的設(shè)計(jì)中，需選擇合適的倒角半徑，既保證有足夠的接觸應(yīng)力，又不至于圈內(nèi)應(yīng)力長(zhǎng)期過(guò)大使得工作壽命降低。

圖2 充氣密封圈原始狀態(tài)

圖3 充氣密封圈充氣狀態(tài)

圖4 充氣密封圈密封狀態(tài)

3.2 充氣壓力對(duì)接觸應(yīng)力的影響

當(dāng)密封間隙D=5 mm，被密封介質(zhì)壓力Po=0 MPa時(shí)，對(duì)“M”形充氣密封圈分別充入0.10 MPa，0.15 MPa和0.20 MPa的壓力，如圖5所示為不同充氣壓力下沿著密封面的接觸應(yīng)力分布曲線，可見法向接觸應(yīng)力隨充氣壓力Pi的增大而增大。充氣密封圈膨脹后密封接觸橫截面寬度約為14 mm，接觸應(yīng)力呈軸對(duì)稱分布，整體呈現(xiàn)中間突出的倒“U”曲線形式。在接觸面中間2 mm的長(zhǎng)度范圍內(nèi)，接觸應(yīng)力隨著密封圈的過(guò)度膨脹急劇增大達(dá)到峰值，這主要由于密封圈“M”形中間的凹陷圓弧部分，受到充氣壓力的強(qiáng)力反方向擠壓，大幅度變形而造成。

圖5 不同充氣壓力下接觸應(yīng)力沿密封面分布曲線圖

為了確保充氣圈的密封效果，在密封連接結(jié)構(gòu)的接觸面上，法向接觸應(yīng)力必須大于或等于被密封介質(zhì)的壓力。如圖5所示充氣圈內(nèi)壓力在0.10 MPa～0.20 MPa之間，接觸應(yīng)力值基本在0.50 MPa以上，最高達(dá)到2.24 MPa；正常工作時(shí)，被密封介質(zhì)的壓力在0～1000 Pa之間，接觸應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于被密封介質(zhì)的壓力，且接觸應(yīng)力峰值提高了充氣圈的密封性能。隨著充氣壓力的增大，法向接觸應(yīng)力不斷增大，接觸橫截面寬度也隨之增長(zhǎng)，充氣圈的密封性能不斷增強(qiáng)。但同時(shí)也需考慮到充氣圈的應(yīng)力過(guò)大容易導(dǎo)致硅橡膠老化和密封失效，因此，要綜合分析選擇合適的充氣壓力。

3.3 被密封介質(zhì)壓力對(duì)接觸應(yīng)力的影響

圖6 所示為充氣壓力Pi=0.20 MPa，密封間隙D=5 mm時(shí)，不同被密封介質(zhì)壓力下接觸應(yīng)力沿密封面分布曲線圖。在“M”形充氣密封圈內(nèi)加載0.20 MPa的壓力后，模擬工作狀態(tài)，在充氣圈的右側(cè)分別加載0 MPa，0.05 MPa，0.10 MPa的被密封介質(zhì)壓力。從圖6中可知，密封圈與被密封介質(zhì)接觸的一側(cè)在被密封介質(zhì)壓力的作用下，法向接觸應(yīng)力不斷減少，且波動(dòng)較大；另一側(cè)的接觸應(yīng)力略有增加；密封圈受到擠壓脫離了與門框的接觸，接觸橫截面寬度也隨之變短。

當(dāng)密封圈受到庫(kù)內(nèi)氣體和沼液的壓力作用時(shí)，密封面被迫發(fā)生分離，此時(shí)就要求密封圈能釋放出足夠的彈性應(yīng)變能，能夠彌補(bǔ)這個(gè)分離量，并留有保持密封所需要的接觸應(yīng)力[12]。因此，在提高密封圈的接觸應(yīng)力的基礎(chǔ)之上，需選擇適當(dāng)?shù)拿芊饨橘|(zhì)壓力和充氣壓力比值，既能保證密封效果又能延長(zhǎng)充氣圈的使用壽命。同時(shí)，為了提升充氣圈的吹出抗力，可以結(jié)合密封圈的受力變形、環(huán)境溫度和材料特性等綜合進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，例如加大充氣圈和門框密封面的摩擦力，特別是接觸密封介質(zhì)的一側(cè)，密封圈的表面還應(yīng)做一些涂層防腐處理。

圖6 不同被密封介質(zhì)壓力下接觸應(yīng)力沿密封面分布曲線圖

3.4 密封間隙對(duì)接觸應(yīng)力的影響

圖7所示為充氣壓力Pi=0.20 MPa,被密封介質(zhì)壓力Po=0 MPa時(shí)，不同密封間隙下接觸應(yīng)力沿密封面分布曲線圖。隨著密封間隙的增加，要求密封圈膨脹拉伸量也增加，導(dǎo)致其內(nèi)部接觸應(yīng)力也相應(yīng)增大。

