（化工过程机械专业论文）金属波纹管机械密封中波纹管的有限元分析.pdf

簟 学位论文数据集 中图分类号 t h 学科分类号 4 1o 7 0 9 9 论文编号 l0 0 10 2 0 0 7 0 4 17 密级 公开 学位授予单位代码 10 0 1o 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名姜宏春学号 2 0 0 4 0 0 0 4 17 获学位专业名称化工过程机械获学位专业代码 0 8 0 7 0 6 课题来源自选项目研究方向流体机械 论文题目金属波纹管机械密封中波纹管的有限元分析 关键词机械密封，波纹管，有限元，轴向刚度，应力 论文答辩日期 2 0 0 7 0 6 0 1t 论文类型 应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师蔡纪宁高工北京化工大学流体密封、压力容器 评阅人1盲评 评阅人2 卢满 副教授北京化工大学动力工程及工程热物理 评阅人3 评阅人4 评阅人5 教授级 答辩委员会主席陈小新中国寰球工程公司压力容器 高工 教授级 答辩委员1陈小新 中国寰球工程公司 压力容器 高工 答辩委员2 钱才富 教授 北京化工大学 压力容器 答辩委员3张秋翔 高工 北京化工大学流体密封、压力容器 答辩委员4芦? 羲副教授北京化工大学动力工程及工程热物理 答辩委员5 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标；住( g b t13 7 4 5 - 9 ) “学科分类与代码中 查询。 四论丈编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 ij i 摘要 金属波纹管机械密封中波纹管的有限元分析 摘要 本文在综合国内外的大量文献资料的基础上，从探讨波纹管弹力 对机械密封性能的影响入手，运用有限元分析软件对金属波纹管机械 密封中的波纹管进行了系统的研究。建立了金属波纹管机械密封整体 分析模型，从刚度、应力、载荷、结构等方面对金属波纹管机械密封 中的波纹管进行了分析，论述了密封端面泄漏量与波纹管弹力的关 系，为挤压成型金属波纹管的设计和使用提供了理论指导。主要取得 了如下成果： ( 1 ) 通过对波纹管的模拟分析，得出了金属波纹管机械密封中波 纹管的刚度，分析了波纹管的结构对其刚度的影响。并将有限元计算 值与实验值以及经验公式的计算值进行了比较。对于单层波纹管，考 虑厚度变化时，经验公式计算值和实验值以及有限元计算值比较吻 合，而双层波纹管由于其制造时产生的结构误差以及进行有限元计算 时进行了简化，使得结果有所差别。同时分析了波纹管的壁厚，波深， 波数对刚度的影响。 ( 2 ) 分析了在预紧，外压以及二者叠j j n t _ 况下，波纹管外表面的 等效应力大小、分布状态，同时分析了在不同的工作压力下波纹管在 波谷，波峰以及平坦区域的经向和环向应力，最后研究了在同一工况 下，波纹管的壁厚，波深，波数，以及波纹管直径的不同对其应力水 北京化工大学硕士学位论文 平的影响，为工程设计和失效分析提供了理论依据。 ( 3 ) 通过对金属波纹管的刚度以及应力分析，深入研究了波纹管 机械密封性能的影响因素，同时得出一种波纹管最佳压缩量的计算方 法，解决了波纹管在设计和使用时的压缩量的确定问题。 关键词：机械密封，波纹管，有限元，轴向刚度；应力 i i 【 l t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s0 fb e l l o w su s e d i nm e t a lb e l l o w sm e c h a n i c a ls e a l s a b s t r a c t o nt h eb a s i so fc o n s u l t i n go fp l e n t yo fl i t e r a t u r e sa b o u tm e t a l b e l l o w s ，e x t r u s i o nf o r m e dm e t a lb e l l o w su s e di nb e l l o w sm e c h a n i c a ls e a l w a ss t u d i e db yf e as o f t w a r e t h es t r u c t u r eo fe x t r u s i o nf o r m e dm e t a l b e l l o w sh a sb e e ns t u d i e da n dr e a s o n a b l ev a l u e so fs o m ep a r a m e t e r sw e r e d e t e r m i n e d f u r t h e r m o r et h er e l a t i o n sw h i c hc a nb eu s e da sg u i d a n c et o d e s i g na n da p p l i c a t i o no fe x t r u s i o nf o r m e dm e t a lb e l l o w sb e t w e e n l e a k a g er a t e ，f r i c t i o n f a c t o ra n de l a s t i c i t yo fb e l l o w sh a v eb e e n d e v e l o p e d b yt h es i m u l a t i o n so fb e l l o w s ，t h ea x i a ls t i f f n e s so f e x t r