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1、北京化工大学硕士学位论文挤压成型金属波纹管机械密封的优化与系列化研究姓名：梁文元申请学位级别：硕士专业：化工过程机械指导教师：蔡纪宁20100527摘要挤压成型金属波纹管机械密封优化分析与系列化研究摘要机械密封是应用及其广泛的一种动密封结构，随着使用工况的不断变化，挤压成型金属波纹管机械密封因其轴或轴套不受磨损、浮动性好、不易堆积杂物等诸多优点被大量用应，现在对于挤压成型金属波纹管机械密封的设计大多是通过实验来获得。本文则通过运用A N S Y S 有限元分析软件，根据挤压成型金属波纹管机械密封的使用工况选取参数进行优化分析，最终获得最为优化的结构尺寸。具体内容如下：1 对挤压成型金属波纹管机
2、械密封的性能参数进行了分析，包括液膜反力、弹性力、有效直径以及端面比压等。2 通过有限元分析软件A N S Y S 对挤压成型金属波纹管机械密封的结构进行优化分析，提供一种设计计算这种结构的有效的方法。采用这种优化分析法，对不同的条件和不同的使用工况的挤压成型金属波纹管机械密封结构进行优化分析，获得一系列的优化结构，形成便于使用的数据库。3 将A N S Y S 有限元分析软件优化获得的结构数据连接到V B 的界面中，为以后的设计提供使用数据，以便减少了更多的设计计算时间。通过以上的设计分析，可以为以后的挤压成型金属波纹管机械密封的设计提供有利的帮助。T北京化工人学硕f j 学位论文关键词：机
3、械密封，波纹管，挤压成型，优化分析I lA B S T R A C TO p t i m i z a t i o na n ds e r i e so fR e。,t r c hf o rm e t a lbellowstimizao na nas e r l e So lR e s e a r c h1-o rm e t a lb e l l o w sm e c h a n i c a ls e a lb ye x t r u d e df o r m i n gA BS T R A C TM e c h a n i c a ls e a li sad y n a m i cs e a l
4、s t r u c t u r ew h i c hi sb r o a d l ya p p l i e d W i t ht h ec h a n g i n go f u s e dc o n d i t i o n s，m e t a lb e l l o w sm e c h a n i c a ls e a lb ye x t r u d e df o r m i n gi se x t e n s i v e l yu s e dt ob e c a u s eo fs h a f to rb u s h i n g sn o tb e i n gw o m，g o o df l
5、 o a t i n g，n oa c c u m u l a t i o no fd e b r i sa n dS Oo n N o wd e s i g no fm e t a lb e l l o w sm e c h a n i c a ls e a lb ye x t r u d e df o r m i n gm o s ti so b t a i n e dt ot h ee x p e r i m e n t s T h em o s to p t i m i z e ds t r u c t u r es i z ei so b t a i n e db yA N S Y
6、Sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea c c o r d i n gt os e l e c t i n gt h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n sp a r a m e t e r so fa n a l y s i sf o rm e t a lb e l l o w sm e c h a n i c a ls e a l sb ye x t r u d e df o r m i n g D e t a i l sa r ea sf o l l o w s：F i r s
