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端面双向自密封结构设计与验证

李开福 管尤亮 贾国涛 姜荃 刘云帆 焦鹏

李开福, 管尤亮, 贾国涛, 等. 端面双向自密封结构设计与验证[J]. 水下无人系统学报, 2025, 33(5): 914-924 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0020
引用本文: 李开福, 管尤亮, 贾国涛, 等. 端面双向自密封结构设计与验证[J]. 水下无人系统学报, 2025, 33(5): 914-924 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0020
LI Kaifu, GUAN Youliang, JIA Guotao, JIANG Quan, LIU Yunfan, JIAO Peng. Design and Verification of End Face Bidirectional Self-Sealing Structure[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2025, 33(5): 914-924. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0020
Citation: LI Kaifu, GUAN Youliang, JIA Guotao, JIANG Quan, LIU Yunfan, JIAO Peng. Design and Verification of End Face Bidirectional Self-Sealing Structure[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2025, 33(5): 914-924. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0020

端面双向自密封结构设计与验证

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0020
详细信息
    作者简介:

    李开福(1987-), 男, 硕士, 高级工程师, 主要研究方向为密封结构设计及分析

    通讯作者:

    管尤亮(1998-), 男, 硕士, 工程师, 主要研究方向为密封与腐蚀防护.

  • 中图分类号: TJ630; U663

Design and Verification of End Face Bidirectional Self-Sealing Structure

  • 摘要: 为实现水下大口径舱盖的端面双向密封, 并解决合盖过程密封圈反力大的问题, 创新地结合舌形截面良好的自密封优势和燕尾防脱出结构, 设计了5种规格的高低舌双向自密封圈, 采用Abaqus软件对密封圈进行了应力、变形及接触压力等仿真分析, 并试制样机开展了内外压密封试验与旋松、旋紧力矩测试。试验结果与有限元分析结果一致, 高低舌形密封圈能在低反力下实现端面双向自密封, 舌形结构倒角越大, 密封圈与密封面之间的接触应力值越高, 密封效果越好; 密封圈两侧舌高相差越小, 中间平台高度越低, 密封圈越容易被吸出; 降低密封圈的最大高度和中间平台高度能有效降低密封反力, 延长密封圈使用寿命。基于试验结果对密封圈进行改进优化并试制大口径密封圈, 合盖压紧千余次后仍能实现内气压、内水压和外水压的自密封。研究成果可为水下大型承压设备端面密封设计应用提供参考。

     

  • 图  1  密封结构示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of the sealing structure

    图  2  缩比验证舱实物

    Figure  2.  Scaled-down validation chamber

    图  3  5种不同截面形状的密封圈零件工程图及实物图

    Figure  3.  Engineering drawings and physical images of five different cross-sectional shapes of sealing ring parts

    图  4  模型边界条件

    Figure  4.  Conditions of model boundary

    图  5  模型网格划分情况

    Figure  5.  Mesh division of model

    图  6  合盖时1#密封圈仿真结果

    Figure  6.  Simulation results of the 1# sealing ring during lid closure

    图  7  合盖时2#密封圈仿真结果

    Figure  7.  Simulation results of the 2# sealing ring during lid closure

    图  8  合盖时3#密封圈仿真结果

    Figure  8.  Simulation results of the 3# sealing ring during lid closure

    图  9  合盖时4#密封圈仿真结果

    Figure  9.  Simulation results of the 4# sealing ring during lid closure

    图  10  合盖时5#密封圈仿真结果

    Figure  10.  Simulation results of the 5# sealing ring during lid closure

    图  11  舱盖法兰和舱体法兰不同间隙下合盖所需压紧力和最大接触应力

    Figure  11.  Clamping force and maximum contact stress of hatch cover flange and hull flange under different clearances during lid closure

    图  12  内水压密封试验过程

    Figure  12.  Internal water pressure sealing test process

    图  13  不同密封圈合盖旋紧和旋松力矩对比

    Figure  13.  Comparison of tightening and loosening torques for different sealing rings

    图  14  优化改进情况

    Figure  14.  Optimization and improvement

    表  1  密封圈关键特征尺寸

    Table  1.   Key characteristics of sealing ring mm

    特征参数1#2#3#4#5#
    圈中心高12.011.511.512.011.0
    外舌高17.017.015.015.015.0
    内舌高13.813.814.014.014.0
    外舌半径14.014.015.016.012.0
    内舌半径10.018.012.010.08.0
    圈中心宽3.00.00.04.03.0
    外台阶宽3.03.03.02.02.0
    内台阶宽2.02.03.53.53.5
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    表  2  不同间隙下舱盖法兰和舱体法兰合盖所需压紧力

    Table  2.   Pressure of the hatch and barrel flange cover under different clearances kN

    密封圈编号 间隙值/mm
    1.5 1.0 0.5 0
    1# 0.92 2.12 6.62 16.32
    2# 0.79 1.98 4.70 12.12
    3# 0.56 1.01 2.64 13.73
    4# 0.45 0.97 2.79 11.94
    5# 0.35 0.52 1.52 4.73
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    表  3  不同间隙下舱盖法兰和舱体法兰合盖的最大接触应力

    Table  3.   Maximum contact stress of hatch cover and barrel flange cover under different clearances MPa

    密封圈编号 间隙值/mm
    1.5 1.0 0.5 0
    1# 1.92 1.97 3.80 7.77
    2# 1.93 1.99 3.77 6.66
    3# 1.61 1.37 2.44 3.39
    4# 0.86 0.81 1.01 2.62
    5# 1.40 1.51 3.32 3.22
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    表  4  5种密封圈的内压试验结果

    Table  4.   The results of the inner pressure seal test of five sealing rings

    编号 状态 内水压变化 损失状态
    0~6.0 MPa 0~0.3 MPa
    1# 无泄漏 无压降 无压降 无损伤
    2# 无泄漏 无压降 无压降 无损伤
    3# 无泄漏 无压降 无压降 无损伤
    4# 有泄漏 无压降 无压降 吸出脱落
    5# 无泄漏 无压降 无压降 吸出脱落
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    表  5  5种密封圈外水压密封试验结果

    Table  5.   The results of the outer water pressure seal test of five sealing rings

    编号 外水压变化 损失状态 备注
    0 MPa升压
    至6.0 MPa
    6.0 MPa降压
    至0 MPa
    1# 无压降 无压降 无损伤 难合盖
    2# 无压降 无压降 无损伤
    3# 无压降 无压降 无损伤
    4# 无明显压降 无明显压降 吸出脱落 积水少
    5# 无压降 无压降 吸出脱落
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    表  6  合盖旋紧、旋松力矩测试结果

    Table  6.   The test results of the close and spinning torque N·m

    编号 旋紧 旋松
    最小值 最大值 均值 标准差 最小值 最大值 均值 标准差
    1# 535.0 603.0 569.0 48.1 393.0 436.0 414.5 30.4
    2# 441.0 499.0 470.0 41.0 322.0 353.0 337.5 21.9
    3# 392.0 460.0 426.0 48.1 291.0 313.0 302.0 15.6
    4# 361.0 413.0 387.0 36.8 278.0 298.0 288.0 14.1
    5# 320.0 378.0 349.0 41.0 228.0 259.0 243.5 21.9
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-02-05
  • 修回日期:  2025-03-21
  • 录用日期:  2025-03-24
  • 网络出版日期:  2025-09-12

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