u s i o nf o r m e d m e t a lb e l l o w s - w a sa c h i e v e d t h ei n f l u e n c et ot h ea x i a ls t i f f n e s so ft h e s t r u c t u r eo fb e l l o w s ，s u c ha st h ed e p t h ，t h et h i c k n e s se t c ，w a sa n a l y z e d c o m p a r et h er e s u l t so fe x p e r i m e n tt ot h o s eo ff ec a l c u l a t e ，a n de m p i r i c a l f o r m u l a ，t h er e s u l t sw e r ea p p r o x i m a t e l ye q u a lf o rs i n g l ed e c kb e l l o w s b u tf o rd o u b l ed e c kb e l l o w s ，t h er e s u l t sw e r ed i f f e r e n ti nv a l u e t h a ti s b e c a u s eo ft h es t r u c t u r ee r r o ra n dt h es t r u c t u r a lp r e d i g e s t i o nw h e n c a l c u l a t e dt h ea x i a ls t i f f n e s sb yf e am o d e l 北京化工大学硕士学位论文 t h ee q u i v a l e n ts t r e s sw a ss t u d i e d ，i n c l u d i n g 。o ft h em a g n i t u d ea n d t h ed i s t r i b u t i o n t h ev a l u eo fl o n g i t u d es t r e s sa n dl a t i t u d es t r e s so f e x t r u s i o nf o r m e dm e t a lb e l l o w su n d e rd i f f e r e n tp r e s s u r ew a sa n a l y z e d t h ei n f l u e n c et os t r e s sd i s t r i b u t i o no fd i f f e r e n tt h i c k n e s s ，d e p t h sa n d t h e d i a m e t e r st ob e l l o w si sd i s c u s s e d p r o v i d et h et h e o r e t i c a lb a s i sf o rp r o j e c t d e s i g na n di n v a l i d a t i o na n a l y s i s i no r d e rt od ow i t ht h ep r o b l e mo c c u r r e di na p p l i c a t i o n so f e x t r u s i o n f o r m e dm e t a lb e l l o wm e c h a n i c a ls e a l s ，m a n yf a c t o r s ，s u c ha st h ee f f e c to f b e l l o we l a s t i c i t yo nt h ep e r f o r m a n c eo fm e c h a n i c a ls e a l s ，t o r s i o nm o m e n t e t c ，h a v eb e e ns t u d i e di nt h i sp a p e r o n ew a ya b o u to p t i m u mc o m p r e s s d i s p l a c e m e n tw a sa c h i e v e d k e yw o r d s ：m e c h a n i c a ls e a l ，b e l l o w s ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ， s t i f f n e s s ，s t r e s s i v 目录 目录 第一章绪论。1 1 1 机械密封的历史和现状1 1 2 金属波纹管机械密封的研究概况1 l3 前人对金属波纹管的研究概况! 3 1 4 机械密封用金属波纹管5 1 4 1 机械密封用金属波纹管的结构5 1 4 2 波纹管材料6 1 4 3 波纹管的加工成型方法6 1 5 波纹管机械密封的工作原理7 1 6 本课题研究的目的和意义1 0 1 7 本课题研究的主要内容1 0 第二章波纹管在密封工况下的刚度及影响因素1 1 2 1 有限元概述1 l 2 1 1 有限元方法1 1 2 1 2a n s y s 大型通用有限元分析软件简介一1 1 2 2 波纹管有限元模型的建立1 l 2 2 1 波纹管的结构参数1 2 2 2 2 模型的简化1 2 2 2 3 单元类型的选择1 3 2 2 4 网格划分1 3 2 2 5 波纹管的三维有限元模型1 4 2 3 波纹管轴向刚度的计算1 4 2 3 1 边界条件的确定1 4 2 3 2 波纹管刚度的经验公式1 5 2 3 3 波纹管刚度的有限元计算值1 6 2 3 4 波纹管刚度实验值1 6 v 北京化工大学硕士学位论文 2 4 结果比较1 7 2 5 波纹管结构对其刚度的影响1 8 2 5 1 壁厚对波纹管刚度的影响1 8 2 5 2 波深对波纹管刚度的影响2 0 2 5 3 波数对波纹管刚度的影响2 1 2 6 本章小结2 2 第三章波纹管在密封工况下的应力分析。