全屏蔽金屬波紋管旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)密封裝置①

，，　，雙喜

(1.中國(guó)核電工程有限公司，北京　100840;2.北京化工大學(xué)，北京　100029;3.北京京城環(huán)保股份有限公司,北京　100029)

在核電站等受核輻射的場(chǎng)合，采用鉛板、鋼板或墻壁等措施屏蔽輻射是常用措施之一。在需要穿墻進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)或往復(fù)操作時(shí)，其密封問(wèn)題要求高、難度大。動(dòng)態(tài)密封總是存在著某種程度的泄漏，為了使密封更有效，通常采用更復(fù)雜的密封結(jié)構(gòu)或者采用多級(jí)密封來(lái)實(shí)現(xiàn)[1-3]。但多級(jí)密封或通過(guò)向靜密封施加高載荷都不能實(shí)現(xiàn)無(wú)泄漏，小分子會(huì)不可避免的通過(guò)間隙發(fā)生泄漏[4-6]。在核輻射的場(chǎng)合，對(duì)泄漏的要求就是要求完全不漏，而一般密封難以做到轉(zhuǎn)動(dòng)與“零泄漏”。

本文提出全屏蔽金屬波紋管旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)裝置，將動(dòng)密封問(wèn)題轉(zhuǎn)化為靜密封問(wèn)題，在實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的傳遞的同時(shí)，利用機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方式的轉(zhuǎn)變消除動(dòng)密封泄漏點(diǎn)，達(dá)到隔離屏蔽工作端與動(dòng)力端的效果，消除動(dòng)密封泄漏點(diǎn)。本裝置適用于要求嚴(yán)格限制泄漏的低速旋轉(zhuǎn)設(shè)備，在波紋管保證結(jié)構(gòu)完整的前提下，可以完全屏蔽密封泄漏點(diǎn)，安全性能遠(yuǎn)高于其他動(dòng)密封。

1　全屏蔽金屬波紋管旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)密封裝置結(jié)構(gòu)及原理

圖1為全屏蔽金屬波紋管旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)圖。工作時(shí)，輸入軸帶動(dòng)偏心盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，在偏心盤(pán)上偏心設(shè)置的撥動(dòng)銷(xiāo)軸帶動(dòng)與其同軸的搖動(dòng)軸折起段搖動(dòng)，帶動(dòng)搖動(dòng)軸水平段轉(zhuǎn)動(dòng)。波紋管兩段焊有法蘭，法蘭連接處設(shè)置有靜密封圈，與工作輸出端構(gòu)成一個(gè)連通的密封腔體，把搖動(dòng)軸包覆其中，將輸入端和輸出端隔離開(kāi)來(lái)。波紋管隨撥動(dòng)銷(xiāo)軸發(fā)生搖動(dòng)變形，將動(dòng)密封問(wèn)題轉(zhuǎn)化為靜密封問(wèn)題，在傳遞轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)達(dá)到全屏蔽的效果。

圖1　全屏蔽金屬波紋管旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1　The structure of full-shielded metal bellows rotating transmission

全屏蔽金屬波紋管旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)裝置主要有兩個(gè)部件構(gòu)成，分別為：將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由輸入端傳遞到輸出端的傳動(dòng)部件；將輸出端和輸入端隔離的屏蔽部件。

(1)傳動(dòng)部件

傳動(dòng)部件包括搖動(dòng)軸、撥動(dòng)銷(xiāo)軸、偏心盤(pán)和輸入軸。主要功能是完成旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)裝置中旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和搖動(dòng)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)化，最終將輸入端的轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞到輸出端。

圖2　傳動(dòng)部件Fig.2　Driving parts

如圖2所示，搖動(dòng)軸軸線(xiàn)呈折線(xiàn)，其中水平段為輸出段，與屏蔽密封的輸入軸同軸；搖動(dòng)軸搖動(dòng)段與水平段呈夾角θ。繞水平段軸線(xiàn)作圓錐旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)輸出段旋轉(zhuǎn)。

(2)屏蔽部件

屏蔽部件包括波紋管組件和搖動(dòng)銷(xiāo)軸。主要功能是作為屏蔽套將輸出端與輸入端隔離。

圖3　屏蔽部件Fig.3　Shielded parts

如圖3所示金屬波紋管兩端均焊有波紋管法蘭，輸出端波紋管法蘭與墻壁預(yù)埋件連接固定，輸入端波紋管法蘭與撥動(dòng)銷(xiāo)軸連接。波紋管法蘭設(shè)置Q形圈槽，連接處采用Q形圈密封，作為全屏蔽金屬波紋管旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)裝置中的靜密封，由此形成一個(gè)與工作端連通的屏蔽腔體。

