中密封環(huán)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

王玉+苗岐

摘 要：眾所周知，所有的機(jī)械都需要應(yīng)用到機(jī)械密封這一元件，機(jī)械密封元件雖然較小但是卻對機(jī)械壽命有著重要的影響作用，因?yàn)槠淠軌驔Q定機(jī)械使用的可靠性以及安全耐久性?？梢哉f密封技術(shù)并非是當(dāng)前先進(jìn)技術(shù)之一，但是卻是機(jī)械不能缺少的重要技術(shù)，而通常密封元件建立在密封環(huán)基礎(chǔ)之上，本文將通過AWE軟件（即有限元分析軟件）展開對密封環(huán)良好設(shè)計(jì)，一方面通過優(yōu)化設(shè)計(jì)將設(shè)計(jì)精度良好提升，另一方面也對新機(jī)械設(shè)備的研發(fā)起到輔助作用。

關(guān)鍵詞：機(jī)械密封；密封環(huán)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.04.035

0 前言

一般來講密封環(huán)是機(jī)械密封這一元件重要零部件，能夠?qū)C(jī)械密封實(shí)際效果產(chǎn)生直接影響，而如果是密封面在溫度改變或者是壓力變化之下也會出現(xiàn)相應(yīng)的氣密性降低或者是密封環(huán)變形狀況，最終導(dǎo)致機(jī)械密封失效。以往設(shè)計(jì)師對于密封環(huán)的設(shè)計(jì)依托的是自身設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及力學(xué)公式，對密封環(huán)結(jié)構(gòu)予以手工形式的不斷調(diào)整，調(diào)整完畢后展開試驗(yàn)，試驗(yàn)完畢后還要再調(diào)整改進(jìn)，可以說耗時耗力。而隨著現(xiàn)今科技發(fā)展以及技術(shù)更新，AWE軟件則實(shí)現(xiàn)了廣泛應(yīng)用，眾多的設(shè)計(jì)者依托AWE軟件來簡化密封環(huán)試驗(yàn)環(huán)節(jié)，減少不必要重復(fù)試驗(yàn)。

1 初探AWE軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)介紹

AWE軟件現(xiàn)今已經(jīng)被眾多領(lǐng)域所廣泛應(yīng)用，從AWE軟件本質(zhì)上講，其將優(yōu)化以及仿真和相應(yīng)的設(shè)計(jì)良好融合在一起，包含重要的設(shè)計(jì)模塊以及分析模塊和相應(yīng)的建模模塊，而本文則重點(diǎn)研究的是AWE軟件的設(shè)計(jì)模塊。從設(shè)計(jì)模塊來講，主要是探尋一種最優(yōu)化的設(shè)計(jì)技術(shù)或者是設(shè)計(jì)方案，這對于當(dāng)前眾多機(jī)械產(chǎn)品方面的形狀設(shè)計(jì)將產(chǎn)生關(guān)鍵影響作用，一些研究者依托參數(shù)技術(shù)構(gòu)建設(shè)計(jì)仿真環(huán)境，在滿足設(shè)計(jì)約束函數(shù)基礎(chǔ)之上進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，對設(shè)計(jì)參數(shù)予以不斷調(diào)整并最終實(shí)現(xiàn)目標(biāo)函數(shù)相應(yīng)極值的獲取，由此也就得到了設(shè)計(jì)上的最優(yōu)方案。其中目標(biāo)函數(shù)將結(jié)構(gòu)響應(yīng)方面參數(shù)包含在內(nèi)，如最大變形參數(shù)以及最小壽命參數(shù)以及相應(yīng)最大應(yīng)力、質(zhì)量等方面參數(shù)；設(shè)計(jì)變量則主要是講材料性能參數(shù)以及幾何尺寸參數(shù)等包含在內(nèi)；約束函數(shù)則是將限制最大變形以及限制最大應(yīng)力包含在內(nèi)。而所有的參數(shù)處于仿真環(huán)境中可以是結(jié)構(gòu)形式，也可以是幾何參數(shù)，還可以是邊界條件等等[1]。而設(shè)計(jì)模塊展開對密封環(huán)設(shè)計(jì)的時候需要是具備三個前提：其一是密封環(huán)系列零件有著相似外形輪廓，如相同尺寸大小或者是相似相關(guān)零件結(jié)構(gòu)。其二是密封環(huán)特征尺寸可以和設(shè)計(jì)參數(shù)建立起緊密的內(nèi)在關(guān)系，在參數(shù)值產(chǎn)生一定的改變的時候也可以模擬密封環(huán)驅(qū)動模型。其三是能夠依托零件尺寸的實(shí)際調(diào)整變化對密封環(huán)實(shí)際性能起到改善作用[2]。