7、t l y,p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sa r ea n a l y z e df o rm e t a lb e l l o w sm e c h a n i c a ls e a l sb ye x t r u d e df o r m i n g，i n c l u d i n gt h ef i l mr e a c t i o nf o r c e，e l a s t i cf o r c e，e f f e c t i v ed i a m e t e r,a sw e l la se n d-s p e c i f i cp r
8、 e s s u r e，e t c S e c o n d l y,o p t i m i z a t i o na n a l y s i so fs t r u c t u r ei sc o n d u c t e db yA N S Y Sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e，w h i c hp r o v i d e sa ne f f e c t i v ec a l c u l a t i o nf o rs u c hs t r u c t u r e O p t i m i z a t i o na
9、n a l y s i so fm e t a lb e l l o w sm e c h a n i c a ls e a l sb ye x t r u d e df o r m i n gi sc o n d u c t e da c c o r d i n gt od i f f e r e n tc o n d i t i o n sa n dd i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n s O p t i m i z a t i o nI I I北京化T 人学硕，I j 学位论文s t r u c t u r ei so b
10、 t a i n e db yo p t i m i z a t i o n，a n du s e f u ld a t a b a s ei so b t a i n e d T h i r d l y,V Ba n ds t r u c t u r ed a t a b a s e o b t a i n e dA N S Y Sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ei sc o n n e c t e d，w i t c hp r o v i d e su s e f u ld a t af o rt h ef u t
11、 u r ed e s i g na n dr e d u c em o r ec o m p u t i n gt i m e T h ed e s i g na n a l y s e sp r o v i d eb e n e f i c i a lh e l pf o rt h el a t t e rd e s i g nf o rm e t a lb e l l o w sm e c h a n i c a ls e a l sb ye x t r u d e df o r m i n g K E YW O R D S：M e c h a n i c a ls e a l，b e
12、l l o w s，e x t r u d e df o r m i n g，o p t i m i z a t i o na n a l y s i s符号说明符号说明密封端面内直径，m m密封端面外直径，m m波纹管内直径，n l l t l波纹管外直径，n M l l有效直径，m m杨氏弹性模量，M P a波纹管的载荷系数实验系数壁厚减薄系数波厚影响系数薄厚影响系数相对波深系数波纹管的波数介质压力，M P a波纹管的爆裂压力，M P a端面比压，M P a波纹管的最大耐压力，M P a密封端面上半径r 处的压力，M P a波纹管弹性比压，M P a密封端面内半径，m m密封端面外半径，r