金屬波紋管是具有良好的拉伸和壓縮性能的彈性元件，允許有限范圍內(nèi)的拉伸和壓縮，當(dāng)搖動(dòng)軸作圓錐旋轉(zhuǎn)時(shí)，金屬波紋管作圓錐搖動(dòng)，一側(cè)拉伸一側(cè)壓縮，波紋管應(yīng)力做周期性變化。因此波紋管是該裝置中易受疲勞破壞和設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié)，本文重點(diǎn)對(duì)波紋管應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行模擬分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。

2　金屬波紋管屏蔽部件數(shù)值分析

建立金屬波紋管有限元模型，對(duì)波紋管轉(zhuǎn)角、應(yīng)力等進(jìn)行分析。其材料為S31603，其屬性見(jiàn)表1。

表1　波紋管材料屬性Table 1　Properties of beuows materials

2.1　有限元模型

波紋管模型[7-8]尺寸(見(jiàn)表2)，采用殼單元SHELL181，建立三維模型，如圖4。

表2　波紋管模型參數(shù)尺寸Table 2　parameters and sizes of bellows model

圖4　金屬波紋管有限元模型Fig.4　Finite element model of metal bellows

2.2　邊界條件

在裝置中，金屬波紋管兩端與固定的法蘭連接，兩端固支，端面始終保持為平面，其力學(xué)模型如圖5。

圖5　力學(xué)模型圖Fig.5　Mechanical model

波紋管輸入端面的轉(zhuǎn)角與搖動(dòng)軸的拐角相等，波紋管輸入端面中心位移R與轉(zhuǎn)角θ的關(guān)系滿(mǎn)足式：

T=F·R

R=l·tanθ

其中：F——輸入端和輸出端受到的作用力，N;

T——波紋管旋轉(zhuǎn)力矩，N·m;

R——回轉(zhuǎn)半徑，m;

l——密封結(jié)構(gòu)水平方向尺寸，m。

波紋管輸出端施加全約束，波紋管輸入端施加位移和轉(zhuǎn)角。

2.3　模擬結(jié)果及分析

2.3.1波紋管應(yīng)力

圖6所示為金屬波紋管在搖動(dòng)狀況下的應(yīng)力強(qiáng)度分布情況。

圖6　應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖Fig.6　Stress intensity distribution cloud

彎曲時(shí)，在波紋管中性面處應(yīng)力強(qiáng)度最小。應(yīng)力強(qiáng)度整體分布關(guān)于波紋管中性面對(duì)稱(chēng)，最大值出現(xiàn)在第一個(gè)波谷與圓環(huán)連接處。壓縮側(cè)與拉伸側(cè)的應(yīng)力強(qiáng)度最大點(diǎn)關(guān)于波紋管中性面對(duì)稱(chēng)，其應(yīng)力強(qiáng)度數(shù)值相等。

可見(jiàn)，搖動(dòng)工況下波紋管軸線(xiàn)發(fā)生彎曲，壓縮最大處和拉伸最大處應(yīng)力影響區(qū)關(guān)于波紋管中心線(xiàn)對(duì)稱(chēng)分布。波紋管左端為機(jī)構(gòu)輸出端，且為波紋管圓錐運(yùn)動(dòng)的錐頂段，單波沿周向應(yīng)力分布范圍最大，往右單波應(yīng)力范圍逐波減小。在靠近輸入端處應(yīng)力逐漸增大。最大應(yīng)力值在波紋管結(jié)構(gòu)的兩端處，在安裝焊接過(guò)程中要及時(shí)消除波紋管焊接應(yīng)力，同時(shí)使用過(guò)程中對(duì)這兩處位置進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

2.3.2應(yīng)力的影響因素

(1)壓力

以壓力為變量，對(duì)波紋管施加不同的壓力，分析波紋管中應(yīng)力變化。

圖7中列出了波紋管在壓力、位移和轉(zhuǎn)角以及組合作用下的應(yīng)力強(qiáng)度分布。其邊界條件為：①對(duì)波紋管兩端全約束，并施加10 KPa壓力；②波紋管一段全約束，一端施加5°對(duì)應(yīng)的位移和轉(zhuǎn)角；③對(duì)一端施加全約束，另一端施加位移和轉(zhuǎn)角，同時(shí)施加10 kPa內(nèi)壓。

