紋管直徑變化對端面受力和變形的影響

陳玲琳

摘 要：基于ANSYS有限元分析軟件，對金屬螺紋管的參數(shù)進(jìn)行模擬.結(jié)果表明：預(yù)壓縮條件下，端面變形、預(yù)壓縮和外壓組合條件下，隨著軸徑的增加，端面呈現(xiàn)左低右高的趨勢；隨著軸徑的增大，端面垂直方向的壓力右端大于左端，軸徑越大間隙越大；在常溫和高溫情況下，端面變形呈現(xiàn)左高右低的規(guī)律，接觸對的最大應(yīng)力出現(xiàn)在豎直接觸面的下部和水平接觸面的內(nèi)部.

關(guān)鍵詞：機(jī)械密封 ；有限元； 螺紋管

[中圖分類號]TH136 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]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

隨著我國機(jī)械工業(yè)的快速發(fā)展，機(jī)械行業(yè)在我國的工業(yè)制造和國民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著越來越重要的作用.機(jī)械密封廣泛應(yīng)用在機(jī)械制造、化工和冶金等行業(yè)中，是一種動密封，相對于其他種類的密封來說具有自身的優(yōu)越性.[1]機(jī)械設(shè)備因為所處環(huán)境復(fù)雜，所以對機(jī)械密封的要求越來越高.[2]金屬螺紋管機(jī)械密封式是高溫密封中經(jīng)常采用的一種動密封結(jié)構(gòu)，其軸或者軸套不受磨損，浮動性好，被廣泛應(yīng)用.本文通過ANSYS有限元分析軟件，對金屬螺紋管的參數(shù)進(jìn)行模擬，研究波紋管直徑變化對端面受力和變形的影響.

1 金屬波紋管機(jī)械密封的主要參數(shù)

1.1 擠壓成型金屬波紋管的主要參數(shù)

金屬波紋管有效直徑主要表征介質(zhì)作用在密封面上力的大小，與波紋管的受壓狀態(tài)、材料、波數(shù)等多種因素相關(guān).當(dāng)內(nèi)壓作用在波紋管時，計算得到有效直徑較小，但是壓力較大，造成較大的偏差；當(dāng)外壓作用于波紋管時，計算值比實際的有效直徑大，壓力也相對較大，也會造成較大的偏差.波紋管機(jī)械密封需要較好的彈性，其彈性對機(jī)械密封具有非常大的影響.[34]

1.2 機(jī)械密封的主要參數(shù)

密封端面寬度 機(jī)械密封的動環(huán)和靜環(huán)組成密封端面，通常做成一寬一窄，密封端面寬度b是軟材料的寬度，如果制造機(jī)械密封端面的強(qiáng)度和剛度足夠高，端面寬度b可以盡可能的小一些.[5]選擇密封面的寬度時，采用以下公式：b=0.005+0.02 d.

密封端面間隙 機(jī)械密封面間隙的大小，直接影響密封端面的密封效果.接觸式機(jī)械密封平行面密封間隙的大小，可以用表面粗糙度計算，公式為[67]：

h=hst+hdyn，

hst=Rmax1K1+Rmax2K22，

hdyn=kdRZ（μνRZpb）.

平衡系數(shù) 平衡系數(shù)反映密封端面的承載能力，B越大，表明當(dāng)介質(zhì)壓力波動時，密封端面比壓的波動越大；B越小，意味著介質(zhì)壓力波動時，蜜蜂端面比壓波動較小.平衡系數(shù)計算公式：

B=ACA=d22-d2cd22-d21.

