（机械工程专业论文）镶嵌密封环结构优化研究.pdf

鼎 学位论文数据集 中图分类号 t h l 3 学科分类号 4 6 0 1 5 4 0 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 1 0 0 0 0 4密级 学位授予单位代码 1 0 0 lo 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名贺宝海 学号 2 0 0 6 0 3 0 0 0 4 获学位专业名称机械工程获学位专业代码 0 8 0 2 课题来源 企业课题研究方向 化工机械 论文题目镶嵌密封环结构优化研究 关键词镶嵌密封环，结构优化，过盈量，应力分析 论文答辩日期 2 0 l o 1 2 6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1 蔡纪宁高工北京化工大学流体密封 丹东克隆集团 指导教师2郭文高高工流体密封 有限责任公司 评阅人t张连凯副教授北京化工大学矿上机械 评阅人2侯俊达高工华电抗磨有限公司机电工程 徽员会拂王奎升教授北京化工大学流体机械 答辩委员1张秋翔高工北京化工大学流体机械 中国石化集团北京 答辩委员2李国昌高工燕山石油化工有限化工机械 公司 答辩委员3张东胜 副教授北京化工大学机电工程 征：一 四 论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 中图分类号在( ( 中国图书资料分类法查询。 学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t1 3 7 4 5 9 ) 学科分类与代码中 查询。 论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 论文 环的作用 实验研究 论文 和变形量 特点和规 通过 种问题， 分析 型结构镶 试验 明显改善 产企业及 关键词： 北京化t 大学工程硕l 学位论文 s t r d e v t h ef h n c t i o no fi n l a i ds e a ld n ga r ei n t r o d u c e di nt h i sp 印e r r e g a r d i n gt h e c u r r e n tp r o b l e m se x i s t i n gi ni n l a i ds e a lr i n g ，t h ei m p r o v e m e n tp r o g r a mi s p r o p o s e da n de x p e r i m e n tr e s e a r c hi sm a d e w o r k i n gp r i n c i p l eo fi n l a i ds e a lr i n ga n dc a l c u l a t i o nf o rv a d o u ss t r e s s a n dd i s t o r t i o nv a l u eo fi n l a i ds e a lr i n ga i ee l a b o r a t e d c a l c u l a t i o na n a l y s i si s a l s om a d ef o ri n l a i ds e a 】r i n gw i t hd i f r e r e n tm a t e r i a lc o m b i n a t i o n s ，t h e r e s p e c t i v ec h a r a c t e 订s t i c sa n d l a w sw h i c hh a v e b e e na p p l i e dt ot h es t u d yo ft h e n e ws t m c n l r e sa 1 es u m m a r i z e d 、m t had e t a i l e da n a l y s i so nt h ei n l a i ds e a l n go fr i p p l et u b ec 0 1 1 a 卜h e a d ， t h ep r o b l e m sw h i c he x i s ti nd i f f e r e n tc i r c u m s t a n c e sa r ep r o v i d e d t w ok i n d s o fp r a c t i c a ls t r u c t u r e sw h i c hh a v eb e e ni m p r o v e da r eo f - f e r e d t h ec o n d i t i o n so fm o u n t e dg r a p h i t en n gw h i c hi su s e du n d e rh i g h p r e s s u r ea r ea l s oa n a l y z e d z s h a p em o u n t e dr i n ga n dm o u n t e dr i n gw i t h s u p p o r tw a s h e ra r ep r o p o s e d e x p e r i m e n ta n do n t h es p o ta p p l i c a t i o ns h o wt h a t ，c o m p a r e dw i t ht h e 北京化t 火学工程硕i ：学位论文 目录 目录 第一章绪论1 第二章密封环镶嵌的计算方法9 2 1 密封环镶嵌的应力计算9 2 1 1 厚壁圆筒理论9 2 1 2 薄壁圆筒理论1 2 2 1 3 两种计算方法之间的关系1 3 2 2 密封环镶嵌的变形量计算1 3 2 2 1 镶嵌的最小过盈量1 3 2 2 2 镶嵌的最大过盈量1 3 2 3 密封环镶嵌的温度计算1 4 2 3 1 最高使用温度计算1 4 2 3 2 镶嵌加热温度的确定1 6 2 4 小结1 6 第三章不同材料的镶嵌计算分析1 7 3 1 镶嵌石墨环片1 8 3 1 1 应力和过盈量计算1 8 3 1 2 最高使用温度计算1 9 3 1 3 综合计算1 9 3 1 4 尺寸对计算结果的影响2 1 3 2 镶嵌硬质合金环片2 2 3 2 1 安全系数2 2 v 1 3 5 6 7 e 一 一 一题 一 1j 一 一 一问 一 i， 一 一 一要 一 一 一用主 一 一 一作的 一 一 一的决 一 一 一环解 一 一史封要 一 一历密需 一 一展嵌环 一 一发镶封 一 一的中密 一 一封封嵌 一 一密密镶 一 言械械前结前机机当小 l 2 3 4 5 上，l 1 l 1工 北京化t 大学工程硕士学位论义 3 2 2 冷作硬化现象2 3 3 2 3 环片和环座的厚度比2 5 3 3 两种计算方法的偏差2 6 3 4 小结2 7 第四章镶嵌结构优化研究2 9 4 1 波纹管环座的结构优化2 9 4 1 1 传统环座结构分析3 0 4 1 2 分体环座结构分析3 2 4 1 3 新环座结构分析3 3 4 2 环片截面形状分析3 5 4 3 环座空刀结构分析3 5 4 4 高压镶嵌石墨环的结构优化3 6 4 4 1z 型高压石墨镶嵌结构3 6 4 4 2 带支撑圈的高压石墨镶嵌结构3 7 4 5 小结3 8 第五章镶嵌优化结构的试验研究与应用3 9 5 1 小环座环头与老式环头对比试验3 9 5 2z 型环座镶嵌石墨环应用4 1 5 3 带支撑圈镶嵌石墨环的应用4 3 5 4 小结4 3 第六章总结4 5 6 1 结论4 5 6 2 展望4 5 参考文献4 7 致谢4 9 v i v l l 北京化t 大学工程硕 ：学位论文 目录 c 0 n t e n t s c h a p t e rl i n t r o d u c t i o n 1 1 1p r e f a c e l 1 2t h eh i s t o 巧o ft h em e c h a l l i c a ls e a l 3 1 31 1 1 er o l eo f i n l a i ds e a ld n gi nm e c h a j l i c a ls e a l 5 1 4t h em a i np r o b l e mt ob es o l v e di ni n l a i ds e a lr i n g 6 1 5s u m m a r y 7 c h a p t e r2c o m p u t i n g m e t h o do fi n l a i ds e a lr i n g 9 2 1s t r e s sc a l c u l a t i o no fi n l a i ds e a l n g 9 2 1 1t h e o r yo fm i c kc y l i n d e r s 9 2 1 2t h e o 珂o f m i n w a l l e dc y l i n d e r 1 2 2 1 3t h er e l a t i o n s h i pb e 铆e e i lt i l et w oc a l c u l a t i o nm e t h o d s 1 3 2 2d e f - o 肿a t i o nc a l c u l a t i o no f i n l a