全屏蔽金屬波紋管旋轉傳動密封裝置①

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

在核電站等受核輻射的場合，采用鉛板、鋼板或墻壁等措施屏蔽輻射是常用措施之一。在需要穿墻進行轉動或往復操作時，其密封問題要求高、難度大。動態密封總是存在著某種程度的泄漏，為了使密封更有效，通常采用更復雜的密封結構或者采用多級密封來實現[1-3]。但多級密封或通過向靜密封施加高載荷都不能實現無泄漏，小分子會不可避免的通過間隙發生泄漏[4-6]。在核輻射的場合，對泄漏的要求就是要求完全不漏，而一般密封難以做到轉動與“零泄漏”。

本文提出全屏蔽金屬波紋管旋轉傳動裝置，將動密封問題轉化為靜密封問題，在實現運動的傳遞的同時，利用機構傳動方式的轉變消除動密封泄漏點，達到隔離屏蔽工作端與動力端的效果，消除動密封泄漏點。本裝置適用于要求嚴格限制泄漏的低速旋轉設備，在波紋管保證結構完整的前提下，可以完全屏蔽密封泄漏點，安全性能遠高于其他動密封。

1　全屏蔽金屬波紋管旋轉傳動密封裝置結構及原理

圖1為全屏蔽金屬波紋管旋轉傳動裝置結構圖。工作時，輸入軸帶動偏心盤轉動，在偏心盤上偏心設置的撥動銷軸帶動與其同軸的搖動軸折起段搖動，帶動搖動軸水平段轉動。波紋管兩段焊有法蘭，法蘭連接處設置有靜密封圈，與工作輸出端構成一個連通的密封腔體，把搖動軸包覆其中，將輸入端和輸出端隔離開來。波紋管隨撥動銷軸發生搖動變形，將動密封問題轉化為靜密封問題，在傳遞轉動的同時達到全屏蔽的效果。

圖1　全屏蔽金屬波紋管旋轉傳動裝置結構圖Fig.1　The structure of full-shielded metal bellows rotating transmission

全屏蔽金屬波紋管旋轉傳動裝置主要有兩個部件構成，分別為：將旋轉運動由輸入端傳遞到輸出端的傳動部件；將輸出端和輸入端隔離的屏蔽部件。

(1)傳動部件

傳動部件包括搖動軸、撥動銷軸、偏心盤和輸入軸。主要功能是完成旋轉傳動裝置中旋轉運動和搖動運動的轉化，最終將輸入端的轉動傳遞到輸出端。

圖2　傳動部件Fig.2　Driving parts

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

(2)屏蔽部件

屏蔽部件包括波紋管組件和搖動銷軸。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埋件連接固定，輸入端波紋管法蘭與撥動銷軸連接。波紋管法蘭設置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傳動裝置中的靜密封，由此形成一個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，允許有限范圍內的拉伸和壓縮，當搖動軸作圓錐旋轉時，金屬波紋管作圓錐搖動，一側拉伸一側壓縮，波紋管應力做周期性變化。因此波紋管是該裝置中易受疲勞破壞和設計薄弱環節，本文重點對波紋管應力應變進行模擬分析和試驗驗證。

2　金屬波紋管屏蔽部件數值分析

建立金屬波紋管有限元模型，對波紋管轉角、應力等進行分析。其材料為S31603，其屬性見表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，其力學模型如圖5。

圖5　力學模型圖Fig.5　Mechanical model

波紋管輸入端面的轉角與搖動軸的拐角相等，波紋管輸入端面中心位移R與轉角θ的關系滿足式：

T=F·R

R=l·tanθ

其中：F——輸入端和輸出端受到的作用力，N;

T——波紋管旋轉力矩，N·m;

R——回轉半徑，m;

l——密封結構水平方向尺寸，m。

波紋管輸出端施加全約束，波紋管輸入端施加位移和轉角。

2.3　模擬結果及分析

2.3.1波紋管應力

圖6所示為金屬波紋管在搖動狀況下的應力強度分布情況。

圖6　應力強度分布云圖Fig.6　Stress intensity distribution cloud

彎曲時，在波紋管中性面處應力強度最小。應力強度整體分布關于波紋管中性面對稱，最大值出現在第一個波谷與圓環連接處。壓縮側與拉伸側的應力強度最大點關于波紋管中性面對稱，其應力強度數值相等。

可見，搖動工況下波紋管軸線發生彎曲，壓縮最大處和拉伸最大處應力影響區關于波紋管中心線對稱分布。波紋管左端為機構輸出端，且為波紋管圓錐運動的錐頂段，單波沿周向應力分布范圍最大，往右單波應力范圍逐波減小。在靠近輸入端處應力逐漸增大。最大應力值在波紋管結構的兩端處，在安裝焊接過程中要及時消除波紋管焊接應力，同時使用過程中對這兩處位置進行重點監測。