1.3 金屬波紋管機(jī)械密封補償環(huán)的鑲嵌

鑲嵌結(jié)構(gòu)是通過采用石墨、硬質(zhì)合金等材料鑲嵌在金屬環(huán)座之中，通過過盈配合傳遞轉(zhuǎn)矩和密封作用.鑲嵌密封環(huán)通過裝配應(yīng)力進(jìn)行密封作用，因此，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、使用參數(shù)確定、應(yīng)用條件選擇等方面都需要進(jìn)行設(shè)計，任何一個參數(shù)的變化都會導(dǎo)致鑲嵌之后發(fā)生變化.[8]

2 金屬波紋管機(jī)械密封有限元分析

2.1 波紋管機(jī)械密封有限元模型建立

組成螺紋管機(jī)械密封的材料很多，為了節(jié)約計算資源，研究選定一定的組合.機(jī)械密封材料參數(shù)見表1.

建立模型在軸徑DN40，DN80，DN120，DN160時使用的機(jī)械密封，靜環(huán)寬度選用3 mm，動環(huán)選用4 mm，詳見表2.有限元模型如圖1所示.采用solid182和solid183單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格長度0.1 mm，有限元網(wǎng)格模型如圖2所示.

2.2 不同單元和網(wǎng)格劃分計算結(jié)果對比

采用ANSYS有限元軟件進(jìn)行有限元分析.采用不同單元得到的計算結(jié)果有一定的區(qū)別.本研究采用DN120軸徑的機(jī)械密封模型，分別按照solid183和solid182單元建模，比較運行狀態(tài)下的受力情況.受力數(shù)值大小見表3.從表3可以看出，采用solid182單元時波峰和波谷的誤差較大，因此，采用solid183單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分.

2.3 不同直徑模型對端面變形的影響

2.3.1 預(yù)壓縮條件下端面變形情況

DN40，DN80和DN120軸徑對應(yīng)金屬波紋管機(jī)械密封端面變形情況見圖3.由圖3可知，隨著軸徑的增加，端面呈現(xiàn)左低右高趨勢，高度差值分別為-1.04，-1.71，-2.10 μm.

圖3 不同軸徑模型下端面變形對比

2.3.2 預(yù)壓縮和外壓組合條件下端面變形情況

DN40，DN80和DN120軸徑對應(yīng)的金屬波紋管機(jī)械密封，在預(yù)壓縮和外壓組合工況下，端面的變形情況如圖4所示.由圖4可知，隨著軸徑的增加，端面呈現(xiàn)左低右高的趨勢，高度差值分別為-1.123，-1.836，-2.202 μm.

圖4 不同軸徑模型下端面變形對比

2.4 不同直徑對端面應(yīng)力的影響

DN40，DN80和DN120軸徑對應(yīng)的金屬波紋管機(jī)械密封，在預(yù)壓縮條件下端面應(yīng)力對比圖

2.4.1 預(yù)壓縮條件下端面應(yīng)力情況

圖5 端面應(yīng)力對比圖

見圖5.由圖5可知，隨著軸徑的增大，端面垂直方向的壓力右端大于左端，隨著軸徑的不斷增大，這種規(guī)律越來越明顯.在這個過程中，左端出現(xiàn)間隙和不受力的情況，隨著軸徑的增大，間隙越來越大.

2.4.2 預(yù)壓縮和外壓組合條件下端面應(yīng)力情況

DN40，DN80和DN120軸徑對應(yīng)的金屬波紋管機(jī)械密封，在預(yù)壓縮和外壓條件下，端面應(yīng)力對比見圖6.由圖6可知，隨著軸徑的增大，端面垂直方向的壓力外徑大于內(nèi)徑.隨著軸徑的不斷增大，這種規(guī)律越來越明顯，在這個過程中，端面出現(xiàn)間隙，此時左端出現(xiàn)不受力情況，隨著軸徑的增大，間隙越來越大.

圖6 端面應(yīng)力對比圖

2.5 不同直徑模型對波紋管應(yīng)力的影響

2.5.1 預(yù)壓縮條件下端面應(yīng)力情況

圖7為DN40軸徑對應(yīng)的金屬波紋管.在受預(yù)壓縮條件下波紋管垂直方向的應(yīng)力和等效應(yīng)力. DN80 和 DN120軸徑金屬波紋管具有較為一

（a）DN40應(yīng)力

（b）DN40等效應(yīng)力

圖7 DN40 機(jī)械密封波紋管受力情況

致的規(guī)律，在壓縮條件下，垂直方向受力情況變化不大，最大值相對誤差小于3%，在波峰內(nèi)側(cè)出現(xiàn)最大值為620 MPa，等效應(yīng)力最大值出現(xiàn)在波谷內(nèi)側(cè)，達(dá)到717 MPa.