由圖7(a)知，僅受壓力作用時(shí)，波紋管內(nèi)應(yīng)力強(qiáng)度分布基本為左右對(duì)稱(chēng)，最大應(yīng)力強(qiáng)度出現(xiàn)在兩段約束位置處第一個(gè)波的波谷。

通過(guò)圖7(b)可知，波紋管在位移和轉(zhuǎn)角作用下，危險(xiǎn)點(diǎn)在左端壓縮和拉伸側(cè)的第一個(gè)波波谷。比較圖7(b)和圖7(c)可得，對(duì)屏蔽密封的波紋管施加一定壓力后，應(yīng)力強(qiáng)度分布發(fā)生變化，最大應(yīng)力出現(xiàn)在左端壓縮側(cè)的第一個(gè)波的波峰處，壓縮側(cè)應(yīng)力強(qiáng)度明顯增大，而拉伸側(cè)應(yīng)力強(qiáng)度明顯減小。壓力對(duì)壓縮側(cè)應(yīng)力起增幅作用，對(duì)拉伸側(cè)起減幅作用。壓縮側(cè)和拉伸側(cè)應(yīng)力強(qiáng)度不再對(duì)稱(chēng)。

圖7　波紋管應(yīng)力強(qiáng)度及變形Fig.7　Stress strength and deformation of bellows

圖8　不同壓力下最大應(yīng)力強(qiáng)度及反作用力Fig.8　Maximum stress intensity and reaction force at different pressures

改變施加壓力的大小，求得最大應(yīng)力強(qiáng)度及反作用力如圖8。

最大應(yīng)力強(qiáng)度隨內(nèi)壓的增大而增大；由反作用力和力矩看出，由于內(nèi)壓的作用，明顯減小了波紋管支撐端的反作用力和力矩。

(2)角度

當(dāng)裝置水平尺寸一定時(shí)，若改變搖動(dòng)軸角度θ，與搖動(dòng)軸輸入端裝配的波紋管輸出端的位移和轉(zhuǎn)角隨之發(fā)生變化。因此，改變角度θ，波紋管中產(chǎn)生的應(yīng)力也隨之變化。圖9中為不同角度θ下模型的波紋管最大應(yīng)力強(qiáng)度點(diǎn)的應(yīng)力強(qiáng)度值、軸向應(yīng)力值和周向應(yīng)力值。

由圖9可見(jiàn)，當(dāng)應(yīng)力值低于波紋管材料的屈服極限前，波紋管內(nèi)最大應(yīng)力、軸向應(yīng)力和周向應(yīng)力均與角度θ成正比關(guān)系，隨著角度θ的增大，波紋管內(nèi)最大應(yīng)力成比例增大。若最大應(yīng)力超過(guò)屈服應(yīng)力后，波紋管發(fā)生塑性變形，最大應(yīng)力隨角度增大的斜率變小。在總長(zhǎng)度一定的情況下，當(dāng)角度θ增大時(shí)，其最大應(yīng)力值在達(dá)到屈服極限前都隨角度線(xiàn)性增大。

圖9　不同角度θ時(shí)波紋管最大應(yīng)力Fig.9　Maximum stress of bellows at different angles

3　試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1　試驗(yàn)裝置

采用如圖10所示的設(shè)計(jì)的波紋管屏蔽密封試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。為了方便研究角度對(duì)波紋管的影響，試驗(yàn)裝置中將搖動(dòng)軸設(shè)計(jì)為兩根軸，中間用銷(xiāo)軸連接，便于改變搖動(dòng)軸的角度。

3.2　實(shí)驗(yàn)分析

3.2.1應(yīng)力

由于波紋管是搖動(dòng)的，應(yīng)變應(yīng)力為動(dòng)態(tài)簡(jiǎn)諧周期性變化，應(yīng)變隨時(shí)間的變化可以用簡(jiǎn)諧周期函數(shù)描述。

圖11　沿軸向測(cè)試點(diǎn)應(yīng)力變化曲線(xiàn)Fig.11　The stress change curve along the axial test point

