刘 旸，邢春鹏，孙泽阳

基于自紧密封的橡胶缓冲器连接优化设计及试验研究

刘 旸，邢春鹏，孙泽阳

（北京航天发射技术研究所，北京，100076）

橡胶缓冲器是一种承压缓冲装置，通过连接螺栓与承压段金属法兰连接。针对其连接螺栓数量多、拆装耗时长的问题，设计了基于自紧密封技术的橡胶缓冲器连接方案，增加了金属转接段和唇形自紧密封圈，并采用全局寻优方法和密封仿真技术对密封圈结构进行优化，提高其气密性能、减少连接螺栓数量。然后通过等比试验研究，验证了橡胶缓冲器的连接螺栓数量可在满足载荷传递和气密性能的前提下，由60组减少至30组，降低产品拆装耗时。

橡胶缓冲器；自紧密封；优化设计；试验研究

0 引 言

橡胶缓冲器是一种承压缓冲装置，主要由橡胶囊和金属法兰组成。该装置通过连接螺栓与承压段金属法兰连接，最大承受1 MPa内压并将内压产生的载荷传递至其下侧结构，如图1所示。

图1 橡胶缓冲器及其现有连接方案

为实现上述功能，橡胶缓冲器与承压段必须可靠连接，以保证两者间的载荷传递和气密性能。在现有连接方案下，连接螺栓数量为60组，导致橡胶缓冲器拆装耗时较长，影响产品使用性。为解决该问题，本文对橡胶缓冲器的连接方案进行优化设计，并开展试验研究，以降低产品拆装耗时。

1 连接方案优化设计

1.1 问题分析

橡胶缓冲器与承压段的连接螺栓数量主要受螺栓承载强度要求和两者间的气密要求限制。其中，在橡胶缓冲器承压工况下，为保证连接螺栓的安全系数不小于2，则须满足：

该工况下，为保证橡胶缓冲器与承压段间的气密性能，则须满足：

根据上述公式，在1 MPa内压载荷下，连接螺栓预紧力矩和保证载荷分别按150 N·m、160 000 N计算，得出满足安全系数要求的最少连接螺栓数量为22组，满足气密性能的最少连接螺栓数量为54组。

因此，连接螺栓数量主要受橡胶缓冲器与承压段间的气密性能限制，可通过优化连接方案提高气密性能，以减少连接螺栓数量，降低产品拆装耗时。

1.2 连接方案设计

自紧密封技术广泛应用于大型压力容器的密封设计中[1-3]，尤其适用于高压气密环境。根据李池台等[4]的分析结果，采用唇形自紧密封圈（无织物橡胶材质），密封接触应力与设备内压之差大于等于密封圈初始比压下降值，能够保证可靠密封。

连接方案设计中应用自紧密封技术，将橡胶缓冲器固连金属转接段，该转接段的上端面安装唇形自紧密封圈，使橡胶缓冲器中的高压气体通过法兰面压紧密封圈的唇形结构，建立气压与密封圈接触应力的正反馈关系，以提高橡胶缓冲器与承压段间的气密性能，减少连接螺栓数量（30组），该方案如图2所示。

图2 橡胶缓冲器连接方案

1.3 自紧密封圈结构优化

为提高唇形自紧密封圈的气密性能，增大其高压气密条件下的设计裕度（密封接触应力与设备内压之差），采用全局寻优的方法，对其结构尺寸（见图3）进行优化设计，主要过程见图4。

L—密封槽宽度；H—密封槽深度；R—上下唇过渡圆角；S—上下唇连接部分厚度。

图4 唇形自紧密封圈结构尺寸优化过程

在唇形自紧密封圈的密封有限元分析中，考虑密封圈为黏弹性材料，存在复杂的材料非线性及几何非线性问题，采用两参数Mooney-Rivlin模型进行材料特性设定[5-7]，即：

对唇形自紧密封圈所用的邵氏硬度约75的丁腈橡胶材料，取10=-0.19、01=0.9进行计算[8]，优化结果见表1。

表1 唇形自紧密封圈结构尺寸优化结果

Tab.1 Optimization results of structural size of lip self tightening seal ring

结构参数L/mmH/mmS/mmR/mm 尺寸7.54.541.3

在该结构尺寸下，唇形自紧密封圈的密封有限元模型如图5所示，计算结果如图6所示。由计算结果可知，唇形自紧密封圈的密封面处最大接触应力为1.18 MPa，大于计算内压1 MPa，满足密封设计要求。

图5 唇形自紧密封圈密封有限元模型

图6 唇形自紧密封圈密封计算结果

2 连接方案试验研究

为验证上述连接方案的正确性，采用等比试验方法进行考核：建立专用试验系统，制定试验方案，按试验方案开展试验并对结果进行分析。

2.1 试验方案

连接方案的试验系统如图7所示，主要由试验台架、充气系统、传载工装等组成。其中，试验台架具有良好的刚强度，为承压段和充气系统提供机械接口；充气系统主要由气源、气路、单向阀、压力表等组成，用于提供承压段和橡胶缓冲器的内压；传载工装具有良好的刚强度且高度可调，用于橡胶缓冲器承压时传载。橡胶缓冲器固连金属转接段并安装唇形自紧密封圈后，用30组螺栓安装于承压段下法兰。