2.5.2 預(yù)壓縮和外壓組合條件下端面應(yīng)力情況

圖8為DN40軸徑對應(yīng)的金屬波紋管，在受預(yù)壓縮條件下，波紋管垂直方向的應(yīng)力和等效應(yīng)力. DN80 和 DN120軸徑金屬波紋管具有較為一

（a）DN40應(yīng)力

（b）DN40等效應(yīng)力

圖8 DN40 機(jī)械密封波紋管受力情況

致的規(guī)律，在預(yù)壓縮和外壓條件下，垂直方向受力情況變化不大，最大值相對誤差小于5%，在波峰內(nèi)側(cè)出現(xiàn)最大值為599 MPa，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在波峰內(nèi)側(cè)的節(jié)點，達(dá)到 770 MPa.

3 密封環(huán)與環(huán)座過盈配合有限元分析

3.1 常溫時過盈配合有限元分析

對不同軸徑的模型施加溫度載荷，設(shè)置溫度為20 ℃，通過有限元數(shù)值模擬可以得到DN40，DN80和DN120的斷面變形情況.常溫情況下，端面變形呈現(xiàn)左高右低的規(guī)律，DN40，DN80和DN120模型端面垂直方向的高度差分別為00886，0.1514，0.2102 μm，對于密封端面造成了較大的影響，這種情況下會造成密封流體發(fā)生泄漏.隨著軸徑的增加，端面變形越來越大.接觸對的最大應(yīng)力出現(xiàn)在豎直接觸面的下部和水平接觸面的內(nèi)部，DN40，DN80和DN120模型的最大接觸應(yīng)力隨著軸徑的增大不斷減小，數(shù)值為377，190和130 MPa.

3.2 工作溫度時過盈配合的有限元分析

對不同軸徑的模型施加溫度載荷，設(shè)置溫度為400 ℃，通過有限元數(shù)值模擬可以得到DN40，DN80和DN120的斷面變形情況，垂直方向變形情況為左高右低，差值分別為7.66，6.78， 172 μm.接觸對的最大應(yīng)力出現(xiàn)在豎直接觸面的下部和水平接觸面的內(nèi)部，DN40，DN80和DN120模型的最大接觸應(yīng)力隨著軸徑的增大不斷減小，數(shù)值為34.2，9.75，1.3 MPa.

4 結(jié)論

本文通過ANSYS有限元分析軟件，對金屬螺紋管的參數(shù)進(jìn)行模擬，研究波紋管直徑變化對端面受力和變形的影響，得出以下結(jié)論：

（1）采用solid183單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分更為合適；

（2） 在預(yù)壓縮條件下觀察端面變形情況.隨著軸徑的增加，端面呈現(xiàn)左低右高的趨勢，高度的差值分別為-1.04，-1.71，-2.10 μm，在預(yù)壓縮和外壓組合條件下，端面呈現(xiàn)左低右高的趨勢，高度差值分別為-1.123，-1.836，-2.202 μm.

（3）預(yù)壓縮條件下，端面變形、預(yù)壓縮和外壓組合條件下，隨著軸徑的增大，端面垂直方向的壓力右端大于左端.隨著軸徑的不斷增大，這種規(guī)律越來越明顯.在這個過程中，左端出現(xiàn)間隙，此時左端出現(xiàn)不受力的情況，隨著軸徑的增大，間隙越來越大.

（4）常溫情況下，端面變形呈現(xiàn)左高右低的規(guī)律；高溫情況下，垂直方向變形情況為左高右低，接觸對的最大應(yīng)力均出現(xiàn)在豎直接觸面的下部和水平接觸面的內(nèi)部.

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編輯：吳楠