纹管直径变化对端面受力和变形的影响

陈玲琳

摘 要：基于ANSYS有限元分析软件，对金属螺纹管的参数进行模拟.结果表明：预压缩条件下，端面变形、预压缩和外压组合条件下，随着轴径的增加，端面呈现左低右高的趋势；随着轴径的增大，端面垂直方向的压力右端大于左端，轴径越大间隙越大；在常温和高温情况下，端面变形呈现左高右低的规律，接触对的最大应力出现在竖直接触面的下部和水平接触面的内部.

关键词：机械密封 ；有限元； 螺纹管

[中图分类号]TH136 [文献标志码]A

Influence of the Diameter of the Threaded Pipe on the Force and Deformation of the end Face

CHEN Linglin1，2

（1.College of Mechanical Engineering， Hefei University of Technology，Hefei 230051，China， 2.College of Mechanical and Automotive Engineering， Anhui Industrial Economics and Technical College， Hefei 230051， China）

Abstract：Based on ANSYS finite element analysis software， the parameters of metal threaded pipe are simulated. The results show that under the condition of end face deformation under precompression condition and the combination of precompression and external pressure， the end face exhibits a trend of left low and right height with the increase of shaft diameter； with the increase of shaft diameter， the pressure of the end face perpendicular direction The right end is larger than the left end， and the larger the shaft diameter is， the larger the gap is； at normal temperature and high temperature， the deformation of the end surface exhibits a law of left high and low right， and the maximum stress of the contact pair appears in the lower part of the vertical contact surface and the inside of the horizontal contact surface.

Key words：mechanical seal； finite element； threaded pipe

隨着我国机械工业的快速发展，机械行业在我国的工业制造和国民经济中发挥着越来越重要的作用.机械密封广泛应用在机械制造、化工和冶金等行业中，是一种动密封，相对于其他种类的密封来说具有自身的优越性.[1]机械设备因为所处环境复杂，所以对机械密封的要求越来越高.[2]金属螺纹管机械密封式是高温密封中经常采用的一种动密封结构，其轴或者轴套不受磨损，浮动性好，被广泛应用.本文通过ANSYS有限元分析软件，对金属螺纹管的参数进行模拟，研究波纹管直径变化对端面受力和变形的影响.

1 金属波纹管机械密封的主要参数

1.1 挤压成型金属波纹管的主要参数

金属波纹管有效直径主要表征介质作用在密封面上力的大小，与波纹管的受压状态、材料、波数等多种因素相关.当内压作用在波纹管时，计算得到有效直径较小，但是压力较大，造成较大的偏差；当外压作用于波纹管时，计算值比实际的有效直径大，压力也相对较大，也会造成较大的偏差.波纹管机械密封需要较好的弹性，其弹性对机械密封具有非常大的影响.[34]

1.2 机械密封的主要参数

密封端面宽度 机械密封的动环和静环组成密封端面，通常做成一宽一窄，密封端面宽度b是软材料的宽度，如果制造机械密封端面的强度和刚度足够高，端面宽度b可以尽可能的小一些.[5]选择密封面的宽度时，采用以下公式：b=0.005+0.02 d.

密封端面间隙 机械密封面间隙的大小，直接影响密封端面的密封效果.接触式机械密封平行面密封间隙的大小，可以用表面粗糙度计算，公式为[67]：

h=hst+hdyn，

hst=Rmax1K1+Rmax2K22，

hdyn=kdRZ（μνRZpb）.

平衡系数 平衡系数反映密封端面的承载能力，B越大，表明当介质压力波动时，密封端面比压的波动越大；B越小，意味着介质压力波动时，蜜蜂端面比压波动较小.平衡系数计算公式：

B=ACA=d22-d2cd22-d21.