13、 f u n波纹管波峰半径，m m波纹管波谷半径，m i l l波纹管外半径，n l l i l波纹管厚度，n M n波纹管的波距，n l n l单波允许的位移，m m液膜反压系数波纹管材料的强度极限，M P a波纹管材料的屈服极限，M P aI X巩西以以以EK幻岛虹岛，nR 只RB 舟n心见恐凰s矿彬A靠北京化f T 人学硕I：学化论文北京化工大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标
14、明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。n 作者签名：鍪兰笙日期：硅!翌：皇：丝关于论文使用授权的说明学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在一年解密后适用本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。作者签名：袭己杉导师签名：盗型主日期：!竺：兰：三垒日期：型!：12
15、 第一章绪论1 1 课题来源第一章绪论根据企业委托，为了使挤压成型金属波纹管机械密封能够系统化，体系化，便于企业对挤压成型金属波纹管机械密封选型、制造，本课题拟通过对不同使用工况、不同规格的挤压成型金属波纹管机械密封进行优化设计计算，从而获得一系列可供使用的参数，为以后的选型设计提供依据。1 2 挤压成型金属波纹管机械密封的历史与现状机械密封又称端面密封(M e c h a n i c a lS e a l)，是旋转轴用动密封，是靠至少垂直于轴作相对滑动的端面在流体压力和补偿机构的弹力(或磁力)作用下保持贴合并配以辅助密封而达到的阻漏的轴封装置【l】。机械密封性能可靠，泄漏量小，使用寿命长，功
16、耗低，且能适应于生产过程自动化和高温、低温、高压、真空、高速以及各种强腐蚀性介质、含固体颗粒介质等苛刻工况的密封要求，在化工、石油化工、造纸、制药、食品等部门己广泛应用【2 1。近年来，随着原子能、宇航和大型石化工业的发展，机械密封技术飞速发展，正向高参数、热流体和动力密封方向发展。这期间，新技术、新结构和新产品不断涌现，并且使用范围不断扩大。不仅机泵采用机械密封，而且工艺设备f 如反应釜、搅拌机及离心机等)都相继丌始采用机械密封。开发的新型机械密封除了金属波纹管机械密封、聚四氟乙烯波纹管机械密封及静止型机械密封以外，还有流体动压型、流体静压型、径向双端面型、磁力机械密封以及干气密封、可控间隙
17、密封等十多个新品种p-5 J。随着经济的发展和科技的进步，机械密封成为一种主要的动密封装置。但是机械密封也随着经济的发展，应用在不同的场合，使用的工况也变得越来越苛刻，像一些高温或腐蚀介质场合，而在这些工作条件下，最初普通的弹簧式机械密封的很难满足要求。为了适应现代化大生产的需要，各国投入大量人力物力进行新型机械密封技术的研究与开发。金属波纹管机械密封是近年来出现的各种密封结构中较为先进的一种接触型机械密封装置。普通机械密封结构大多为滑移式结构，其补偿环组件需要用弹性体的辅助密封圈，阻塞补偿环组件与轴之间的间隙，保证该处不会泄漏。同时还要保证补偿环组件在轴向滑动能力。这两者常常矛盾，如果密封圈
18、的压缩量不足必然泄漏，因此需要密封圈的压缩量大一些；而压缩量过大，滑动摩擦阻尼随之迅速增大。此时，弹性很好的材料都无法避免补偿环既要在轴向上滑动，又要依靠过盈量来阻塞介质泄漏北京化工人学硕I j 学位论文的矛盾。同时由于辅助密封圈材料的老化、溶涨、绕曲、过渡挤压、沉淀颗粒堵塞等，都会阻碍补偿环在轴向上滑动，影响追随性，造成密封失效。可以说，补偿环组件的密封圈材料限制了密封的工作范围，可靠性及使用寿命。然而金属波纹管机械密封补偿环组件的支撑是由金属波纹管提供的，波纹管机械密封由于管壁自身的密封能力取代了与轴(轴套)接触的辅助密封件，同时金属波纹管组件与轴及腔体的间隙可以设计得较大，从而大大地提高
19、了浮动性，因此，与其焊接的补偿环组件不但有很好的轴向浮动性，而且径向上的补偿性也很好，自然对轴的跳动等安装精度要求不高。由于不需要辅助密封圈，所以使用温度也不受辅助密封圈材质的限制。实际使用证明，垂直度偏差大的地方f 如反应釜)，在高温，低温或腐蚀介质场合下采用波纹管密封以后，效果非常好。滑移式机械密封、金属波纹管密封结构简图如图1 1、图1 2 所示【6】。图1-1 滑移式机械密封结构简图F i g 1-1s t r u c t u r es k e t c ho fs l i p p a g em e c h a n i c a ls e a l s密封圈(静环)；i _ L。上图l-2