2 3 3 1 金属波纹管结构 3 2 波纹管应力的有限元分析 3 2 1 波纹管在三种工况下的应力 3 2 2 波纹管在工况3 下的经向以及环向应力 3 3 波纹管结构参数对其应力水平的影响 3 3 1 波纹管壁厚对其应力水平的影响 3 3 2 波纹管波深对其应力水平的影响 3 3 3 波纹管波数对其应力水平的影响 3 3 4 不同轴径波纹管应力 3 4 本章小结 第四章波纹管机械密封性能的影响因素4 1 4 1 波纹管机械密封性能的影响因素4 1 4 1 1 弹力变化对机械密封性能的影响4 1 4 1 2 介质压力的影响4 l 4 1 3 固体堆积问题4 2 4 1 4 传递扭矩的问题4 3 4 2 波纹管的弹力对密封泄漏量的影响4 3 4 3 波纹管最佳压缩量的确定4 4 4 4 失效分析4 6 4 5 本章小结4 8 第五章主要结论- 4 9 v i 3 5 6 0 6 6 7 7 8 9 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 目录 参考文献5 1 附录波纹管模型命令流5 3 致谢。5 7 研究成果及发表的学术论文：5 9 作者和导师简介6 1 北京化工大学硕士学位论文 v i i l l 目录 c o n t e n t s c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n 1 1 1 h i s t o r ya n da c t u a l i t yo f m e c h a n i c a ls e a l s ：1 1 2r e s e a r c hs u m m a r yo f b e l l o w sm e c h a n i c a ls e a l s ：1 1 3p r e v i o u sr e s e a r c hr e s u l t so f b e l l o w sm e c h a n i c a ls e a l s 3 1 4 i n t r o d u c t i o n o f e x t r u s i o n m e t a l b e l l o w s ! ； 1 4 1s t r u c t u r eo f e x t r u s i o n b e l l o w s 5 1 4 ：! m a t e r i a lo f b e l l o w s 6 1 4 3m a c h i n i n gm e t h o do f b e l l o w s 6 1 5w o r k i n gp r i n c i p l eo f b e l l o w sm e c h a n i c a ls e a l s 7 1 6 p u r p o s e a n d m e a n i n g o f t h i s p a p e r 1 ( ) 1 7m a j o rc o n t e n to f t h i sp a p e r ，1 ( ) c h a p t e r2a x i a ls t i f f n e s sa n d i n f l u e n c ef a c t o r so fi t 1 1 2 1f es u m m a r y ，1 1 2 1 1i n t r o d u c eo f f e 1 1 2 1 2i n t r o d u c eo f a n s y s 1 1 2 2e s t a b l i s h m e n to f f e a m o d e lo f b e l l o w s 1 l 2 2 1s t r u c t u r ep a r a m e t e r so f b e l l o w s 1 ：1 2 2 2p r e d i g e s t i o no f m o d e l 1 2 2 2 3c h o i c eo f e l e m e n tt y p e 1 3 2 2 4m e s h 1 3 2 2 5f em o d e lo f b e l l o w s 1 4 2 3c a l c u l a t i o no f b e l l o w s s t i f f n e s s ，1 4 2 3 1b o u n d a r yc o n d i t i o n s 1 z i 2 3 2e x p e r i e n c ef o r m u l ar e s u l t s 1 5 2 3 3f er e s u l t s 二：1 6 2 3 4e x p e r i m e n tr e s u l t s 1 6 2 4 r e s u l t sd i s c u s s i o n 1 7 2 5i n f l u e n c et os t i f m e s so f s t r u c t u r ep a r a m e t e r s 1 8 2 5 1i n f l u e n c eo f t h i c k n e s s ：1 8 北京化工大学硕士学位论文 2 5 2i n f l u e n c eo f d e p t h ：! ( ) 2 5 3i n f l u e n c eo f l e n g t h j 2 l 2 6b r i e f s u m m a r yo