پایان نامه طراحی آب بند فشار بالا

پایان‌نامه کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک- طراحی کاربردی

چکیده

امروزه در صنایع مختلفی هم­چون صنایع هوا فضا، انرژی اتمی، صنایع شیمیایی، پالایشگاه­ها، صنایع پتروشیمی و … نیاز به استفاده از مکانیزم­هایی با فشار بالا می­باشد تا امکان انجام و تکمیل فرآیند­های مربوطه فراهم شود. افزایش فشار درون محفظه­ای سیلندری شکل انجام می­گیرد و در نتیجه چنین محوطه­ای باید در مقابل نفوذ سیال درون محفظه به بیرون آن، آب­بند باشد. با بالا رفتن فشار مشکلات فراوانی در زمینه­ی نشست سیال پدید می­آید چرا که با پیشرفت فرآیند، اختلاف فشار بیرون و درون سیستم افزایش یافته و در نتیجه، تمایل سیال به نشست افزایش می­یابد. به گونه­ای که مخزن موجود مانند بمبی می­شود که کوچک­ترین اخلال در سیستم آب­بندی موجب نشت و حتی انفجار و خسارات جبران ناپذیری می­گردد. بنابراین برای انجام چنین فرآیندهایی (فرآیندهای فشار بالا)، آب­بندی ایمن از ضروری­ترین نیاز­هاست. این پژوهش به طراحی یک آب­بند فشار بالا بر اساس طرح بریجمن می­پردازد، به گونه­ای که با استفاده از فشار سیال و افزایش آن توسط مجموعه­ی آب­بند عملیات آب­بندی با اطمینان صورت گیرد. برای بررسی عملکرد آب­بند از شبیه­سازی به کمک نرم­افزار آباکوس استفاده شده است. رینگ­های مختلف آب­بندی بررسی می­گردد و در نهایت رینگی که بتواند علاوه بر ایجاد فشار کافی (فشاری بیش از فشار سیال)، توزیع یکنواخت­تری از فشار را داشته باشد (به منظور جلوگیری از آسیب آب­بند)، انتخاب می­گردد. در این پژوهش از PA6، UHMWPE-glass، UHMWPE-ceramic،  NBRو سیلیکون برای آب­بند فشار بالا استفاده شده است. PA6، UHMWPE-glass، UHMWPE-ceramic رفتار الاستو- پلاستیک و تابع زمان دارند. از این رو، برای شبیه­سازی آن­ها از مدل­های الاستیک و ویسکوالاستیک استفاده می­شود.  NBRو سیلیکون رفتار هایپرالاستیک و تابع زمان دارند و برای شبیه­سازی آن­ها از مدل ­های هایپر الاستیک و ویسکو الاستیک استفاده می­شود.

کلمات کلیدی: آب­بندی، فشار بالا، بریجمن، پلیمر­ ها، هایپرالاستیک

مقدمه

1-1تاریخچه

لوندبرگ[1] در سال 1896 در سوئد اولین اختراع مربوط به او- رینگ را به ثبت رسانید. در سال 1937 کریستنسن[2] در آمریکا اختراعی را ثبت کرد که در آن برای بهبود آب­بندی در یک سیستم ترمز هیدرولیکی از رینگ­های لاستیکی استفاده کرده است. یک مقطع طولی از این سیستم در شکل ‏1‑1 نشان داده شده است. در شکل ‏1‑2 بزرگ­نمایی بخشی از شکل ‏1‑1 شامل او- رینگ لاستیکی مشاهده می­شود. این او- رینگ از لاستیک تراکم­پذیر با دانسیته­ی بالا ساخته شده است.

در ابتدا او- رینگ، به عنوان یک آب­بند ساده و مستحکم در سیستم­های هیدرولیکی، توسط صنعت هواپیمایی در طول جنگ جهانی دوم (19٤5-1939) به کار گرفته شد اما از سال 1950 استفاده از آن توسط خودرو­سازان و صنایع دیگر بسیار گسترش یافت [1]، [2].