20、金属波纹管机械密封结构简图F i g 1-2s t n J c n l r es k e t c ho f b e l l o w sm e c h a n i c a ls e a l s金属波纹管机械密封的出现比滑移式机械密封晚几十年。这种密封是由美国E G&G S E A L O L 公司于1 9 5 7 年为美国航空航天管理局(N A S A)首先研制成功并使用的。由于其具有良好的浮动性和易于安装的特点，并且在高温、低温和高压下都具有良好的密封性能，使该种机械密封很快在其它工业领域获得了广泛的使用。英、美、西欧一些发达国家以及日本、前苏联等国家开始大批量生产2第一章绪论金属波纹管机械密
21、封，以至石油工业的炼油厂、泵站和油轮使用的机械密封中的高低温介质泵大部分是金属波纹管机械密封。8 0 年代初我国开始引进并生产焊接金属波纹管机械密封。据国外有关文献介绍，对美国2 4 家石油化工厂和炼油厂的调查表明：4 5 0 0 F(2 3 2。C)以上的高温油泵轴封，9 4 采用机械密封。国内在输送低温介质如液化天然气、液氧、液氮泵上，大部分亦采用金属波纹管机械密封。其它设备如搅拌釜轴封中也部分开始采用金属波纹管机械密封【6 _ 引。传统的机械密封高温下使用时，辅助密封圈多用聚四氟乙烯(P T F E)带I J 造，最高使用温度在2 0 0 左右，满足不了高温泵密封的要求。柔性石墨虽然耐高
22、温，但其强度低、易破损，不能适应弹簧密封动环密封圈沿轴向滑动的工况。而波纹管密封则将辅助密封圈的滑动结构改为静密封结构，不仅消除了一个动密封点，同时消除了动环辅助密封圈所产生的迟滞作用。按照波纹管制作方式的不同，金属波纹管型机械密封主要有两类：一类为焊接金属波纹管机械密封，一类为挤压成型金属波纹管机械密封。而挤压成型的金属波管在其成型后，波距大，波形圆滑而且没有死角，不会因杂质阻塞波片之间的间隙，而影响波纹管的浮动性，在结焦、结晶的介质中经常用到。同时挤压成形波纹管不会在低温情况下因焊接金属的焊缝的疲劳强度下降，容易使焊缝丌裂，使波纹管密封失效。因此本课题则着重对挤压成型的金属波纹管机械密封进
23、行研究。1 3 挤压成型金属波纹管机械密封的特点波纹管型机械密封在工业应用中，近来发展很快，越来越多的动密封中均采用这种结构，并取得了很好的使用效果，而这都是由波纹管型机械密封本身具有的特点所决定的。波纹管型机械密封的特点归纳起来主要有下列几点：1 轴或轴套不受磨损：由于挤压成型金属波纹管型机械密封取消了辅助密封圈密封，因此避免了其与轴或轴套之间的磨损，从而保护了轴或轴套；2 浮动性好：波纹管型机械密封最显著的特点之一就是浮动性好，由于波纹管具有良好的浮动性，因此对轴的振动、偏摆及旋转轴对壳体孔的偏移不敏感。对于偏摆较大的釜用机械密封、振动严重的密封以及安装不当造成的偏斜，波纹管型机械密封都有
24、很好的适应能力并获得满意的密封效果；3 结构简单、安装方便：由于波纹管型机械密封的波纹管既可作为传动元件带动动环旋转，又可作为缓冲补偿元件给密封端面一定的弹簧比压，因此比常规的机械密封结构简单，给安装也带来了较大的方便；4 适用范围广：波纹管型机械密封根据不同的使用条件选取不同的材料和结构，对于解决强腐蚀介质、高温、低温、高压及高速密封效果特别显著。因北京化T 人学硕l j 学位论文此这种机械密封使用范围较广；5 圆弧波形的曲率半径不等(波形不对称)，使波纹管工作时应力分布均匀；6 只有一道由原材料卷成筒状的焊缝；7 与双S 形金属焊接波纹管相比，不对称圆弧形液压成型金属波纹管不易有沉积物积聚
25、；8 受压时平衡直径变化不大(金属焊接型波纹管密封受压时平均直径变化大)；9 制造简单，工作量少。1 4 前人对金属波纹管的研究在早期的研究工作中人们均采用了各种各样的简化假设，采用一些与实际情况较接近的设计公式，然而由于波纹管独特的结构和特性，尤其对机械密封用的挤压成型金属波纹管要求具有较小的轴向刚度，较大的行程能力和较好的抗压能力，这些设计公式很难精确地反映波纹管的实际受力和变形特征。国内外的许多学者在波纹管研究方面作了很多努力【1 3 珈】。传统的波纹管计算公式有：前苏联维赫曼公式、K e l l o g g 公式、同本东阳(T O Y O)公司公式、美国膨胀节制造商协会(E J M A