i ds e a lr i n g 1 3 2 2 1m i n i m u m 锄o u n to f i n t e r f e r e i l c e 1 3 2 2 21 1 1 em a x i m u m 锄o u n to f i n t 晌e n c e 1 3 2 3t 肌p e r a c “簟c a l c u l a t i o no f i n l a i ds e a lr i n g 1 4 2 3 1c a l c u l a t i o no f t h em a x i m u mt e m p e r a t u r e 1 4 2 3 2d e t e n l l i n et h eh e a t i n gt e m p e r a t u r e i o 2 4s u m m a r v l o c h a p t e r 3i n l a i dc a l c u l a t i o no fd i f l l e r e n tm a t e r i a l s 1 7 3 1c a l c u l a t i o no f i n l a i dp l 啪b a g oc i r c u l i 1 8 3 1 1c a l c u l a t i o no fs t r e s sa n dt h ea m o u n to fi n t e r f e r e n c e 1 8 3 1 2c a l c u l a t i o no f t h em a x i m u mt e m p e r a t u r e ：1 9 3 1 3i n t e g r a t i o nc a l c u l a t er e s u l t 1 9 3 1 4t h ei m p a c to fs i z eo nm ec a l c u l a t i o nr e s u l t s 2 l 3 2c a l c u l a t i o no fi n l a i dh a r da l l o y 2 2 3 2 1s a f e t vf a c t o r 2 2 3 2 2c 0 1 dh a r d e n i n g 2 3 l x c h a p t e r4o p t i m i z a t i o no fi n l a i ds t r u c n i r e 2 9 4 1s t m c t u r a l i m p r o v e n l e l l to f b e l l o w ss e a tr i n 擎2 9 4 1 1s t m c t u r a la n a l y s i so ft r a d i t i o n a ls e a tr i n g s 3 0 4 1 2s t m c t l u a la n a l y s i so f s e 铲e g a t es e a t n g s 3 2 4 1 3s t m c 仙r a la n a l y s i so f n c w s e a t 矗n g s 3 3 4 2 s h 印ea n a l y s i so fr i n gp l a t ec r o s ss e c t i o n 3 5 4 3s 咖咖a la i l a l y s i so fc l e a r a n c e 目d o v eo fs e a tr i n g s 3 5 4 4s t m c t u r a li m p r 0 v e m e n to fi n l a i dp l u m b a g oc i r c u l iu n d e r h i 曲p r e s s u r e 3 6 4 4 1 z 。s h a p em o u n t e dr i n gu n d e rh i g hp r e s s u r e 3 6 4 4 2m o u n t e d 鲫h i t er i n gw i t t ls u p p o r tw a s h e r 3 7 4 5 s u m m a 巧3 8 c h a p t e r5e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h 3 9 5 1 c o m p a r i s o nt e s to fs m a l ls e a tr i n g sa 1 1 do l ds e a tr i n g s 3 9 5 2a p p l i c a t i o no f z - s h a p em o u n t e dr i n g 4 1 5 3 。