تاکنون نمونه­های زیادی از شبیه­سازی لاستیک به کمک اجزا محدود انجام شده، که در ادامه به چند مورد از آن­ها اشاره می­شود.

در سال 2002 آنیس و همکاران یک نوع آب­بند لاستیکی Push-Button Diaphragm را مدل کردند [3].

در سال 2009 جوان و همکاران مکانیزم آب­بندی یک نوع شیر را بهینه­سازی کردند. این آب­بند از جنس NBR است [٤].

در سال 2009 لی و همکاران شکست یک لاستیک بوش مانند را که در اتومبیل به­کار می­رود، بررسی کردند [٥].

در سال 2013 تاسورا و همکاران تغییر شکل یک آب­بند الاستومری از نوع lip را شبیه­سازی کردند [٦].

در سال 2014 لیو و همکارانش عمر رینگ آب­بندی از جنس لاستیک سیلیکون را، که در موتور جت به کار می­رود، بررسی کردند [7].

در سال 201٤ زویی و همکاران شکست آب­بند یک پمپ را شبیه­سازی کردند [8].

در همه­ی این موارد برای مدل کردن لاستیک از تابع مونی- ریولین استفاده شده که به غیر از مورد چهارم، پارامتر­های این تابع از داده­های آزمون کشش تک محوره به­دست آمده­اند. در مورد چهارم تاسورا وهمکارانش پارامتر­های متفاوتی را برای تابع مونی- ریولین در نظر گرفته و با استفاده از داده­های تجربی و روش کمترین مربعات بهترین پارامتر­ها را انتخاب کرده­اند.

آب­بند­ها یکی از مفید­ترین طرح­هایی هستند که تا کنون ساخته شده­اند و امروزه کاربرد بسیار گسترده­ای دارند. قطعاً بدون آن­ها بسیاری از محصولات نمی­توانستند به بازار راه پیدا کنند.

برخی از ویژگی­های او- رینگ که باعث شده از ابتدا تا کنون برای آب­بندی به­کار رود، عبارتند از:

می­تواند برای آب­بندی سیلندر­ ها و پیستون­های استاتیکی تا فشار psi٥٠٠٠ به­کار رود (فشار می­تواند ثابت یا متغیر باشد).

او- رینگ­ها برای سیلندر و پیستون­های رفت و برگشتی تا فشار psi5000 عملکرد رضایت بخشی دارند و ممکن است مقدار کمی نشتی (چند قطره در هر 100 حرکت) داشته باشند. برای سیستم­های دورانی هم عملکرد مشابهی دارند اما در همه­ی این موارد باید سرعت حرکت سطوح پایین نگه­داشته شود.

یک او- رینگ را در شرایطی که فشار به صورت تناوبی به یک طرف او- رینگ و سپس به طرف دیگر آن اعمال می­شود، می­توان به­کار برد. در بارگذاری شدید یا موارد خاص دیگر برای افزایش طول عمر مجموعه­ی آب­بند می­توان مکانیزم را به صورتی طراحی کرد که به هر او- رینگ فقط در یک جهت فشار اعمال شود. گاهی برای اطمینان بیشتر به جای یک او- رینگ از چند ردیف او- رینگ استفاده می­شود. در این صورت قبل از آسیب، او- رینگ اول که در معرض فشار قرار دارد کل نیروی اعمالی را تحمل می­کند.