26、)标准公式等。美国膨胀节制造商协会(E J M A)是在1 9 5 5 年由一批使用、设计和制造膨胀节方面富有经验的公司丛起成立的，1 9 5 8 年首次发布了膨胀节标准。该标准第一版较为简单，只涉及至轴向位移的工况，以后随着研究成果及试验结果的增多，并将其逐步纳入到标准内容之中，使标准增加了设计数据，扩展了使用范围。它对会属波纹管的应力分析全面，假设条件较合理，加上计算式对实际的影响因素作了必要的修正，故计算结果与实验数据较为接近。我国压力容器和管道用膨胀节的国家标准(如G B f r l 2 7 7 7 1 9 9 9 金属波纹管膨胀节通用技术条件)是参照该标准制定的。2 0 世纪7 0
27、年代之前的结构分析主要采用解析法，根据近似简单梁、近似圆柱体、近似壳体的假设，依据弹性理论得到波纹管壳体中的应力应变值。但由于波纹管本身是一种较为复杂的轴对称薄壁壳体，且在绝大多数工况下材料处于弹塑性大变形范围内，因而在解析解与波纹管材料的实际响应之间存在着较大的误差。为使两者间达到近似的统一，学者们在解析法得到的近似解中引入了由图表形式给出的修正系数。2 0 世纪7 0 年代以后，有限元分析在结构分析中的地位日渐突出，许多商用有限元软件应运而生。有限元分析以其在解决几何非线性、材料非线性和结构非线性问题方向的独特优势而为愈来愈多的研究人员所接受。非线性有限元计算能够有效地解决传统的解析法无法
28、计算的波纹管弹塑性大变形范围内的载荷一应力响应问题。研究表明：利用非线性有限元4第一章绪论分析，可以较好地模拟真实波纹管的载荷应力响应【2 1。3。对于波纹管机械密封热动力学，丁雪兴3 6】等人采用隔离体法对静环进行建模，运用热结构直接耦合法分析热应力的基本思路和方法，获得了其温度场和热应力场的分布云图，建立密封端面间隙流体的流动模型，获得了其速度场和压力场的分布云图。确定密封环两侧流场的对流换热系数，密封端面间摩擦热的加载方式，密封环端面对应位置的温度关系，稳态分析初始条件技术和动载荷的添加，建立密封端面内流体的流动模型，构建流体动力学雷诺方程，系统模型的具体算例分析结果。动环和静环端面均产
29、生一定的热力变形锥度，接触区域宽度比静态条件下更小，其中静环端面在接触边界区呈现一定绕曲，绕曲角为密封端面开口总锥度。密封端面的高温、大接触压力和高应力均处于接触区域，且最高温、最大接触压力和最高应力位置一致。密封端面温度和热应力在接触区域出现局部的较大温度梯度，与接触区域的应力集中规律相似，冲洗冷却在降低端面温升同时使最高温度向端面中部移动。密封端面间隙液膜速度场和压力场，在进口处速度和压力有最大值，沿液膜长度方向，二者呈不规则变化。张玉田、刘颖、高海涛【3 7 枷】等人通过对单层及多层波纹管在外压拉伸、弯矩和扭转载荷下进行了稳定性试验研究和有限元分析，得出如下结论：1)波纹管周向失稳是由于
30、波峰径向收缩量过大和较大的周向压应力共同作用的结果，拉伸位移是外压周向失稳的主要原因。在压力一定情况下，通过限制波纹管拉伸位移量，可有效防止外压周向失稳发生。周向失稳时波峰部分沿壁厚方向没有完全屈服，周向稳定性不能按照强度理论进行校核。2)波纹管中的应力强度最大值、第一主应力最大值、轴向最大的位移均是随着弯矩的增加而近似呈线性增加的，应力最大值均出现在波谷处，轴向位移最大值则出现在波峰处。相同弯矩作用时，随着壁厚、公称直径、圆弧半径的增大，波纹管的最大应力强度值均大致呈线性减小，因此若要增强波纹管的承载能力，需将上述参数尽可能取较大值。3)在相同的扭转载荷作用下，随着波数的增加，波纹管所受的扭
31、转剪应力基本不变，扭转角逐渐增加，而且采用等效圆筒计算扭转剪应力和用有限元计算的扭转剪应力基本相同，用等效圆筒来计算扭转剪应力是一种方便有效的方法。波纹管在扭转载荷作用下的失稳存在两种形式，平面失稳和柱面失稳，随着波数的增加，波纹管的失稳模态由平面失稳转为柱面失稳，临界失稳载荷逐渐减小。增加波纹管的厚度将大大提高波纹管在扭转载荷作用下的临界失稳载荷，所以提高波纹管的厚度将大大提高波纹管的抗扭能力。轴向压力能降低波纹管承受扭转载荷的能力，而轴向拉力可以提高波纹管承受扭转载荷的能力，但提高和降低的幅度很小，也就是说轴向压力或轴向拉力对波纹管在5北京化工人学硕l j 学位论文扭转载荷下的失稳性能影响