a p p l i c a t j o no fm o u n t e d n gw i t hs u p p o nw a s h e r 4 3 5 4 s u m m a r y 4 3 c h a p t e r6c o n c l u s i o n 4 5 6 1 c o n c l u s i o n 。- - - - 4 5 6 2o u t l o o k 4 5 r e f e r e n c e s 4 7 t h a n k s 4 9 a u t h o ra n dt u t o r 5 l 符弓说明 一 符号说明 圆筒径向应力，m p a 圆筒周向应力，m p a 圆筒所受内压，m p a 圆筒所受外压，m p a 环的外径，i i l m 环的内径，m m 环座单边厚度，m m 泊松比 位移，n l i n 弹性模量，m p a 材料屈服强度，m p a 温度， 工作温度与常温的差值， 材料的线膨胀系数，。 镶嵌尺寸，m m 过盈量，m m 在工作温度t 时的过盈量，i 姗 镶嵌配合直径，m m 圆筒内力，n 安全系数 听 印 胁 娜 口 6 ， v ” e 魄t 郜 a d 6 越 d ， k 北京化工人学t 程硕i ：学位论文 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 流体机械可以分为两类，一类是将流体本身的能量转换成机械能，如水轮机或汽 轮机；另一类是利用机械能使流体获得一定能量，如水泵和压缩机。为实现这个目的 常用两种办法，一种是靠容积变化来转换能量，所以称为容积式流体机械；另一种是 靠速度来转换能量，也称为旋转式流体机械。不论是哪种流体机械，都具有固定部分 和运动部分，两者之间存在着相对运动从而实现能量的转换。 由于工作介质是流体，所以在固定部分和运动部分之间的相对运动表面上往往会 发生流体泄漏。泄漏会使流体机械效率降低，如果工作介质是有害的，泄漏还会形成 环境污染。所以在流体机械上采用各种措施来减少或避免工作介质的泄漏，这些措施 称为密封。 早期的比较简单的密封是填料密封以及各种唇式结构的密封，这些弹性密封元件 必须在相对运动表面上施加一定的弹性压力才能实现密封，所以形成很大的摩擦阻 力。同时在使用过程中一旦这些弹性元件的工作表面磨损或弹性下降，密封效果也随 之下降，当流体机械的工作压力r 益提高而相对运动速度也越来越大时，仅靠密封元 件本身的弹性变形来实现密封已无法满足j 下常工作和寿命方面的需要。 为了适应流体机械发展的更高压力和更高相对速度需求，采用更加而寸磨材料并利 用动与静部件之间摩擦所形成的流场压差来实现密封，而当这些材料磨损时能自动对 密封问隙进行补偿，从而保证密封装置能具有一定的工作寿命，由于这种密封方式是 建立在机械摩擦基础上，所以用这种原理和元件所形成的密封称为机械密封。 r 一一一一一一i 一一1 巫豳i 匿至壁 三一一一上上一一。 一一- - f - 一 图1 1 机械密封结构示意图 f i gl ls c h e n l a t j cd i a g r a mo fm e c h a n i c a ls e a l 北京化t 大学t 程硕：学位论文 机械密封的结构是多种多样的，最简单的结构如图1 1 所示，机械密封安装在旋 转轴与泵盖所构成的筒状的密封腔内，动环1 、动环密封圈2 、弹簧3 、传动座4 、顶 丝5 ，它们随轴一起旋转，称为动环组件。机械密封的其它零件，静环6 、静环密封 圈7 和防转销8 ，安装在与机体用双头螺栓联结的端盖内，不旋转，旋转轴贯穿其中， 相互不接触，称为静环组件。 弹簧座用紧定螺钉固定在轴上，弹簧加载使动环与静环相互贴合，构成密封端面。 动环通过动环密封圈支撑在轴上，静环通过静环密封圈支撑在端盖内，防转销固定在 端盖上，插入静环的槽中，以防转动。 机泵运转时密封腔内充满输送液体介质，液体介质会在端面之间形成液体膜，动 环旋转时这层液体膜起润滑作用，保证密封端面相对高速旋转而不被磨损；密封端面 的平面度很高且粗糙度极低，保证相对旋转的端面之间可以保证持稳定的液膜间隙， 从而阻止流体从端面之间泄漏，实现密封的目的。 这里，动环组件中包括弹性元件一弹簧，又被称为补偿环组件；同理，静环组件 中没有弹性元件，又被称为非补偿环组件。这样的补偿环用作动环的密封叫旋转型密 封。如果补偿环用作静环，则称为静止型密封。 密封环长时间旋转会发生磨损，这时在弹簧作用下，动环密封圈会同动环一起向 静环侧滑动，保证端面始终贴合，补偿环辅助密封圈是动态的，必须具有浮动性，同 时还要保证密封性，所以其必须具有良好的弹性。实际上，即使端面没有磨损，由于 安装误差等因素也会导致补偿环辅助密封圈处于微幅高频振动状态，会有不同程度的 磨损现象，因而有别于非补偿环辅助密封圈。 