2 探析AWE軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)程序

（1）分析密封環(huán)零件。在對密封環(huán)予以優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中首先需要分析其零件，在分析的基礎(chǔ)上構(gòu)建幾何模塊并進(jìn)行模型參數(shù)的設(shè)置，之后將設(shè)置的參數(shù)導(dǎo)入AWE軟件之中予以分析。具體以釜用機(jī)械來講，其密封面常常會在外界壓力實(shí)際作用之下出現(xiàn)一定的變形，也就是說其中密封靜環(huán)以及密封動環(huán)產(chǎn)生了一定的變形，由此機(jī)械中也會形成一定的發(fā)散間隙，這些發(fā)散間隙從外徑延續(xù)到內(nèi)徑之中，如果是密封面產(chǎn)生較大變形密封效果也會有著較大的改變。設(shè)計(jì)密封環(huán)其實(shí)歸根結(jié)底是優(yōu)化密封面或者說是控制密封面不出現(xiàn)變形。站在密封面受力層面上講，需要將密封面所承受的壓力平衡予以重點(diǎn)考慮，由此回避密封面變形或者是密封面移位等造成的密封失效狀況。釜用機(jī)械密封面多由碳化硅材質(zhì)動環(huán)構(gòu)成，有著粗壯的結(jié)構(gòu)同時具備較高彈性模量，依托AWE軟件分析其零件能夠發(fā)現(xiàn)機(jī)械密封面有效較小變形，基本上不影響其作用的發(fā)揮，而密封內(nèi)環(huán)則是由石墨材質(zhì)構(gòu)成，具備較小的彈性模量，而這也是該機(jī)械出現(xiàn)一定密封面變形的重要原因，見圖1。

（2）建立模型并劃分網(wǎng)格。依托AWE軟件建立設(shè)計(jì)模型，而設(shè)計(jì)模型建立原則為提升密封環(huán)密封精度，建立模型需要考慮以下三方面內(nèi)容：其一是釜用機(jī)械主要是密封靜環(huán)出現(xiàn)一定變形，因此只需要研究密封靜環(huán)即可；其二是密封靜環(huán)無論是邊界條件還是相應(yīng)的幾何形狀均具備對稱性，因此可以展開有效的二維分析；其三是建模應(yīng)用密封靜環(huán)實(shí)際縱截面即可。由于受到O形圈以及相應(yīng)軸徑實(shí)際尺寸方面限制進(jìn)而劃分出固定零件尺寸以及變化零件尺寸，一般固零件尺寸不會對密封靜環(huán)產(chǎn)生變形影響，而變化零件尺寸即可變參數(shù)則常常對密封靜環(huán)形成變形影響，在建立設(shè)計(jì)模型之后就需要智能化的良好劃分網(wǎng)格，依據(jù)釜用機(jī)械密封結(jié)構(gòu)，其網(wǎng)格劃分為眾多的單元以及節(jié)點(diǎn)，見圖2。

（3）優(yōu)化變形參數(shù)。在依托AWE軟件建立設(shè)計(jì)模型并劃分網(wǎng)格之后就需要優(yōu)化密封靜環(huán)變形參數(shù)，AWE軟件能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)模型中的變形參數(shù)統(tǒng)計(jì)出來，之后和正常釜用機(jī)械密封靜環(huán)參數(shù)予以比對，調(diào)整變形密封靜環(huán)實(shí)際參數(shù)，促使其接近標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)或者是和正常機(jī)械密封靜環(huán)參數(shù)相同。由此促使釜用機(jī)械在仿真模擬環(huán)境之下實(shí)現(xiàn)密封實(shí)際精度的提升，為釜用機(jī)械強(qiáng)化密封效果奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[3]。

3 結(jié)語

綜上分析可知，時代發(fā)展以及社會更新，機(jī)械設(shè)備密封性成為了大眾關(guān)注的焦點(diǎn)，因?yàn)橛捎跈C(jī)械密封性差會引起一定的經(jīng)濟(jì)損失以及人員傷亡，由此當(dāng)前眾多的研究學(xué)者開始關(guān)注機(jī)械設(shè)備密封性，而一些機(jī)械設(shè)計(jì)師更是對密封環(huán)依托AWE軟件予以了良好優(yōu)化設(shè)計(jì)，而建立在AWE軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)密封環(huán)基礎(chǔ)之上則最可以將密封環(huán)設(shè)計(jì)周期大大縮短。本文將對機(jī)械密封起著重要影響作用的密封環(huán)設(shè)計(jì)作為研究核心，期望為密封環(huán)方面的研究提供理論上的參考依據(jù)，更旨在為未來機(jī)械密封的優(yōu)化獻(xiàn)出自己的一份研究力量。

參考文獻(xiàn)：

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