1.3 金属波纹管机械密封补偿环的镶嵌

镶嵌结构是通过采用石墨、硬质合金等材料镶嵌在金属环座之中，通过过盈配合传递转矩和密封作用.镶嵌密封环通过装配应力进行密封作用，因此，在结构优化设计、使用参数确定、应用条件选择等方面都需要进行设计，任何一个参数的变化都会导致镶嵌之后发生变化.[8]

2 金属波纹管机械密封有限元分析

2.1 波纹管机械密封有限元模型建立

组成螺纹管机械密封的材料很多，为了节约计算资源，研究选定一定的组合.机械密封材料参数见表1.

建立模型在轴径DN40，DN80，DN120，DN160时使用的机械密封，静环宽度选用3 mm，动环选用4 mm，详见表2.有限元模型如图1所示.采用solid182和solid183单元进行网格划分，网格长度0.1 mm，有限元网格模型如图2所示.

2.2 不同单元和网格划分计算结果对比

采用ANSYS有限元软件进行有限元分析.采用不同单元得到的计算结果有一定的区别.本研究采用DN120轴径的机械密封模型，分别按照solid183和solid182单元建模，比较运行状态下的受力情况.受力数值大小见表3.从表3可以看出，采用solid182单元时波峰和波谷的误差较大，因此，采用solid183单元进行网格划分.

2.3 不同直径模型对端面变形的影响

2.3.1 预压缩条件下端面变形情况

DN40，DN80和DN120轴径对应金属波纹管机械密封端面变形情况见图3.由图3可知，随着轴径的增加，端面呈现左低右高趋势，高度差值分别为-1.04，-1.71，-2.10 μm.

图3 不同轴径模型下端面变形对比

2.3.2 预压缩和外压组合条件下端面变形情况

DN40，DN80和DN120轴径对应的金属波纹管机械密封，在预压缩和外压组合工况下，端面的变形情况如图4所示.由图4可知，随着轴径的增加，端面呈现左低右高的趋势，高度差值分别为-1.123，-1.836，-2.202 μm.

图4 不同轴径模型下端面变形对比

2.4 不同直径对端面应力的影响

DN40，DN80和DN120轴径对应的金属波纹管机械密封，在预压缩条件下端面应力对比图

2.4.1 预压缩条件下端面应力情况

图5 端面应力对比图

见图5.由图5可知，随着轴径的增大，端面垂直方向的压力右端大于左端，隨着轴径的不断增大，这种规律越来越明显.在这个过程中，左端出现间隙和不受力的情况，随着轴径的增大，间隙越来越大.

2.4.2 预压缩和外压组合条件下端面应力情况

DN40，DN80和DN120轴径对应的金属波纹管机械密封，在预压缩和外压条件下，端面应力对比见图6.由图6可知，随着轴径的增大，端面垂直方向的压力外径大于内径.随着轴径的不断增大，这种规律越来越明显，在这个过程中，端面出现间隙，此时左端出现不受力情况，随着轴径的增大，间隙越来越大.

图6 端面应力对比图

2.5 不同直径模型对波纹管应力的影响

2.5.1 预压缩条件下端面应力情况

图7为DN40轴径对应的金属波纹管.在受预压缩条件下波纹管垂直方向的应力和等效应力. DN80 和 DN120轴径金属波纹管具有较为一

（a）DN40应力

（b）DN40等效应力

图7 DN40 机械密封波纹管受力情况

致的规律，在压缩条件下，垂直方向受力情况变化不大，最大值相对误差小于3%，在波峰内侧出现最大值为620 MPa，等效应力最大值出现在波谷内侧，达到717 MPa.

2.5.2 预压缩和外压组合条件下端面应力情况

图8为DN40轴径对应的金属波纹管，在受预压缩条件下，波纹管垂直方向的应力和等效应力. DN80 和 DN120轴径金属波纹管具有较为一

（a）DN40应力

（b）DN40等效应力

图8 DN40 机械密封波纹管受力情况

致的规律，在预压缩和外压条件下，垂直方向受力情况变化不大，最大值相对误差小于5%，在波峰内侧出现最大值为599 MPa，最大等效应力出现在波峰内侧的节点，达到 770 MPa.