f t h i sc h a p t e r 2 2 c h a p t e r 3s t r e s sa n a l y s i so fb e l l o w su n d e rw o r k p r e s s u r e 2 3 3 1m e t a lb e l l o w su s e di nm e c h a n i c a ls e a l s 、2 3 3 2f e a o f b e l l o w s s t r e s s ：2 5 3 2 1s t r e s so f t h r e eo p e r a t i n gc o n d i t i o n s 2 6 3 2 2l o n g i t u d ea n dl a t i t u d es t r e s so f t h et h i r do p e r a t i n gc o n d i t i o n s 3 0 3 3i n f l u e n c et os t r e s so f s t r u c t u r ep a r a m e t e r s 。3 6 3 3 1i n f l u e n c eo f t h i c k n e s s 3 6 3 3 2i n f l u e n c eo f d e p t h 3 7 3 3 3i n f l u e n c eo f l e n g t h 3 7 3 3 4s t r e s so f d i f f e r e n td i a m e t e r sb e l l o w s 3 8 3 4b r i e f s u m m a r yo f t h i sc h a p t e r 3 9 c h a p t e r4i n f l u e n c e f a c t o r so fb e l l o w sm e c h a n i c a ls e a l s 4 1 4 1i n f l u e n c ef a c t o r so f b e l l o w sm e c h a n i c a ls e a l s 4 1 4 1 1i n f l u e n c ef a c t o r st os e a l sp e r f o r m a n c eo f e l a s t i c i t y 4 l 4 1 2i n f l u e n c eo f m e d i ap r e s s u r e 4 l 4 1 3i n f l u e n c eo f a c c u m u l a t i o n 4 2 4 1 4t o r s i o nm o m e n t 4 3 4 2i n f l u e n c et ol e a kr a t eo f b e l l o w s e l a s t i c i t y 4 3 4 3o p t i m u mc o m p r e s sd i s p l a c e m e n t 4 4 4 4i n v a l i d a t i o na n a l y s i s 4 6 4 5b r i e f s u m m a r yo f t h i sc h a p t e r 4 8 c h a p t e r5c o n c l u s i o n 4 9 r e f e r e n c e 5 1 a p p e n d i x i 5 3 x 目录 t h a n k s 5 7 s c i e n c ep a p e rp u b l i s h e d 5 9 b r i e f i n t r o d u c t i o no fa u t h o ra n dt u t o r 6 1 x i 北京化工大学硕士学位论文 x i i 符号说明 符号说明 密封面宽度，m m 腐蚀裕量，m l 1 1 系数 波纹管外径，n l r l l 波纹管内径，t o n 。i 波纹管等效直径，m i l l 密封面平均直径，i l l n l 波纹管平均直径，i l l n l 杨氏弹性模量，p a 波纹管波深，i i l r n 密封缝隙高度，即液膜厚度，g m 波纹管总长，t o n i 波纹管的层数 波数 介质压力，m p a 密封端面比压，m p a 波纹管比压，m p a 密封环内侧压力，p a 密封环外侧压力，p a 密封面内周和外周压力差，m p a 通过密封缝隙的泄漏量，c m j s _ 波峰半径，n u n 波谷半径，1 1 1 1 1 波纹管一层材料厚度，1 1 1 1 1 1 波距，瑚m 流体动力粘度，p a s 矿o 9啪例如咖队e幻l m 以p n 风n n却q订力s，叩 第一章绪论 第一章绪论 1 1 机械密封的历史和现状 机械密封以其密封性好，性能稳定，泄漏量少，摩擦功耗低，使用周期长，对轴 磨损很小，能满足多种工况要求，在化工、石油化工等部门已广泛应用。 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，逐步向 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( 如反应釜、搅拌机 及离心机等) 都相继开始采用机械密封。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、可控间隙密封等十多个新品种口1 。 目前，机械密封的发展方向是零逸出、高性能和长寿命。 我国从五十年代开始采用机械密封，至今己有4 0 多年的历史。国内机械密封技 术的起步虽晚，但发展很快。1 9 7 5 年制定了泵用机械密封标准和釜用机械密封标准， 1 9 8 6 年又重新修订标准。