32、很小。当波纹管的波高波距较小时，其承受扭转载荷的能力较大，且其失稳模态偏于平面失稳，而当波纹管的波高波距较大时，其承受扭转载荷的能力减小，其失稳模念偏于柱面失稳。所以，在扭转载荷作用下，小波高易于发生平面失稳，小波距则易于发生柱面失稳。姜宏春【3 5】等人通过对波纹管作非线性(包括几何和材料)分析，所得到的应力大小较接近实测，应力分布规律符合实际。随着研究的不断深入，在对多层波纹管模型在轴向拉伸、内压和联合载荷下的应力分布的研究方面，也取得了较大的进展。为计算波纹管的刚度，分别通过经验公式，实验方法以及有限元分析进行计算，得出三种方法计算的刚度的精确性，同时考虑波纹管的结构对其刚度的影响。考虑
33、波纹管在外压密封工况下的应力分布，以及不同外压作用下波纹管的经向和坏向应力，研究了挤压成型金属波纹管的结构参数，波数、壁厚、波距分别对波纹管机械密封性能的影响。分析了波纹管机械密封性能的影响因素，得出一种波纹管最佳压缩量的确定方法。金属波纹管机械密封性能的好坏和使用寿命的长短与波纹管的性能密切相关。作为机械密封的关键部件，波纹管不仅起着补偿及缓冲因动环磨损、轴向串动及振动等原因产生的轴向位移，还起着使动环随旋转轴一起旋转的作用；此外波纹管的弹力与密封介质压力一起对密封端面施加一定的比压，以起到密封作用。因此，波纹管的性能好坏将直接影响着密封的效果和生产的安全运行【3 2 3 4】0从查阅的国内
34、外文献看，虽然金属波纹管机械密封己广泛应用在工业生产中。但是应用比较广的仍然是焊接波纹管机械密封，这种密封已经形成标准化，非常方便设计与制造部门选型，同时也大大提高了波纹管机械密封的推广与使用。然而对挤压成型金属波纹管机械密封的研究比较少。虽然挤压成型的优点也是比较明显，但是由于条件的限制，仍然没有很好的开发利用，并且虽有研究也是不够深刻，没能从深层结构出发研究影响机械密封的因素，这使得挤压成型金属波纹管机械密封的优势没有真正应用于实践，同时使用起来也因没有规范的理论依据而得不到广泛的推广。因此要使挤压成型金属波纹管机械密封广泛应用，发挥其自身的优势，还需大量工作才能完成。1 5 本课题研究的
35、目的和意义为提高波纹管的使用性能和使用寿命，国内外的研究人员对波纹管的成型工艺、材料和结构尺寸等方面进行了深入的研究，并取得一些成果。金属波纹管具有轴向、角向与横向变形能力以及受力一变形特性和几何形状周期改变特性。广泛用于仪表、航空、航天、电力、冶金、石油、化工等行业部门。挤压6第一章绪论成型金属波纹管机械密封性能的好坏和使用寿命的长短与波纹管的性能密切相关。作为挤压成型金属波纹管机械密封的关键部件，波纹管不仅起着补偿及缓冲因动环磨损、轴向串动及振动等原因产生的轴向位移，同时还起着使动环随旋转轴一起旋转的作用；此外，波纹管本身的弹力与密封介质压力一起对密封端面施加一定的比压，以起到密封作用。因
36、此，波纹管的性能好坏将直接影响着挤压成型金属波纹管机械密封的效果和生产的安全运行。为了能够更好的使用挤压成型金属波纹管机械密封，深入了解影响密封性能的因素，这就需要从挤压成型金属波纹管机械密封的工作原理和几何结构出发，得到在不同工况时的应力状况，并对其进行分析，最终得到满足不同使用工况的结构尺寸，这样也为制造金属波纹管机械密封时提供合理的依据。因此对挤压成型金属波纹管机械密封进行深入研究，探讨其工作性能，获得必要的参数，将具有极大的理论意义和社会效益。本课题的目的就是针对挤压成型金属波纹管机械密封的波纹管结构进行分析，建立有限元分析模型，分析影响金属波纹管工作性能的因素，为制造挤压成型金属波纹
37、管机械密封提供理论依据，以更合理的结构，更经济的生产费用达到更好的密封效果，推进挤压成型金属波纹管密封技术的发展，使其更广泛的应用于各行业。1 6 本课题研究的主要内容金属波纹管机械密封的研究，至今大都是密封的使用时存在的密封失效问题。本实验室姜宏春对波纹管作了非线性分析，研究了挤压成型金属波纹管的波数、壁厚、波距分别对波纹管机械密封性能的影响。为计算波纹管的刚度，分别通过经验公式，实验方法以及有限元分析进行计算。而本文重点以挤压成型金属波纹管为主要研究对象，通过建立一个合理的有限元模型，计算获取波纹管在不同受载情况下的应力特征。通过深入分析波纹管结构、波纹管受力与变形规律，研究波纹管力学性能
38、对密封性能的影响，并通过计算得出在不同工况下挤压成型金属波纹管机械密封中的波纹管的系列化结构。具体内容包括以下几个方面：(1)运用A N S Y S 有限元软件分析计算波纹管在不同工况时，不同结构形式下的受力状况。(2)通过对金属波纹管在不同工况下的受力分析，研究挤压成型金属波纹管的结构参数，及其对波纹管机械密封性能的影响，分析波纹管机械密封性能的影响因素。(3)根据挤压成型金属波纹管机械密封性能的影响因素，获得一系列的波纹7北京化T 人学硕l：学位论义管的结构尺寸。(4)根据优化得到的具体结构尺寸，结合其他参数，将其与V B 程序相连接，便于以后的应用。第二章挤骶成型金属波纹管机械密封的结构
