中密封環的優化設計

王玉+苗岐

摘 要：眾所周知，所有的機械都需要應用到機械密封這一元件，機械密封元件雖然較小但是卻對機械壽命有著重要的影響作用，因為其能夠決定機械使用的可靠性以及安全耐久性。可以說密封技術并非是當前先進技術之一，但是卻是機械不能缺少的重要技術，而通常密封元件建立在密封環基礎之上，本文將通過AWE軟件（即有限元分析軟件）展開對密封環良好設計，一方面通過優化設計將設計精度良好提升，另一方面也對新機械設備的研發起到輔助作用。

關鍵詞：機械密封；密封環；優化設計

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

0 前言

一般來講密封環是機械密封這一元件重要零部件，能夠對機械密封實際效果產生直接影響，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相應的氣密性降低或者是密封環變形狀況，最終導致機械密封失效。以往設計師對于密封環的設計依托的是自身設計經驗以及力學公式，對密封環結構予以手工形式的不斷調整，調整完畢后展開試驗，試驗完畢后還要再調整改進，可以說耗時耗力。而隨著現今科技發展以及技術更新，AWE軟件則實現了廣泛應用，眾多的設計者依托AWE軟件來簡化密封環試驗環節，減少不必要重復試驗。

1 初探AWE軟件優化設計介紹

AWE軟件現今已經被眾多領域所廣泛應用，從AWE軟件本質上講，其將優化以及仿真和相應的設計良好融合在一起，包含重要的設計模塊以及分析模塊和相應的建模模塊，而本文則重點研究的是AWE軟件的設計模塊。從設計模塊來講，主要是探尋一種最優化的設計技術或者是設計方案，這對于當前眾多機械產品方面的形狀設計將產生關鍵影響作用，一些研究者依托參數技術構建設計仿真環境，在滿足設計約束函數基礎之上進行優化計算，對設計參數予以不斷調整并最終實現目標函數相應極值的獲取，由此也就得到了設計上的最優方案。其中目標函數將結構響應方面參數包含在內，如最大變形參數以及最小壽命參數以及相應最大應力、質量等方面參數；設計變量則主要是講材料性能參數以及幾何尺寸參數等包含在內；約束函數則是將限制最大變形以及限制最大應力包含在內。而所有的參數處于仿真環境中可以是結構形式，也可以是幾何參數，還可以是邊界條件等等[1]。而設計模塊展開對密封環設計的時候需要是具備三個前提：其一是密封環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零件結構。其二是密封環特征尺寸可以和設計參數建立起緊密的內在關系，在參數值產生一定的改變的時候也可以模擬密封環驅動模型。其三是能夠依托零件尺寸的實際調整變化對密封環實際性能起到改善作用[2]。

2 探析AWE軟件優化設計程序

（1）分析密封環零件。在對密封環予以優化設計的過程中首先需要分析其零件，在分析的基礎上構建幾何模塊并進行模型參數的設置，之后將設置的參數導入AWE軟件之中予以分析。具體以釜用機械來講，其密封面常常會在外界壓力實際作用之下出現一定的變形，也就是說其中密封靜環以及密封動環產生了一定的變形，由此機械中也會形成一定的發散間隙，這些發散間隙從外徑延續到內徑之中，如果是密封面產生較大變形密封效果也會有著較大的改變。設計密封環其實歸根結底是優化密封面或者說是控制密封面不出現變形。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。釜用機械密封面多由碳化硅材質動環構成，有著粗壯的結構同時具備較高彈性模量，依托AWE軟件分析其零件能夠發現機械密封面有效較小變形，基本上不影響其作用的發揮，而密封內環則是由石墨材質構成，具備較小的彈性模量，而這也是該機械出現一定密封面變形的重要原因，見圖1。

（2）建立模型并劃分網格。依托AWE軟件建立設計模型，而設計模型建立原則為提升密封環密封精度，建立模型需要考慮以下三方面內容：其一是釜用機械主要是密封靜環出現一定變形，因此只需要研究密封靜環即可；其二是密封靜環無論是邊界條件還是相應的幾何形狀均具備對稱性，因此可以展開有效的二維分析；其三是建模應用密封靜環實際縱截面即可。由于受到O形圈以及相應軸徑實際尺寸方面限制進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產生變形影響，而變化零件尺寸即可變參數則常常對密封靜環形成變形影響，在建立設計模型之后就需要智能化的良好劃分網格，依據釜用機械密封結構，其網格劃分為眾多的單元以及節點，見圖2。

（3）優化變形參數。在依托AWE軟件建立設計模型并劃分網格之后就需要優化密封靜環變形參數，AWE軟件能夠將設計模型中的變形參數統計出來，之后和正常釜用機械密封靜環參數予以比對，調整變形密封靜環實際參數，促使其接近標準參數或者是和正常機械密封靜環參數相同。由此促使釜用機械在仿真模擬環境之下實現密封實際精度的提升，為釜用機械強化密封效果奠定堅實的基礎[3]。

3 結語

綜上分析可知，時代發展以及社會更新，機械設備密封性成為了大眾關注的焦點，因為由于機械密封性差會引起一定的經濟損失以及人員傷亡，由此當前眾多的研究學者開始關注機械設備密封性，而一些機械設計師更是對密封環依托AWE軟件予以了良好優化設計，而建立在AWE軟件優化設計密封環基礎之上則最可以將密封環設計周期大大縮短。本文將對機械密封起著重要影響作用的密封環設計作為研究核心，期望為密封環方面的研究提供理論上的參考依據，更旨在為未來機械密封的優化獻出自己的一份研究力量。

參考文獻：

[1]溫慶豐，劉瑩，黃偉峰，索雙富，劉向鋒，王玉明.機械密封端面材料WC-Ni硬質合金的研究進展[J].粉末冶金材料科學與工程，2011（01）：1-6.

[2]周平，戴恒震，金洙吉，王宇，康仁科，郭東明.周向波度密封環預變形平面研磨加工中的變形分析[J].機械工程學報，2015（11）：171-176.

[3]雷征，劉志讓，陳建華，付平.高壓補燃液氧/煤油發動機彈性金屬密封技術探討[J].火箭推進，2014（03）：7-15.