通最常用的补偿环辅助密封圈是合成橡胶。形圈，以及聚四氟乙烯加工的v 形 圈和楔形圈。 为了消除滑移密封圈磨损的问题，人们把焊接金属波纹管技术应用到于机械密 封，会属波纹管密封结构如图1 2 所示。 r ；，。，：、。、t i ，i 一一 一 ， ，- 一一 i 一一 一 _ 、i1 ， 嬲轳0 i i7 一i i l 一 硝环卺堑 眨渡锰管龟“佟t 暑 匿 j 。；镪li 图l - 2 金属波纹管密封结构示意图 f 蟾l 一2s c h e m a t i cd i a 伊姗o fm e t a lb e l l o w ss e a l 2 第一章绪论 动环组件包括金属波纹管组件1 、辅助密封圈2 、紧定螺钉3 ，属于补偿环组件： 静环组件与前面的弹簧密封相同。 这里的辅助密封圈与弹簧密封的动环辅助密封圈不同，它是静止的，不需滑移的， 不存在动态磨损问题。 可见，金属波纹管密封明显区别于弹簧密封的补同时省掉了滑移的辅助密封圈， 消除了因辅助密封圈动态磨损导致失效的可能。 弹簧密封的补偿环辅助密封圈还有一个严重的不足之处，就是它们的使用温度受 到很大限制，通常不会超过4 0 2 0 0 。这无疑限制了密封的使用范围。 图1 2 的金属波纹管密封只要把原动静环辅助密封圈改为柔性石墨，工作温度范 围就可以达到1 5 叫0 0 ，大大拓宽了机械密封的温度范围。 1 2 机械密封的发展历史 本世纪初，在机械制造业中出现了简单的机械密封。1 8 8 5 年在英国首先有人申请 机械密封的专利，并于1 8 9 0 年用于轴承密封。以后，逐步在制冷压缩机和内燃机冷 却水泵上获得了数量较多的应用。1 9 3 0 年美国e g & gs e a l o l 公司率先研制出平衡 型机械密封，用于7 3 5 k w ( 1 0 0 0 h p ) p a l v r w i t n e y 发动机上，大大改善了该发动机 的性能。 第二次世界大战以后，随着石油化工工业的发展，以及材料和技工技术的提高， 机械密封技术有了较快的发展。1 9 5 4 年出现了密封环用碳石墨、硬质合金、陶瓷等材 料，加工精度大为提高，表面粗糙度由r a 0 4 岬提高到r a o 2 o 1 i 吼。1 9 5 7 年美国 e g gs e a l o l 公司研制出焊接金属波纹管机械密封，机械密封获得了更广泛的使 用。美国、西欧、日本、苏联等国家都开始萨规生产机械密封，以及至石油化工工业 竟规定炼油厂、泵站和油轮非使用机械密封不可。 近3 0 年来，随着原子能、宇航、核电工业的发展，1 9 6 1 1 9 6 3 年出现了高参数的 热流体动力机械密封；1 9 7 7 年出现了以碳化硅和硅化石墨为摩擦副的机械密封。从而 使机械密封达到新的水平。目前，其性能参数己达到：p = 4 2 m p a ，t = 1 9 0 4 5 0 ， v = 1 5 0 州s 。 我国机械密封技术发展起步较晚，但发展速度较快。早在5 0 年代未，兰州炼油 厂就开始研制泵用机械密封的配件，使用在苏联进口的离心泵上。 与此同时，原第一机械工业部通用机械研究所成立密封研究组，开始系统研究密 封装置。在6 0 年代，沈阳水泵厂、上海水泵厂和天津机械密封件厂等相继丌始生产 机械密封。 1 9 6 5 年，由第一机械工业部组织通用机械研究所等单位开展泵用机械密封联合设 计。1 9 6 9 年全国第一届密封技术交流会在天津召开，与会代表6 0 余人，论文2 0 余篇。 3 需研制追随性特别优异的机械密封，以适应精度不高的大型设备。如橡胶隔膜式、 带球面中问环式差动式、摩擦副双浮动式机械密封。 关于p v 值方面： 在现行材料基础上，研制非接触式流体动压型机械密封，以提高机械密封的使用 p v 值，其发展方向是减少泄漏，提高工作稳定性。 关于密封材料方面： 机械密封摩擦副材料的组对，通常一方是以碳石墨为代表的软质材料；另一方则 是以硬质合金、陶瓷为代表的硬质材料。辅助密封圈的材料则是以通用合成橡胶、聚 四氟乙烯为代表。这些材料与国外同类材料相比，其物理力学性能有较大的差距，如 何提高其性能是当前需解决的问题。 关于机械密封的合理使用方面： 密封系统的元件无系列产品，要求系列化与密封产品配套供应，以提高密封的性 4 第一章绪论 能及使用寿命。这就需要建立技术诊断，失效分析与密封状态的监控技术。 关于经济性方面： 现有机械密封的售价较高，因此应设法降低成本。然而，追求经济性不应以降低 密封性能为前提，为此可以从以下几方面着手：1 ) 利用标准化、系列化降低成本；2 ) 利用互换性、通用性减少库存；3 ) 通过改进加工工艺，实现批量化生产等手段来降 低成本。 1 3 机械密封中镶嵌密封环的作用 图l 一1 中的动环就是一个镶嵌密封环，它有两个部分，一个是矩形硬质合金的端 面，我们称为环片，另一部分叫环座，是金属件。