戴文军， 王蜀生

（中冶赛迪技术研究中心有限公司，重庆 401122）

0 引言

密封阀是高炉无料钟炉顶布料系统中的关键设备之一。其主要作用是通过开启和闭合，实现高炉炉顶布料时需要的均排压功能，保证高炉炉内始终处于带压工作的工况下使原料能顺利加入到高炉内。密封阀（图1、图2）结构设计需要满足密封条件要求，即实际比压需大于必须比压且小于许用比压，而影响密封条件的主要影响参数有密封圈材质性能、压缩深度、密封宽度等，其中密封圈的压缩深度尤为关键，设计过小则达不到密封要求，设计过大则每次启闭时密封圈变形过大，影响寿命。由于传统手段计算实际比压较困难，传统的密封阀结构相关参数设计往往依靠经验，不能保证实际生产过程中的密封效果，也不能尽可能地优化参数从而提高密封圈寿命。文章以串罐无料钟炉顶上密封为例，研究一种通过有限元分析得到实际比压，然后验证密封条件的方法，可有效指导密封阀结构参数的优化设计。

图1 上密封阀结构

图2 上密封阀结构局部放大

1 密封条件分析

对于阀门密封，能保证密封的条件为：必须比压qMF<实际比压q<密封件许用比压[q]。

对于中等硬度橡胶密封件，必须比压公式[1]为

式中：bM为密封面宽度，mm；PN为介质压力（本文按设计压力0.30 MPa考虑），MPa；qMF为必须比压，MPa。

其中，查阅得到中等硬度橡胶件（密封面无滑动摩擦）的许用比压为[q]=5.0 MPa。

因此，对于无料钟炉顶上密封阀密封件，硬度为（65±5）HD，为中等硬度，要达到密封要求，需满足的条件为

2 密封阀实际比压计算

2.1 橡胶密封件材料常数的确定

为求得上密封阀的实际密封比压，采用ABAQUS有限元方法来对60 HD（取硬度下限，即最不利情况）硬度的橡胶密封情况进行仿真计算。

本次计算的密封件为中等硬度（65±5）HD的密封件，是中等硬度的橡胶材料，可以看成是超弹性材料，计算中采用ABAQUS超弹性材料库中的Mooney-Rivilin模型，对于橡胶材料[3]有：

采用该模型，则首先要确定Mooney-Rivilin模型中材料常数C1、C2。

由弹性模量与橡胶硬度关系图（图3）[2]，可查得60 HD硬度的橡胶弹性模量。

图3 橡胶弹性模量与硬度关系

同时，运用有限元计算小变形（变形小于15.6%）的情况下[3]，C2与C1之比对计算结果影响不大，且C2/C1=0.05时，计算结果与试验值较吻合。因此，取C2/C1=0.05，根据公式求得C1=0.762，C2=0.038。

2.2 实际比压的计算

求得60 HD硬度的橡胶的材料常数C1和C2后，即可开展有限元的计算分析。

1）计算模型。此次分析对象具有轴对称性质，因此将计算对象简化为轴对称模型，网格类型选用超弹性网格，简化后的模型如图4所示。

图4 简化后轴对称模型

2）边界条件及载荷。对阀板进行约束；对阀板与密封圈、密封圈与阀座有接触的地方设置接触对；并在阀座上施加3 mm的向下位移载荷（实际情况是阀座固定，阀板与密封圈向上压3 mm，此处为方便计算，阀板固定，阀座向下压3 mm，计算结果一致）。

3 仿真结果分析

由图5可知，密封圈与阀座接触区域变形为3 mm，此次计算的主要目的就是求出当密封圈压缩到限定位置3 mm时，密封圈与阀座之间的实际比压（即有限元计算结果图6中密封圈与阀板接触区域的接触应力平均值），经取该区域的节点接触应力并计算得到，密封实际比压（节点接触应力平均值）为q=0.72 MPa。

此外，从图6中可得到，密封圈与阀座接触长度，即图中两点间距离，数值为30 mm，即式（1）中的密封面宽度bM=30 mm。因此，当密封介质压力PN=0.30 MPa时，必须比压为

图5 变形结果

图6 密封面接触应力

因此实际比压q满足：

所以，当密封圈压缩值为3 mm时，实际比压大于必须比压，并有一定余量，满足密封条件要求，可实现密封，即设计密封阀限位尺寸为3 mm符合密封条件要求。

依据上述计算方法，若计算得到的实际比压小于必须比压，则说明不能满足密封要求，在密封面宽度不变的情况下，需增大压缩深度；若实际比压比必须比压大太多，则不利于密封圈寿命，可适当减小压缩深度，通过调整相关参数，最终达到优化设计的目的。

4 结语

密封阀作为高炉炉顶重要设备，密封结构参数设计非常关键，在传统设计过程中往往依靠经验，没有较好的方法指导优化设计。本文提出了一种基于有限元的分析方法，根据初步设定的压缩深度以及其他工况条件可以较为准确地计算出实际比压，通过密封条件验证，可得出参数设计是否合理，能否满足密封要求，若不满足则可调整相关结构参数，采用该方法可有效指导密封阀结构参数的优化设计，从而延长密封圈寿命，减少实际生产维护成本。目前采用该方法进行优化设计的密封结构已在某工程中应用，实际使用效果良好。

[1] 陆培文,高凤琴.阀门设计计算手册[S].2版.中国标准出版社，2009:262-265.

[2] 龚积球,龚震震,赵熙雍.橡胶件的工程设计及应用[M].上海:上海交通大学出版社,2003:8.

[3] 郑明军.橡胶件的静、动态特性及有限元分析[D].北京:北方交通大学,2002:39-44.