3 密封环与环座过盈配合有限元分析

3.1 常温时过盈配合有限元分析

对不同轴径的模型施加温度载荷，设置温度为20 ℃，通过有限元数值模拟可以得到DN40，DN80和DN120的断面变形情况.常温情况下，端面变形呈现左高右低的规律，DN40，DN80和DN120模型端面垂直方向的高度差分别为00886，0.1514，0.2102 μm，对于密封端面造成了较大的影响，这种情况下会造成密封流体发生泄漏.随着轴径的增加，端面变形越来越大.接触对的最大应力出现在竖直接触面的下部和水平接触面的内部，DN40，DN80和DN120模型的最大接触应力随着轴径的增大不断减小，数值为377，190和130 MPa.

3.2 工作温度时过盈配合的有限元分析

对不同轴径的模型施加温度载荷，设置温度为400 ℃，通过有限元数值模拟可以得到DN40，DN80和DN120的断面变形情况，垂直方向变形情况为左高右低，差值分别为7.66，6.78， 172 μm.接触对的最大应力出现在竖直接触面的下部和水平接触面的内部，DN40，DN80和DN120模型的最大接触应力随着轴径的增大不断减小，数值为34.2，9.75，1.3 MPa.

4 结论

本文通过ANSYS有限元分析软件，对金属螺纹管的参数进行模拟，研究波纹管直径变化对端面受力和变形的影响，得出以下结论：

（1）采用solid183单元进行网格划分更为合适；

（2） 在预压缩条件下观察端面变形情况.随着轴径的增加，端面呈现左低右高的趋势，高度的差值分别为-1.04，-1.71，-2.10 μm，在预压缩和外压组合条件下，端面呈现左低右高的趋势，高度差值分别为-1.123，-1.836，-2.202 μm.

（3）预压缩条件下，端面变形、预压缩和外压组合条件下，随着轴径的增大，端面垂直方向的压力右端大于左端.随着轴径的不断增大，这种规律越来越明显.在这个过程中，左端出现间隙，此时左端出现不受力的情况，随着轴径的增大，间隙越来越大.

（4）常温情况下，端面变形呈现左高右低的规律；高温情况下，垂直方向变形情况为左高右低，接触对的最大应力均出现在竖直接触面的下部和水平接触面的内部.

参考文献

[1] 王明涛. 轴承箱用磁力油封的设计和应用研究[D].上海：华东理工大学，2017.

[2] 朱姗姗，李德才，王智森，等.机械密封与磁性液体组合密封流体动压效应的研究[J].真空科学与技术学报，2016，36（10）：11691174.

[3] 周权. 单金属密封结构优化及热结构耦合研究[D].南充：西南石油大学，2016.

[4] 周旭辉，刘正林，孟祥坤，刘娇.船舶尾轴机械密封面形状对密封性能的影响[J].交通运输工程学报，2016，16（1）：95102.

[5] 黄克松. 高参数釜用机械密封及试验装置的开发与研究[D].北京：北京化工大学，2015.

[6] 王财生. 机械密封有限元分析及滑动面润滑性能研究[D].上海：华东理工大学，2013.

[7] 刘哲文. 涨圈密封在高速高压条件下的摩擦与磨损机理研究[D].广州：华南理工大学，2009.

[8] 路道庆. 深海环境模拟器结构设计与研究[D].成都：西南交通大学，2009.

[9] 阙丽.永磁式直流伺服电动机调节特性参数的推算[J].牡丹江师范学院学报：自然科学版，2003（2）：2930.

[10] 韩伟，基于Dymola/Modelica的商用车发动机模型开发[J].牡丹江师范学院学报：自然科学版，2018（2）：3941.

编辑：吴楠