可見(jiàn)測(cè)試點(diǎn)的應(yīng)力是隨旋轉(zhuǎn)遵循簡(jiǎn)諧波周期變化，由圖11可見(jiàn)波形重復(fù)度很好，說(shuō)明波紋管運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，滿(mǎn)足試驗(yàn)結(jié)構(gòu)要求。

圖12　沿軸向6個(gè)測(cè)試點(diǎn)峰值應(yīng)力Fig.12　Peak stress at 6 test points along the axis

通過(guò)分析模擬和試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，軸向應(yīng)力和周向應(yīng)力誤差均小于10%。軸向應(yīng)力和周向應(yīng)力均由輸出端開(kāi)始減小，在靠近輸入端處達(dá)到最小值，而后開(kāi)始增大。試驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)相同。在試驗(yàn)過(guò)程中，由于波紋管承受交變載荷，會(huì)產(chǎn)生一定熱量，使密封結(jié)構(gòu)溫度升高，影響裝置的使用壽命。因此在實(shí)際使用過(guò)程中應(yīng)注意監(jiān)測(cè)波紋管的溫度，及時(shí)降溫，防止波紋管溫度過(guò)高。

3.2.2應(yīng)力的影響因素

(1)壓力

角度調(diào)整為7°，轉(zhuǎn)速為4 r·min-1時(shí)，向波紋管內(nèi)打壓，壓力從零逐漸增大，測(cè)得各壓力值穩(wěn)定時(shí)軸向和周向應(yīng)力值。

由圖13可見(jiàn)，當(dāng)向波紋管內(nèi)打入壓力逐漸增大時(shí)，壓縮側(cè)子午和周向的應(yīng)力均隨之增大，而拉伸側(cè)的軸向和周向應(yīng)力值反而減小，兩者變化值基本相等。這與模擬的變化趨勢(shì)是相同的。

圖13　不同壓力下應(yīng)力曲線(xiàn)Fig.13　Stress curves at different pressures

(2)角度

改變搖動(dòng)軸角度，得出第一個(gè)波和第七個(gè)波的應(yīng)力時(shí)間曲線(xiàn)，如圖14，經(jīng)過(guò)處理后得出應(yīng)力繪制如圖15。

由圖15可見(jiàn)，當(dāng)角度發(fā)生改變的時(shí)候，應(yīng)力隨角度的變化趨勢(shì)與本文模擬趨勢(shì)基本一致，應(yīng)力隨角度的增大而增大。

圖14　第1、7個(gè)波測(cè)試點(diǎn)應(yīng)力時(shí)間曲線(xiàn)Fig.14　Stress curve of the first and second wave test points

圖15　不同角度第1、7個(gè)波測(cè)試點(diǎn)應(yīng)力角度曲線(xiàn)Fig.15　Stress angle curve for the first and seventh wave test points at different angles

4　結(jié)論

1)通過(guò)模擬得到，隨波紋管搖動(dòng)軸角度θ的增大，波紋管最大應(yīng)力值在達(dá)到屈服極限前都隨角度線(xiàn)性增大。

2)改變對(duì)波紋管施加的內(nèi)壓，得出最大應(yīng)力強(qiáng)度隨內(nèi)壓的增大而增大，而波紋管支撐端的反作用力和力矩會(huì)隨壓力增大而減小。在波紋管設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮波紋管兩端應(yīng)力小于許用應(yīng)力。

3)通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量波距變化和運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下選定波的某一點(diǎn)應(yīng)力時(shí)間變化曲線(xiàn)，與模擬結(jié)果趨勢(shì)相同，說(shuō)明模擬的邊界條件是合理的。通過(guò)改變搖動(dòng)軸角度和壓力，測(cè)得二者對(duì)應(yīng)力值的影響，驗(yàn)證了模擬分析。

4)根據(jù)模擬和試驗(yàn)結(jié)果，可以得出波紋管為該裝置的設(shè)計(jì)使用的最薄弱結(jié)構(gòu)。在實(shí)際安裝過(guò)程中應(yīng)按照設(shè)計(jì)院的安裝技術(shù)規(guī)格書(shū)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安裝。在使用過(guò)程中，應(yīng)對(duì)波紋管結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度和泄漏監(jiān)測(cè)。

5)本裝置主要應(yīng)用于一些核工業(yè)的低轉(zhuǎn)速泵的傳動(dòng)裝置中，能有效地屏蔽高輻射、有毒有害和易燃易爆介質(zhì)，并且具有很長(zhǎng)使用壽命。