39、理论第二章挤压成型金属波纹管机械密封的主要参数确定2 1 密封端面的液膜反力摩擦副环由于不断地相对回转，必然要产生摩擦磨损，而在这种工作条件下要保持比较长的使用寿命，那么端面间必须维持一个极薄的液膜。而液膜反力的大小自然是影响机械密封端面比压的重要因素，端面比压过大，密封端面磨损严重，寿命变短，端面比压过小则泄漏严重以致密封失效。因此保证适宜的端面比压对机械密封设计来说是十分重要的环节。基于这样的考虑，对密封端面问液膜反力的分布就必须加以认真地分析研究，以便得出一个合理的设计规范【3 4】。在研究液膜反力的时候，为分析方便引进了反压系数A，并定义为：液膜的平均压力厶与密封介质压力P 的比称为反
40、压系数，用五表示，即五：丝(2 1)p对于普通接触式机械密封，当密封间隙有微量泄漏时，由于密封坏内、外径处的压差促使流体流动，而流体通过缝隙受到的密封面的节流作用，将压力逐步降低。假设密封端面问隙内流体流动的单位阻力沿半径厂方向不变，即不计液体的旋转惯性力和由于流体沿缝隙流动时温度升高而造成粘度的变化等因素，则流体沿半径的压力降呈线性分布。如图2 1 所示，考虑不同粘度，中等粘度的液体(水)见图中2 所指的线，其延径向的压力就近似于三角形分布；低粘度液体(液态丙烷等)见图中l 所指的线，压力分布呈凹形；高粘度液体(重油)见图中3 所指的线，则呈凸形。声l图2-1 密封端面上的压力分布F i g
41、 2 1S e a l i n ge n ds u r f a c ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o n9北京化T 人学硕I?学位论文端面间的液膜静压力是作用于补偿环上，使之对于非补偿环趋于开启的力。液膜静压力二般是由密封端面间的流体膜的压力引起的。设密封流体压力为P，设沿半径方向，处，宽度为西的环面积上液膜静压力为尸，则作用于密封面上的液膜压力凡为：e：r 2 只2 z r r d r(2 2)=l2Z(2 一)式中r 厂一密封端面内半径；，广密封端面外半径；只一密封端面上半径，处的压力。根据相似三角形关系得：e2 焉p(2-3)带入(2 2)式，积
42、分得：2P 嚣乞砌2 如)(2 r 2(2-4)又L=万(牙-f i 2)p。(2 5)这样就可得：乞=页2 而r z+r Ip(2-6)由液膜反压系数A 的定义，由(2 6)式得：彳：兰生：兰垒(2 7)P3(吒+)对不同的密封介质及工况，其压力分布也并不是完全一样的。在密封介质为清水的情况下，压力分布可近似为直线，反压系数可近似取作O 5，压力分布如图2 1 中的曲线2；对于粘度大的介质如重油等，反压系数推荐采用l 3，压力分布如图2-1 中的曲线3；对于粘度小、易挥发介质如液化气等，反压系数推荐采用j 2，压力分布如图2 1 中的曲线l。2 2 密封的弹性力由于挤压成型金属波纹管型机械密
43、封中，工作状态下的波纹管要受到压缩。因此，在密封端面上会作用有弹性力。弹性作用力始终使密封面保持贴合，始终为正的，在密封流体压力很小或波动时，仍能维持一定的闭合力，使密封端l O第二章挤压成型金属波纹管机械密封的结构理论面贴合，保持密封作用。当密封端面磨损时，压缩波纹管伸长，使补偿坏产生轴向移动进行补偿，弹性作用力随之下降。弹性作用力下降的幅度，由波纹管刚性决定，波纹管刚性大，下降幅度也大。一般应控制弹性作用力下降幅度不超过10-2 0 3 4 1。若用只来表示弹性力，其值为：只=K s j 5+K 2 西(2 8)式中局波纹管的刚度(若波纹管型机械密封因结构不同不采用弹簧式，其值取O)；五弹
44、簧的压缩量；K 厂波纹管的刚度；尼波纹管的压缩量。而波纹管弹性力只通常用弹性比压只表示，弹性比压是波纹管等弹性元件施加到密封环带单位面积上的力，即B2 而 sMPa(2-9)弹性比压的选取，与密封端面的平均线速度、密封流体压力、密封件材料、密封结构形式等因素有关，密封端面的平均线速度影响因素最大，因此可参照相关资料谨慎地选取合适的弹簧比压。其中表2 1 给出了弹性比压选择表，用以选择参考。表2-1 弹性比压选择表T a b l e2-1S p r i n gp r e s s u r es e l e c t i o nt a b l e上作条件使川机械弹性比压只(M P a)高速密封喷气发动