环片外圆柱面被环座紧紧地箍住， 成为刚性的一体。 图1 1 中的动环也可以做成整体环，通常由两种方法，一是采用同种材料，如硬 质合金或者碳化硅，加工而成；另一种方法也可以采用金属加工，再在端面堆焊硬质 合金或者喷涂陶瓷层。后者虽然不是同一种材料，但通常也看做整体密封环。 通过对比可以更清楚地了解镶嵌环的概念。 同样地，图1 2 中的金属波纹管组件的环头部分，也是镶嵌密封环。 镶嵌，可以通过先加热会属环座，使其受热膨胀，然后把环片放入其中，待环座 冷却时就把环片紧紧地箍住，实现过盈装配。也可以把环片直接用压力压入金属坏座， 实现过盈装配。 本文当中所指的镶嵌，都是指这种刚性的过盈装配。 镶嵌密封环最容易看到的优点，是节省硬材料，方便加工，其实远不止于此： 1 ) 起初，波纹管环头不管端面是硬端面还是软端面，都是采用辅助密封圈结构 与环座相连接的，相当于弹簧密封的非补偿环的辅助密封圈，相对于镶嵌而言，被称 之为浮装。如图1 3 所示，这样的环头尺寸很大，结构复杂。 gj 浮爰环关：c ，谚：灭。矢 图l - 3 金属波纹管密封环头结构 f i gl 一3c o l l a r - h e a ds t n l c t u r eo fm e t a lb e l l o w ss e a l 5 北京化工人学1 = 程硕一l ：学位论文 采用镶嵌结构，不用辅助密封圈，直接利用材料的弹性，采用过盈配合的方法使 端面镶嵌在金属环座中，过盈配合使得端面和金属环座紧紧合为一体实现密封和传 递扭矩的功能。 镶嵌工艺使得环头的加工成本明显降低，结构的简化使得尺寸也可以缩小。 2 ) 随着镶嵌工艺的日趋完善，为了进一步节约硬质合金材料，逐步地，不仅波 纹管环头部分采用镶嵌结构，普通结构的动环和静环也大量采用镶嵌结构。 3 ) 一些结构有特殊要求的密封环，整体硬质合金或碳化硅很难加工，采用镶嵌 结构后复杂的结构可以在金属环座上很简便地加工出来。 4 ) 石墨端面，由于材料本身的弹性模量相对较低，抗变形能力较弱，为此，可 以采用镶嵌结构，把石墨密封环片过盈镶嵌到金属环座内，由于金属的弹性模量比石 墨高很多，所以镶嵌后石墨端面的抗变形能力可以明显改善。 5 ) 通常情况下，密封环都是承受外压的，即密封环外部压力高于内侧压力。常 用的端面材料，石墨、硬质合金、陶瓷等，都是抗压强度高于抗拉强度，即抗压不抗 拉，在承受外压时密封环承受压应力，这是有利的。但也有很多时候，密封环是承受 内压的，即密封环内侧压力比外侧压力高，这时密封环承受的是拉应力，这是很不利 的。 此时，镶嵌环就表现出其优越性了，镶嵌环是过盈的，环片受压应力，金属环座 受拉应力。当密封环承受内压时，压力通过环片传到金属环座上。可以计算，镶嵌环 环片和环座之间的径向压应力通常为几m p a 到几十m p a ，相比之下这个内压小得多， 不足以使环座伸长量超过镶嵌过盈量，即环片仍然处于压应力状态。 整体石墨环，碳化硅等陶瓷密封环，甚至硬质合金环，在承受内压时都有断裂的 危险，镶嵌密封环在承受内压时就没有这个问题。 6 ) 硬质合金密度高，碳化硅密度不高但抗拉强度低，当密封转速很高时，高速 产牛的巨大离心力会使密封环的周向应力过大发生断裂。因此，高速密封的动环常常 镶嵌一个金属护圈，以增加防止密封环碎裂。 7 ) 最新的镶嵌结构，是在外部高压条件下，为了提高石墨材料的抗压能力，在 石墨环内侧镶嵌一个会属支撑圈，把石墨环片受到的压应力传递给金属支撑圈，这样 就可以大大提高石墨端面的使用压力极限。 1 4 当前镶嵌密封环需要解决的主要问题 镶嵌密封环已经在工业上广泛使用，尤其是在石油化工行业的各种工作环境下起 到很好的密封作用，但是作为一种系列定型产品，其无论从结构设计、加】：装配工艺 中尚存在很多需要解决的问题，其中比较明显地集中在以下两个方面： 1 ) 环片脱落现象 6 第一章绪论 在高温工况下，镶嵌密封环仍有部分脱落的现象，主要原因是尽管高温工况采用 低膨胀合金制造环座，当规格偏小时加热温度不能无限提高，环座的热膨胀量不够， 致使设计过盈量值不能取得足够大。此外，材料选择的不合理，镶嵌参数与使用条件 的不匹配，镶嵌结构的不理想，都可能使镶嵌出问题导致掉环等。 2 ) 镶嵌导致的变形加大 由于镶嵌结构所必需的，环片和环座之间必须有足够的过盈才能保证实现密封和 传动功能，所以环片和环座之间必然存在很大的装配应力。正是由于这种应力的存在， 当镶嵌结构做得不够合理时会使得镶嵌密封环在使用压力和温度变化时会产生一些 不利的影响，导致密封端面变形过大，从而导致密封失效。 1 5 小结 机械密封是应世界工业发展而得以发展，从诞生至今其结构上发生了很大变化， 性能也在逐步提高。