擠壓成型金屬波紋管機械密封結構設計及應用

李萬祥，馬文忠，何 瑋

（1.蘭州交通大學機電學院，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州交通大學藝術設計學院，甘肅 蘭州 730070）

機械密封就是利用旋轉軸進行自動密封，它是利用一對或是多對垂直軸在補償結構彈力和流體壓力下輔助密封完成軸封裝置的密封，也被稱為端面密封。隨著機械密封環境的不斷變化，對于傳統的彈簧式機械密封結構，已經滿足不了需求了，特備是一些腐蝕介質、高溫場合想要不斷適應現代發展需求，利用擠壓成型金屬波紋管機械密封建立相關裝置，會帶來更大的優勢［1］。

1 金屬波紋管擠壓成型機械密封結構原理

機械密封東環的受力情況見圖1。其中密封端液膜反力是Fc，密封介質作用力是F1、波紋管彈力是Fs、密封端面流體壓力是Fm。所以得到東環合理是：

圖1 波紋管密封機械東環受力

密封端面的介質不同壓力也是不同的，其粘度也是不同的，得到液膜反壓系數也是不同。

2 建立機械波紋管密封數學模型

關于選擇金屬波紋管擠壓成型機械密封波紋管材料，需要具有耐腐蝕作用，以及也要有彈性，這里選擇不銹鋼0CR18Ni9材料，關于設計相關參數初始化見表1。

表1 機械波紋管密封設計初始參數

根據上述參數建立數學模型是：

（1）目 標 函 數（OBJ）：f（x）=f（x1,x2,……xn）；通過函數變量來判斷方案設計的好壞，主要目的就是得到目標函數的極值。想要得到擠壓成型波紋金屬管機械密封管的尺寸，首先，要了解金屬波紋管彈簧比壓，根據密封斷面和彈簧比壓關系建立機械密封彈性力。如圖1，初始化金屬管的彈力是：

（2）變量狀態（SV）。狀態變量及時對因變量進行控制的值，它是變量的取值范圍，以及狀態變量限制空間條件，屬于變量設計的函數。所以，設計機械密封時，最大的金屬管應力強度（MaxN）需要符合使用材料的應力強度允許范圍。

3 對機械密封結構模型進行求解

選擇ANSYS優化設計方法將以增加問題的目標函數變成非約束形式的問題，建立目標函數、函數變量狀態，來表達顯函數。使用曲線擬合法，認為建立狀態變量函數、目標函數的近似表達式，擬合狀態變量和目標函數曲面公式：

其中ai、bi、Cij屬于方程的系數。在曲面擬合時，需要明確隨機生成法建立的K組合變量，利用有限元方法得到相應的目標函數和狀態變量值，這里K要比未知函數系數值大，即：得到每組結果總加權最小二乘誤差是：

K是設計組數變量，H(k)是通過近似算法得到K組下的H值，h(k)是利用有限元法得到第K組的變量對應的H值，WK是K組變量的權，根據K組設計變量得到最小目標函數的設計空間和函數值。

4 機械密封模型最終優化設計結果

4.1 有限元模型的而建立

根據金屬波紋管承載受力和結構特性，建立軸對稱二維幾何模型。利用4節點建立實體二維結構模型PLANE 42單元，將厚度分成3分，使用映射網格建立幾何模型。通過計算得到6900個單元數目，節點術是9204。材料的參數是：泊松比μ＝0.3，彈性模量E＝195×103MPa，溫度條件不考慮。加載有限元模型見圖2。

圖2 有限元加載波紋管模型

4.2 結果優化

選擇總長度是5%的初始位移波紋管壓縮量，根據子步數200計算，將循環次數進行最大優化得到20，最終優化結果見表2。其中帶有＊是最優化的結果。根據表中數據得到5次迭代程序收斂，得到最優化結果滿足最大的應力強度是MAXN＝250.07MPa應力條件。

表2 迭代優化結果

5 結語

一般在選擇擠壓成型波紋管金屬機械密封端面比壓時，會先確定端面比壓，在將金屬波紋管彈力比壓進行調整，這樣可以保證密封端面壓力不變，同時滿足密封需求。根據上述數學模型的而建立，可以發現利用ANSYS有限元法對加壓成型波紋管金屬機械密封管進行優化，效果比較好，同時還能得到優化的金屬波管結構，完成金屬波紋管擠壓成型機械密封設計。

[1]阿斯耶姆&#;肖開提,穆塔里夫&#;阿赫邁德,蒙偉安.焊接金屬波紋管機械密封靜環的溫度場及熱應力分析[C]//全國機械設計年會.2010.