45、机、轴流式压缩0 0 5 0 2v 3 0 m s机、高速泵中速密封I T 艺用泵、化工泵、通用泵O 1 5 _ 0 3V=l v 3 0 m s低速密封搅拌机、混合机、建筑机械0 1 5 O 6V 赢K 图2-2 波纹管的有效面积实验法F i g 2-2T h ee f f e c t i v ea r e ao fc o r r u g a t e dt u b ee x p e r i m e n t a lm e t h o d波纹管在工作过程中，由于不同的工作条件，其有效面积发生变化，所以通常F e 用变量来表示：驴l 删i r a 心印，=石d F由于波纹管存在着几何非线性，会发生
46、变化。(2 1 1)所以随着密封介质压力的增大，有效面积波纹管的有效作用直径是由有效作用面积得出的，即：只=竺衫(2 1 2)4式中雹波纹管的有效直径。波纹管机械密封的有效直径盔，可通过试验确定，大致在波纹管中径附近。波纹管机械密封的有效直径，根据受压不同而有所区别。在机械密封承受内压时，称谓外流式波纹管机械密封，当波纹管内侧受到一定大小的流体压力P 作用而长度三又保持不变时，它在轴向所产生的力，相当于以有效直径玩与轴直径d 之间的环形活塞端面受压力P 作用所产生的力。如图2 3 所示。1 2r r卜；中孓一，一，￥“，硝百蓥l肖T第二章挤压成型金属波纹管机械密封的结构理论I I I I I
47、I I I，饧。防j1 6自n严俗逸一l】黛蕊缓淤怼一f 婪奄三一1躞一叶L 一乡。、厂、厂、厂、厂型户uYu哆rJllf卜I 一彳_：1葫n nUUUL，多图2-3 受内乐时波纹管有效直径示意图F i g 2 _ 3S u b j e c t e dt oi n t e r n a lp r e s s u r ew h e nt h eb e l l o w se f f e c t i v ed i a m e t e rd i a g r a m在机械密封承受外压时，称谓内流式波纹管机械密封，当波纹管外侧受到一定大小的流体压力P 作用而长度L 又保持不变时，它在轴向所产生的力F 相当于
48、以波纹管外径以与有效直径以之问的环形活塞端面受压力P 作用所产生的力。如图2 4 所示。i 念一t，一二於0蓬户一国_-，蚕70惑缓=心鬯，国一：鼍一I1(厂ll户图2-4 受外压时波纹管有效直径示意图F i g 2-4S u b j e c tt oe x t e r n a lp r e s s u r ew h e nt h eb e l l o w se f f e c t i v ed i a m e t e rd i a g r a m由于波纹管机械密封的有效直径影响因素比较多，因此，通常未承压时波纹管有效直径可近似的计算：1吃=去(以+d 4)(2-1 3)二式中：西波纹管内径；
49、以波纹管外径。1 3北京化r T 人学硕I j 学位论文2 4 端面比压的计算端面比压是指密封端面单位面积上所受的力，以胁表示。是影响机械密封性能的主要因素之一。端面比压可根据作用在补偿环上的力平衡来确定。主要取决于密封结构型式和介质压力【2 l。机械密封轴向力平衡如图2-5 所示。图2 5 机械密封轴向力图F i g 2-5M e c h a n i c a ls e a la x i a lf o r c e作用于补偿环上使之对于非补偿环趋于闭合的力叫做闭合力R。闭合力主要由密封流体压力和弹性元件的弹力(或磁性元件的磁力)等引起的。而作用于补偿环上使之对于非补偿环趋于开启的力称为丌启力R。
50、丌启力一般是由密封端面问的流体膜的压力引起的。当机械密封正常工作时，其闭合力R 应大于开启力R，即i 而 F k，否则密封失效。通常定义：使密封副趋于闭合的力的方向为“+，使密封副趋于-丌启的力的方向为“一。对于挤压成型金属波纹管机械密封，可取补偿环的轴向受力进行分析，补偿环受力见图2 6。其中凡为密封端面的液膜反力，E 为波纹管弹性力，局为密封介质作用力，R 为密封端面流体压力。因此密封补偿环的合力可表示为：F=+E 只(214)cF图2 6 波纹管机械密封补偿环受力图F i g 2-6B e l l o w sm e c h a n i c a ls e a lr i n gb yt r