图7 连接方案试验系统

试验开始前，充气系统的气源、单向阀处于关闭状态，传载工装与橡胶缓冲器间的距离已调节至预定数值。

试验开始后，充气系统的单向阀打开，气源工作，压力表读数升高。当压力表读数升至1 MPa时，关闭单向阀，记录压力表30 s内压力变化，如30 s后压降小于10%，则判定该次试验满足气密要求。考虑试验离散度，重复开展3次试验。

2.2 试验结果及分析

按上述方案开展试验，当压力表读数上升至1 MPa时关闭单向阀，记录3次试验的30 s压降数据，并记入表2。

表2 试验数据记录表

Tab.2 Test data record form

试验序号123 30s压降2.86%3.81%2.86%

试验数据表明，3次试验中，改进后的连接方案30 s压降数据均满足气密要求，该方案能够有效减少连接螺栓数量。

3 结 论

通过上述研究，可得出结论如下：

a）橡胶缓冲器的连接螺栓数量主要受其气密性能限制；

b）增加了金属转接段和唇形自紧密封圈的橡胶缓冲器，可通过自紧密封原理有效提高气密性能；

c）采用了改进后连接方案的橡胶缓冲器，其连接螺栓数量可在满足载荷传递和气密性能的前提下，由60组减少至30组，降低产品拆装耗时。

[1] 杨宁. 高压容器常见的密封型式与发展趋势分析[J]. 机械与电子, 2011(19): 131-132.

YANG Ning. Common sealing types and development trend of high pressure vessels[J]. Science & Technology Information, 2011(19): 131-132.

[2] 张云肖, 陈平, 钱才富, 等. 高压容器端盖密封装置进展[J]. 石油化工设备技术, 2005, 26(1): 45-47.

ZHANG Yunxiao, CHEN Ping, QIAN Caifu, et al. Development of end cover sealing device for high pressure vessel[J]. Petro-chemical Equipment Technology, 2005, 26(1): 45-47.

[3] 刘俊明, 邹纲明. 煤快速液化反应装置的有效密封结构[J]. 煤炭转化, 2001, 24(3): 15-19.

LIU Junming, ZOU Gangming. Research on effective seals of coal high-speed liquefaction equipment[J]. Coal Conversion, 2001, 24(3): 15-19.

[4] 李池台. 燕尾形橡胶密封圈自紧密封性能浅析[J]. 润滑与密封, 1986(5): 67-68.

LI Chitai. Elementary analysis on self-tight sealing performance of swallow-tailed rubber seal ring[J]. Lubrication Engineering, 1986(5): 67-68.

[5] 李斌, 蒋小丽. Y形密封圈的有限元分析及结构改进[J]. 润滑与密封, 2014, 39(6): 112-115.

LI Bin, JIANG Xiaoli. Finite element analysis and structure improvement of Y sealing ring[J]. Lubrication Engineering, 2014, 39(6): 112-115.

[6] 周志鸿, 张康雷, 李静, 等. O形橡胶密封圈应力与接触压力的有限元分析[J]. 润滑与密封, 2006(4): 86-89.

ZHOU Zhihong, ZHANG Kanglei, LI Jing, et al. Finite element analysis of stress and contact pressure on the rubber sealing O-ring[J]. Lubrication Engineering, 2006(4): 86-89.

[7] 陈晓栋. 高压容器密封结构有限元分析与优化设计[D]. 兰州: 兰州大学, 2015.

CHEN Xiaodong. Finite element analyses and optimum desigh of sealing structure of high pressure vessel[D]. Lanzhou: Lanzhou University, 2015.

[8] 邢春鹏, 赵衡柱, 吴新跃. 帘线/橡胶复合材料缓冲器力学性能优化[J]. 导弹与航天运载技术, 2015(3): 60-63.

XING Chunpeng, ZHAO Hengzhu, WU Xinyue. Mechanical properties optimization of polyamide fiber enhanced rubber composite buffer[J]. Missiles and Space Vehicles, 2015(3): 60-63.

Design Optimization and Experimental Research on Rubber Buffer Connection Method based on Self-sealing Technology

LIU Yang, XING Chunpeng, SUN Zeyang

(Beijing Institute of Space Launch Technology, Beijing, 100076)

Rubber buffer is a kind of pressure-bearing and buffering devices, connected to steel flange with bolts. Because of numerous bolts, it takes plenty of time to finish the fastening work. In order to reduce the number of bolts, a modified connection method is designed based on self-sealing technology to improve the air sealing effect. To be specific, self-sealing lip seal is fixed between the rubber buffer and the steel flange, and the structure parameters of the seal is optimized with global optimization and simulation computation. With the help of practical sealing experiment, the modified connection method with self-sealing lip seal and half bolts is proved effective.

rubber buffer; self-sealing technology; design optimization; experimental research

2097-1974(2023)02-0081-04

10.7654/j.issn.2097-1974.20230216

V233

A

2022-09-05；

2023-03-21

刘 旸（1988-），男，工程师，主要研究方向为结构设计与强度。

邢春鹏（1984-），男，高级工程师，主要研究方向为发射装置技术。

孙泽阳（1990-），男，工程师，主要研究方向为发射技术。