圖7 不同密封間隙下接觸應(yīng)力沿密封面分布曲線圖

雖然密封間隙較大的時(shí)候，圈內(nèi)的接觸應(yīng)力也較大，能帶來(lái)較好的密封效果；但是，如果密封間隙過(guò)大，一方面會(huì)帶來(lái)接觸應(yīng)力增加，大大降低了材料的使用壽命，對(duì)材料的性能要求較高；另一方面容易造成“M”形的展開程度不夠，即中間圓弧角半徑大的部位展不開，與密封面產(chǎn)生空洞，形成兩段接觸面，如圖8所示，為密封效果帶來(lái)隱患。因此，需要根據(jù)充氣圈的結(jié)構(gòu)、材料、尺寸和充氣壓力、密封介質(zhì)壓力，選擇合適的密封間隙。

圖8 密封面空洞圖

4 結(jié)論

(1)通過(guò)有限元分析變形情況可知，“M”形充氣密封圈最大von-Mises應(yīng)力主要出現(xiàn)在“M”形左右兩側(cè)內(nèi)部圓弧面、頂部凹陷圓弧與門框接觸面處。因此，要選擇合適的倒角半徑，既保證有足夠的接觸應(yīng)力，又不至于圈內(nèi)應(yīng)力長(zhǎng)期過(guò)大使得工作壽命降低。

(2)法向接觸應(yīng)力是保證密封效果的關(guān)鍵，該應(yīng)力隨充氣壓力的增大而增大，接觸橫截面寬度也隨之增長(zhǎng)，在外表面中間的凹陷圓弧部分達(dá)到應(yīng)力峰值；被密封介質(zhì)壓力使得靠近介質(zhì)一側(cè)的接觸應(yīng)力減小，接觸橫截面寬度變短；隨著密封間隙的增加，其內(nèi)部接觸應(yīng)力也相應(yīng)增大。

(3)為了提升充氣圈的密封性能，需要結(jié)合密封圈的受力變形、環(huán)境溫度、環(huán)境壓力和材料特性等綜合進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，密封圈的表面還應(yīng)做涂層防腐處理；選擇適當(dāng)?shù)拿芊饨橘|(zhì)壓力和充氣壓力比值，既能保證密封效果又能延長(zhǎng)充氣圈的使用壽命。

(4)利用有限軟件ABAQUS對(duì)充氣密封圈進(jìn)行仿真模擬和優(yōu)化設(shè)計(jì)是可行的。

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Nonlinear Finite Element Analysis of Inflatable Seals in the Garage-type Dry Fermentation Tank /

LI Rui-rong1,2, ZHU De-wen1, WANG Peng-jun1, HAN Bo-he1, CHEN Ming-jiang1, CHEN Yong-sheng1/

( 1.Nanjing Research Institute for Agricultural Mechanization, Ministry of Agriculture, Nanjing 210014, China; 2.Key Laboratory of Development and Application of Rural Renewable Energy, Ministry of Agriculture, Chengdu 610041,China)

Based on nonlinearity finite element theory of large deformation and contact problem, a 2D plane finite element model of M-shaped inflatable seal was derived. The seal mechanism was analyzed and the distribution rule of normal contact stress along sealing surface was obtained. The influence of loading pressure, sealed pressure and sealing gap on normal contact stress were discussed. Results showed that the normal contact stress was important to assure a safety sealing, which increased with the increase of loading pressure, reaching the peak in the middle of outside surface, and the length of sealing surface increased as well. With the action of the sealing pressure, the normal contact stress on the side of sealing media was cut down and the length of sealing surface got shortened. With the increase of sealing gap, the normal contact stress also increased. To promote the sealing performance, the structure of inflatable seal needs to be designed according to the stress deformation, environmental temperature, sealing pressure and material properties. It is needed to add a corrosion resistant coating on the surface of seals. And it is crucial to choose the suitable ratio of sealing pressure and loading pressure, which could ensure the sealing effect and prolonging the life of inflatable seals.

inflatable seals; nonlinear finite element; M-shaped seals; silicon rubber

2015-10-27

2016-01-19

項(xiàng)目來(lái)源： 農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源開發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題基金資助項(xiàng)目(2013009)； 江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(BK20151073)

李瑞容，(1984-)，女，漢，江蘇南京人，助理研究員，主要從事農(nóng)業(yè)廢棄物處理與資源開發(fā)技術(shù)研究工作，E-mail:lrr006@163.com

陳永生，E-mail:cys003@sina.com

S216.4

A

1000-1166(2016)02-0066-04