在此期间，机械密封技术的应用领域也逐渐扩大。尤其是我 国主要机械密封制造厂相继引进了美、英、日和德国的机械密封技术后，由专业厂商 生产的机械密封的产量和质量都有很大提高，形成系列化定型产品，为解决机器设备 的跑、冒、滴、漏问题做出了很大成绩。华东石油大学对机械密封密封机理的研究和 丹东克隆密封有限公司生产的d b m 系列焊接金属波纹管机械密封都达到了很高的水 平。但和国外先进国家相比，无论机械密封参数范围、泄漏量、使用寿命，还是产品 结构方面都有相当差距。例如，国外机械密封平均寿命达一年以上，平均泄漏量可控 制在3 m l h ，而国产的平均寿命在半年左右，平均泄漏量也比较大。另外，高温、高 压、低温、超低温、高真空、高速、腐蚀性介质、含悬浮性颗粒的介质密封中有许多 还未有定型产品。纵览机械密封的发展历程，可见每一个进步都和工业生产技术的提 高密不可分，研究人员深入细致地工作极大促进了密封技术的进步。 1 2 金属波纹管机械密封的研究概况 随着加工工艺和技术的发展，机械密封成为一种主要的动密封装置，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。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 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篮1 。它的最大特点是浮动性好，而且可以在高温高压及 低温下工作。 普通弹簧式机械密封、金属波纹管密封结构简图如图1 - 1 、图1 - 2 所示。 立一一一一上 图1 - 1 普通机械密封结构简图 f i g 1 - 1s t r u c t u r es k e t c ho fs p r i n gm e c h a n i c a ls e a l s n 卫，。! ! 一 图1 - 2 金属波纹管机械密封结构简图 ，f i g 1 - 2s t r u c t u 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推压式弹簧机械密封( 以下简称弹簧密封) 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。最初是为解决航空航天工业高温密封问题而研制生产的b 1 。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金属波纹管机械密封，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。妇 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 ) 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。 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 ) 制造，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 2 第一章绪论 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。但是，波纹管密封在应用中也存在一些不容忽视的 问题。 由中外合资北京南模波纹管有限公司研制的实用新型专利技术m s 型金属多层波 纹管，属国内外首创。s 型波纹管变u 型波纹管波峰圆弧与波谷圆弧波壁的直线连接 为斜线连接；变u 型的点动受力较大为s 型的面动，整个波纹受力均匀。受力状况改 善，消除应力集中点，从而提高技术性能。s 型与u 型波纹管相比，刚度下降，补偿 量提高1 7 以上，耐压能力提高2 1 7 倍，稳定性提高6 倍以上嘲。 1 3 前人对金属波纹管的研究概况 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2 ，但生产厂家在检查金属波纹管品质时还是以实验手段为主。 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、日本东阳( t o y o ) 公司 公式、美国膨胀节制造商协会( e j m a ) 标准公式等。在我国较有影响的是美国e j m a 公式。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 入到准准内容之中，使标准增加了设计数据，扩展了使用范围。美国的e j m a 标准较 其它标准有明显的优点，它对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 t1 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n 射。 目前，为提高挤压成型金属波纹管机械密封的密封性能，从材料、结构和成型工 艺等方面对其进行了研究。通过采用弹性好、迟滞性小和耐腐蚀性好的合金材料和热 处理工艺使波纹管的弹力更趋稳定；采用不同的结构形式，如非对称、变节距及双层 等，降低应力水平，延长波纹管的疲劳寿命。国内外最为先进的成型金属波纹管机械 密封有英国克兰公司的新5 1 5 型非对称和变节距成型金属波纹管；以及英国法莱博士 公司的双层成型金属波纹管g l i b ，g t i b 和r t i b 型等。为了进一步提高波纹管的力学 性能，国内外生产厂家近年来研究开发了许多新型膜片结构，如s e a l o l 公司的倾角边 缘膜片结构、j o h nc r a n e 公司的非对称q 膜片结构、以及f l e x b o x 的非对称s 型膜片 北京化工大学硕士学位论文 结构等。 