今天机械密封在工业各行业上得以广泛使用，尤其是在石油化工 行业的各种工作环境下起到很好的密封作用。 金属焊接波纹管密封依靠波纹管弹性来实现补偿，同时消除了弹簧密封的滑动的 辅助密封圈，杜绝了因辅助密封圈磨损和泄漏堆积导致的密封失效，还极大地拓宽了 机械密封的使用温度范围，是当前石油化工行业广泛应用的一种机械密封装置。 金属波纹管密封的坏头基本都采用镶嵌式结构，和其它镶嵌密封环一样，镶嵌环 的环座和环片之间要保持密封，还要传递扭矩，所以镶嵌结构和工艺设计是保证其正 常工作的关键，论文将以波纹管密封环头为主要研究对象，探讨相关基础理论、数值 分析计算、工作环境模拟、最后通过试验验证，为提高产品质量打下基础。 7 北京化t 人学t 程顾十学位论文 8 第二章密封环镶嵌的计算方法 第二章密封环镶嵌的计算方法 镶嵌就是把石墨或者硬质合金和陶瓷端面镶嵌到金属环座中，使两部分之间靠过 盈配合起到传动和密封作用。镶嵌后的密封环，环片外圆面受环座的径向压应力，产 生环向压应力；环座内径表面受环片的径向压应力，产生环向拉应力。如图2 。1 所示。 一_ 卜。厂、i 乍7 摧 义 涉 图2 一l 镶嵌过盈示意图 f i g2 - ls c h 锄a t i cd i a g r a mo fi n l a i di n t e 觚c e 由于这些装配应力的存在，使得镶嵌密封环在结构设计、参数确定、应用条件等 方面与整体密封环有较大的不同，密封环镶嵌结构的微小变化都可能对镶嵌后密封坏 的性能产生很大影响，这已经在实际应用中得到大量的印证。 只有先进合理的结构设计，合适的镶嵌工艺参数，才能加工出性能可靠的镶嵌密 封环。首先我们看看镶嵌密封环都需要进行哪些计算。 2 1 密封环镶嵌的应力计算 2 1 1 厚壁圆筒理论 厚壁圆筒就是具有较大壁厚的圆筒。厚壁圆筒的应力计算模型如图2 2 所示，计 算推导比较复杂，这罩省略，直接给出结果： 9 图2 3 受内压厚壁圆筒麻力图 f i g2 3s t r e s sd i a g r a mo ft h i c k w a l l e dc y l i n d e rw i t hi n t e m a lp r e s s u r e 对于外筒，即环座，相当于受内压，如图2 3 ，其内表面( f a ) 处： 环座外表面( r ：b ) 处： 外筒的位移，即环座半径拉伸量： l o ( 2 1 ) ( 2 2 ) n 黔、 么，”1 l 心 、 一 !j兰n 口一6 一 p = = r 伊 1 3 盯 2 一口丝：一一6 o p | | = r p 仃 口 第二章密封环镶嵌的汁算方法 式中：，广材料的泊松比； 口l6 2 + 口2l 邓n 瓦【- 万了w 2j b 一一q 一 一一o ( 2 3 ) 图2 - 4 受外压厚壁圆筒应力图 f i g2 - 4s e s sd i a g r 锄o ft h i c k - w a l l e dc y l i n d e rw i t he x t e m a lp r e s s u r e 对于内筒，即环片，相当于受外压，如图2 4 ，其内表面( r = a ) 处： p - 0 k 一辫 环片外表面( f b ) 处： 盯r = 一p 6 口：+ 6 ： 卜一耽丽 内筒的位移，即环片半径收缩量： 一几百l 万了叫1j 6 口2 + 6 2 从厚壁圆筒推导出来的结果来看，筒壁的内外表面的径向应力和周向应力都是不 等的。 分别比较环座和环片各自的内外表面周向应力，显然内表面大于外表面，因此都 应以内表面周向应力值来校核环座和环片的强度。 ) ) ) 4 5 石 2 2 2 ( ( ( 北京化t 大学t 程硕：学位论文 薄壁圆筒理论 圆筒的壁厚t 远小于它的直径。时( 例如t 昙) ，称为薄壁圆筒。对于一段 6 的圆筒，受内部压力，如图2 5 ，只取上面的一半，内部压力p 对半圆筒向 用力f l = p 6 d ，上下两半圆筒之间的拉力为f 2 = 2 6 6 l ，由平衡条件y - o 得： 2 g 协一p 6 d = 0 得： 仃：丝 2 f 中：o 一周向拉应力； 坤向压应力； t - 环座单边厚度( m m ) ； ( 2 7 ) ( 2 8 ) 这是按薄壁容器受内压计算的，当受外压时，这个结果同样有效。镶嵌密封环的 环座相当于受内压的圆筒，环片相当于受外压的圆筒。 显然，这里的周向应力为整个壁厚的平均周向拉应力。 公式( 2 8 ) 为周向应力与径向应力的关系，可以互为求解。 在密封规格不是很小，计算精度要求又不高的情况下，可以通过这个比较简单易 懂的算式，方便地得出环座和环片的应力值。 