اثرات تغییر دما از C°18+ تا C°121+ روی عملکرد او- رینگ­ها، به ماده­ی به­کار رفته برای آن­ها بستگی دارد. لاستیک مصنوعی می­تواند به صورت دائمی در معرض دمای بالا یا دمای پایین و برای مدت کوتاهی در معرض تغییرات دمایی گسترده قرار بگیرد. آب­بند­ها در دما­های خیلی پایین ممکن است شکننده شوند اما در صورت گرم شدن انعطاف­پذیری عادی خود را بدون ایجاد هیچ­گونه مشکلی دوباره به­دست می­آورند. اگر آب­بند­ها به مدت طولانی در معرض حرارت شدید قرار بگیرند، سختی آن­ها به صورت دائمی افزایش می­یابد و از بین می­روند. معمولاً ضریب انبساط حرارتی لاستیک مصنوعی به اندازه­ای کم است که تغییرات دمایی مشکلی برای طراحی ایجاد نمی­کند (این ویژگی­ها برای تمامی ترکیبات الاستومر­ی صادق نیست.).

آب­بند­های او- رینگی به دلیل سادگی، استحکام بالا، قیمت ارزان و نصب آسان نسبت به سایر آب­بند­ها کاربرد بیشتری دارند.

گرچه او- رینگ­ها کاربرد زیادی دارند اما برای همه­ی مسائل آب­بندی راه حل مناسبی نیستند. برای مثال در مواردی که:

سرعت دورانی بیش از min/ft1500 است.

محیط با مواد الاستومری ناسازگار است.

فضای کافی وجود نداشته باشد.

از آن­ها نمی­توان استفاده کرد

Abstract

Nowadays, in various industries such as aerospace industry, gas and oil, chemical industry, refineries and petrochemical industries,etc., mechanisms at high high pressure are required to allow the process to be completed. Pressure rise of the fluid occurs inside the chamber which has usually a cylindrical shape. Therefore, it is vital to design a sealing system in order to prevent the leakage of the fluid. The leakage happens when the fluid pressure is increased. The reason for this is that as the process progresses,the pressure differences between the outside and inside of the system goes up and consequently the tendency of the fluid leakage increases in a way that the tank turns into a kind of un controllable vessel chamber that even the least disruption in sealing system causes fluid leakage and it’s damage of which maybe irreparable. Therefore, for such processes (high pressure processes), sealing secure is an extremely important prerquisite.

This research aims at designing a high-pressure seal, based on the Bridgman plan, by means of which the fluid pressure is increased through a sealing system, as a result of which the sealing operation is carried out securely. Bridgman has stated that the key development which enabled him to reach higher pressures without leaks was his invention of the unsupported-area seal, now called the Bridgman seal. The principle of its operation is that pressure in the contained fluid produces an “over pressure” in the seal, which prevents leakage.

In order to check the sealing system operation, ABAQUS simulation software was used. Different sealing rings (o-ring, u-ring, c-ring and v-ring) were simulated. A sealing ring is acceptable that can create enough sealing pressure which is greater than the fluid pressure. In addition, the shape of the ring should be such that the sealing ring pressure distribution is more uniform to prevent seal damage.

The choice of a proper material is probably the most critical factor in the design of seals able to withstand extremely high pressure, and knowledge of material mechanical properties is essential for the finite-element model (FEM) simulations needed to understand and optimize seal behavior. Based on very few commercial solutions proposed for high pressure applications five materials potentially suitable for ultrahigh-pressure sealing systems have been selected for testing. Nitrile-Nutadiene Rubber (NBR), Silicone Rubber, Polyamide 6 (PA6) and Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene (UHMWPE) reinforced with glass and ceramic microspheres to enhance wear resistance have been considered suitable to be used in the sealing ring for their good pressure carrying capability combined with wear life. Properties of PA6, UHMWPE-glass and UHMWPE-ceramic obtained from previous research. Uniaxial tension and stress relaxation tests were performed to obtain properties of NBR and silicone rubber. Uniaxial tension tests showed that the behavior of NBR and silicone rubber were hyperelastic, but PA6 and UHMWPE materials exhibited a typical elasto-plastic behavior. Combination of viscoelastic and hyperelastic models were used to simulate the behavior of NBR and silicone rubber, and a combination of elastic and viscoelastic models were used to simulate the behavior of PA6, UHMWPE-glass and UHMWPE-ceramic.