在不同工况下对波纹管进行应力一应变的分析是评估其对各种工况承受能力的基 础和重要组成部分。2 0 世纪7 0 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一应变值。 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n 钉。 + 2 0 世纪7 0 年代以后，随着计算机技术的飞速发展，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n 8 1 ：利用非线性有限元分析，可以较好地模拟真实 波纹管的载荷一应力响应。用于单层波纹管的结构分析，结果是可靠的，并且与试验数 据较为吻合。用八节点空间壳单元对波纹管作非线性( 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。用此单元可以较好的解决波纹管的 强度、振动、稳定性等问题，并进一步对带初始缺陷的稳定性问题进行了研究，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。实践表明，有限元接触分析也能很好地模拟波纹管层 间关系。在现代的研究方法中，除了有限元法之外，人工智能技术也被用于波纹管的研 究，这种方法是建立一种基于b p 神经网络的膨胀节低周疲劳寿命估算模型，通过实例 样本学习，获取了应有的知识，就可以估算未知的疲劳寿命。 从查阅的国内外文献看n 蚍们，虽然金属波纹管机械密封已广泛应用在工业生产 中。国内外研究人员已对其密封机理有了比较深入的了解，并提出了各种各样的密封 理论，但仍然存在许多问题。国内外的生产厂家和科研院所对密封件的稳定性和使用 寿命研究得较少，仍然停留在现场使用记录与试验判定的阶段。至今尚未见有关机械 密封使用寿命研究的理论模型或试验研究报告，还没有建立一个比较完整的分析模 型或理论来预测机械密封的使用寿命。a 0 l e b e c k 将之形象地称为a r c h e l i s 的脚 后跟娃础3 。由于不能较准确地预测其使用寿命，工业上一方面为了保证安全生产，往 往在密封件还是完好的情况下就被拆换丢弃，造成极大浪费；另一方面则是密封件不 能被及时更换，发生严重泄漏，造成灾难。为确保生产的安全和效益，工业上非常希 望能够早期发现机械密封的失效，而不是在装置大量泄漏之后。人们迫切需要建立一 种方法，能够较准确地预测机械密封的使用状况和使用寿命，然而，这一切都要立足 于对机械密封失效机理全面认知的基础上。 4 第一章绪论 1 4 机械密封用金属波纹管 1 4 1 机械密封用金属波纹管的结构 金属波纹管通常用两种方法制造，一种是用薄壁管在模具中压制成型的挤压金属 波纹管，另一种是用一系列的薄环以其内、外径交替焊接形成焊接金属波纹管。两者 的特点如下： ( 1 ) 挤压金属波纹管成型后，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。因此，更适应容易结焦、结晶的介质中。模具 生产的液压波纹管受到材料韧性和延展性的限制，同时由于液压金属波纹管是塑性变 形成型的，波纹管刚度大部份是由材料冷作硬化形成在高温或使用较长时间后，它 的金相组织发生变化，造成应力松弛、弹力减小，密封端面无法紧密贴合、密封失效。 因此，常常与弹簧并联使用。由弹簧提供比较稳定的弹力。这种结构用于温度较高、 容易结焦、结晶场合，效果非常好。但这种并联的结构的径向尺寸大，因此，常常用 在外装式或特殊设计的泵体内。 如下图所示： 。 图l - 3 挤压金属波纹管实体模型 f i g 1 3e n t i t ym o d e lo fe x t r u s i o nf o r m e dm e t a lb e l l o w s ( 2 ) 焊接金属波纹管更适用于轴向、径向空间狭小，压缩比大，特别是接触介质成份 复杂的密封结构，其理由如下：由于它是冲压成型焊接而成的，因此可以使用各种金 属材料。焊接波纹管经热处理后，金相组织一致，形成稳定的几何形状，从而形成稳 定的波纹管刚度。因此，更适用于高温、腐蚀等介质。这种密封结构本身还具有结构 简单、尺寸紧凑、容易安装的特点。 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，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 北京化工大学硕士学位论文 的弹力与密封介质压力_ 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。 1 4 2 波纹管材料 为了克服端面磨损、介质波动、密封端面气化等因素的影响，保证机械密封端面 的稳定贴合，普通机械密封使用了大( 或小) 弹簧。为了避免弹簧的腐蚀或阻塞。可以 将弹簧设计在非介质侧，通过辅助密封圈的隔离作用保护弹簧。由于结构的原因，金 属波纹管直接接触阻隔的介质，会造成化学等腐蚀。由于金属波纹管管壁很薄 ( o 0 9 i m m ) ，其腐蚀余量非常小。在应力和腐蚀的共同作用下，即使波纹管上有很 小的腐蚀点，都可能造成裂纹，从而导致密封失效渊。因此，根据密封介质腐蚀性， 非常小心的选择金属波纹管的材质。避免密封过早的失效。根据波纹管现有的工艺条 件，在实际的制造中，波纹管材料的选择要考虑以下几点：材料的疲劳强度要高：对周 围介质的抗腐蚀能力要强。国内常用的材料是不锈钢，如o c r l 8 n i 9 ( 3 0 4 不锈钢) 、 0 c r l 8 n i 9 t i 、1 c r l 8 n i 9 、i c r l 8 n i 9 t i 等等。不锈钢具有不锈、耐酸、耐高温和高压的 优点，经过机械加工后有较高的弹性和塑性；缺点是加工