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橡膠密封件因成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單及安裝方便等優(yōu)點，在水暖建材行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。本工作以快開閥芯橡膠密封墊的靜密封為例，利用有限元分析軟件對其密封結(jié)構(gòu)建模，計算和分析快開閥芯裝配過程中橡膠密封墊所承受的應(yīng)力，分析在最大工作介質(zhì)壓力下橡膠密封墊的密封性能，以期為確定快開閥芯橡膠密封墊的軸向壓縮量提供依據(jù)，從而提高橡膠密封墊設(shè)計質(zhì)量，縮短研發(fā)周期。
橡膠材料本構(gòu)關(guān)系的非線性以及橡膠制品應(yīng)用時的大變形性、接觸非線性邊界條件使橡膠制品的工程模擬難度非常大。模擬的準(zhǔn)確性與采用的本構(gòu)關(guān)系模型以及模型中材料參數(shù)有密切關(guān)系。杭州那泰有限元分析公司選用Mooney-Rivlin模型作為材料的本構(gòu)模型。根據(jù)快開閥芯橡膠密封墊的對稱性，取密封結(jié)構(gòu)的1/4建模。
與橡膠密封墊接觸的表面均視為剛性面，只有橡膠密封墊為變形體，由6024個20節(jié)點六面體單元SOLID186組成，接觸單元為TARGE170和CONTA174。密封是接觸式密封，采用ANSYS軟件提供的Augmented Lagrange接觸迭代算法。采用滑動庫侖摩擦模型，摩擦因數(shù)取0.2。快開閥芯橡膠密封墊密封約束條件中，A截面上設(shè)置xoy平面為對稱面，B截面上設(shè)置yoz平面為對稱面，閥殼零件的C面約束所有自由度，底座零件約束外柱面D的圓周和徑向自由度，釋放軸向y方向的自由度，同時向底座零件底面E施加y方向的位移，使橡膠密封墊產(chǎn)生軸向預(yù)壓縮。整個過程用來模擬快開閥芯的安裝過程。
橡膠密封墊在裝配時受到軸向預(yù)壓縮，形成有效的密封帶，保證快開閥芯在承受工作介質(zhì)壓力時不會泄漏。軸向壓縮量為0.4mm，0.6mm，0.8mm和1.0mm時橡膠密封墊的VonMise應(yīng)力分布分別圖可以看出：隨著軸向壓縮量增大，應(yīng)力較大的區(qū)域位置未發(fā)生變化，基本都在上、下接觸面和圓圈標(biāo)識處；隨著軸向壓縮量增大，應(yīng)力增大。在較大應(yīng)力作用下，橡膠會發(fā)生不可恢復(fù)的永久變形或材料失效，影響橡膠制品的密封性能。
從橡膠密封墊最大VonMise應(yīng)力與軸向壓縮量的關(guān)系可以看出，最大應(yīng)力與軸向壓縮量呈非線性關(guān)系；隨著壓縮量增大，最大應(yīng)力增長率增大，即曲線斜率增大。
橡膠密封的失效準(zhǔn)則和失效判據(jù)目前普遍采用的是最大接觸應(yīng)力大于工作壓力，根據(jù)美國衛(wèi)浴排水產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)ASMEA112.18.2-2011-CSAB125.2-11，水龍頭承受的最高工作水壓為0.86MPa。因此，為保證快開閥芯能承受0.86MPa工作水壓，橡膠密封墊上、下接觸面的接觸應(yīng)力要大于0.86MPa。根據(jù)快開閥芯軸向裝配尺寸計算，橡膠密封墊的最小軸向壓縮量一般為0.4mm。因此，在快開閥芯工作水壓為0.86MPa和橡膠密封墊軸向壓縮量為0.4mm時，橡膠密封墊上、下接觸面的接觸應(yīng)力大于0.86MPa才能保證快開閥芯的密封性能。為了研究橡膠密封墊的密封性能，模擬了快開閥芯工作水壓為0.86MPa和橡膠密封墊軸向壓縮量為0.4mm時橡膠密封墊上、下接觸面的接觸應(yīng)力。從中可以看出，接觸面中接觸區(qū)域的接觸應(yīng)力大于工作壓力，接觸區(qū)域越長說明橡膠密封墊的密封效果越好。
綜上所述，設(shè)計合理的橡膠密封墊安裝過盈量非常重要，既能保證密封，又能使橡膠密封墊的應(yīng)力盡量小，以保證橡膠密封墊較長的使用壽命。
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