图2 - 5 薄擘圆筒计算模犁 f i g2 - 5c a l c u l a t i o nm o d e lo ft h i i l - w a i l e dc y l i n d e r 1 2 第- 二章密封环镶嵌的汁算方法 2 1 3 两种计算方法之间的关系 厚壁筒推导出来的公式( 2 一1 ) ，当把密封环看做薄壁圆筒时，椭，环座内表面 ( r = a ) 处拉应力为： 口2 + 6 2 o 82p 4 而 2 见面厕砚鲁= 譬 协9 ， 结果与厚壁圆筒计算公式完全一致。 可见，薄壁圆筒推导出来的计算公式是厚壁圆筒的特例，是厚壁圆筒特殊情况下 的简化形式，只适用于规格较大的时候，后者精度更高，适用于任何规格，缺点是计 算过程复杂。 本文中为简便起见，又保证足够计算精度，计算实例取偏大的规格，所以采用相 对简单的薄壁圆筒理论。 2 2 密封环镶嵌的变形量计算 2 2 1 镶嵌的最小过盈量 镶嵌首先要确定合适的过盈量，起码的要求是使用时必须满足镶嵌面的传动和密 封功能。那就是说过盈量定有一个最小值。 关于最小值，计算传动需要的转矩非常麻烦，而且影响因素很复杂，很难得出准 确结果，所以我们采用一个简便的办法，就是通过实验来确定镶嵌密封环的最小过盈 量，实践表明，镶嵌密封环的最小过盈量不小于直径的o 0 2 ，就能可靠地保证镶嵌 密封环的传动和密封性能，一般保证不小于o 0 1 o 0 2 m m 。 2 2 2 镶嵌的最大过盈量 镶嵌最大变形量受材料强度的限制。 当把环座和环片都看做薄壁圆筒时，镶嵌时环座和环片承受的拉应力和压应力分 别可以视为均匀一致的，这样的话计算得以大大简化( 当需要更为精确的计算时应该 采用厚壁圆筒计算) 。 计算前先约定一下，所有环片参数的下标为l ，环座参数的下标为2 。 对于环座来说，镶嵌时是拉伸过程，设镶嵌前后内径尺寸变化为晚，则有： 2 3 2 3 f ， 盯22 盯l ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 与材料的 为6 i ，则 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 力是相等 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 第二章密封环镶嵌的计算方法 镶嵌环的环片和环座由于材质不同，各自有不同的线膨胀系数，有的可能差别很 大，常温状态下计算出来的过盈量，在温度变化后，必将发生变化。 比如，环片线膨胀系数为仅l ，常温下的镶嵌尺寸为d l ，则当温度升高t 后的镶嵌 尺寸应为： d ：= d l + d l 木口l 奉t ( 2 1 8 ) 同理，环座线膨胀系数为仅2 ，常温下的镶嵌尺寸为d 2 ，则当温度升高t 后的镶嵌 尺寸应为： d ：= d 2 + d 2 木口2 宰t ( 2 一1 9 ) 如果常温下设计的过盈量为萨d 1 d 2 ，则升高t 后的残存过盈量6 应为： 的划卜疋羔z 篡篡嚣“2 懈2 蚰d 协2 。， = 万一( 口l 木d 一口2 木d ) t 。 由于d l 和d 2 只差一个相对来说很小的过盈量值，可以忽略，所以可以用同一个 尺寸一镶嵌直径d 来代替，则有： 万= 万一d ( 口l 一口2 ) t ( 2 2 1 ) 式中：扛在工作温度t 时的过盈量( m m ) ； 江常温镶嵌时的过盈量( m m ) ； t _ 一工作温度与常温之差( ) ； 投l 、倪广坏片和环座材料的线膨胀系数( 1 ) ； d 一镶嵌配合直径( n u n ) ； 若用线膨胀系数不同的材料进行镶嵌，应保证其在工作温度时仍有一定的过盈 量： 一般要求j 三o 0 2 m m 。 式( 2 2 1 ) 反过来，得出常温时的镶嵌过盈量： 万= o 0 2 + d ( 口l 一口2 ) t ( 2 2 2 ) 变换可得： t ( 万一o 0 2 ) ( 口l 一口2 ) d ( 2 2 3 ) 此为环片和环座材质确定条件下，镶嵌密封坏可以使用的最高温度。 从计算表达式可以看出，温度变化导致过盈量的变化，主要取决于两种材料的线 膨胀系数的差别，差值越大，变化越大。可见，要想提高使用温度，最有效的方法， 就是采用线膨胀系数相近的材料进行镶嵌，例如，采用低膨胀合金4 j 4 3 、钛合金等， 它们的线膨胀系数与石墨和硬质合会很接近。 ( d ) 大出= 0 1 0 完成过盈镶嵌。于 ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) 本章详细介绍了镶嵌应力的两种计算方法，对镶嵌设计的应力和变形量，以及镶 嵌密封环的最高使用温度和镶嵌时的加热温度，都进行了细致的推演，推导出了镶嵌 密封环比较完整的计算公式。 镶嵌后的密封环，环片外圆面受环座的径向压应力，产生周向压应力；环座内径 表面受