2.3.2應力的影響因素

(1)壓力

以壓力為變量，對波紋管施加不同的壓力，分析波紋管中應力變化。

圖7中列出了波紋管在壓力、位移和轉角以及組合作用下的應力強度分布。其邊界條件為：①對波紋管兩端全約束，并施加10 KPa壓力；②波紋管一段全約束，一端施加5°對應的位移和轉角；③對一端施加全約束，另一端施加位移和轉角，同時施加10 kPa內壓。

由圖7(a)知，僅受壓力作用時，波紋管內應力強度分布基本為左右對稱，最大應力強度出現在兩段約束位置處第一個波的波谷。

通過圖7(b)可知，波紋管在位移和轉角作用下，危險點在左端壓縮和拉伸側的第一個波波谷。比較圖7(b)和圖7(c)可得，對屏蔽密封的波紋管施加一定壓力后，應力強度分布發生變化，最大應力出現在左端壓縮側的第一個波的波峰處，壓縮側應力強度明顯增大，而拉伸側應力強度明顯減小。壓力對壓縮側應力起增幅作用，對拉伸側起減幅作用。壓縮側和拉伸側應力強度不再對稱。

圖7　波紋管應力強度及變形Fig.7　Stress strength and deformation of bellows

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

改變施加壓力的大小，求得最大應力強度及反作用力如圖8。

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

(2)角度

當裝置水平尺寸一定時，若改變搖動軸角度θ，與搖動軸輸入端裝配的波紋管輸出端的位移和轉角隨之發生變化。因此，改變角度θ，波紋管中產生的應力也隨之變化。圖9中為不同角度θ下模型的波紋管最大應力強度點的應力強度值、軸向應力值和周向應力值。

由圖9可見，當應力值低于波紋管材料的屈服極限前，波紋管內最大應力、軸向應力和周向應力均與角度θ成正比關系，隨著角度θ的增大，波紋管內最大應力成比例增大。若最大應力超過屈服應力后，波紋管發生塑性變形，最大應力隨角度增大的斜率變小。在總長度一定的情況下，當角度θ增大時，其最大應力值在達到屈服極限前都隨角度線性增大。

圖9　不同角度θ時波紋管最大應力Fig.9　Maximum stress of bellows at different angles

3　試驗驗證

3.1　試驗裝置

采用如圖10所示的設計的波紋管屏蔽密封試驗臺進行試驗測試。為了方便研究角度對波紋管的影響，試驗裝置中將搖動軸設計為兩根軸，中間用銷軸連接，便于改變搖動軸的角度。

3.2　實驗分析

3.2.1應力

由于波紋管是搖動的，應變應力為動態簡諧周期性變化，應變隨時間的變化可以用簡諧周期函數描述。

圖11　沿軸向測試點應力變化曲線Fig.11　The stress change curve along the axial test point

可見測試點的應力是隨旋轉遵循簡諧波周期變化，由圖11可見波形重復度很好，說明波紋管運動平穩，滿足試驗結構要求。

圖12　沿軸向6個測試點峰值應力Fig.12　Peak stress at 6 test points along the axis

通過分析模擬和試驗所得數據，軸向應力和周向應力誤差均小于10%。軸向應力和周向應力均由輸出端開始減小，在靠近輸入端處達到最小值，而后開始增大。試驗數據和模擬數據的變化趨勢相同。在試驗過程中，由于波紋管承受交變載荷，會產生一定熱量，使密封結構溫度升高，影響裝置的使用壽命。因此在實際使用過程中應注意監測波紋管的溫度，及時降溫，防止波紋管溫度過高。

3.2.2應力的影響因素

(1)壓力

角度調整為7°，轉速為4 r·min-1時，向波紋管內打壓，壓力從零逐漸增大，測得各壓力值穩定時軸向和周向應力值。

由圖13可見，當向波紋管內打入壓力逐漸增大時，壓縮側子午和周向的應力均隨之增大，而拉伸側的軸向和周向應力值反而減小，兩者變化值基本相等。這與模擬的變化趨勢是相同的。

圖13　不同壓力下應力曲線Fig.13　Stress curves at different pressures

(2)角度

改變搖動軸角度，得出第一個波和第七個波的應力時間曲線，如圖14，經過處理后得出應力繪制如圖15。

由圖15可見，當角度發生改變的時候，應力隨角度的變化趨勢與本文模擬趨勢基本一致，應力隨角度的增大而增大。

圖14　第1、7個波測試點應力時間曲線Fig.14　Stress curve of the first and second wave test points

圖15　不同角度第1、7個波測試點應力角度曲線Fig.15　Stress angle curve for the first and seventh wave test points at different angles

4　結論

1)通過模擬得到，隨波紋管搖動軸角度θ的增大，波紋管最大應力值在達到屈服極限前都隨角度線性增大。

2)改變對波紋管施加的內壓，得出最大應力強度隨內壓的增大而增大，而波紋管支撐端的反作用力和力矩會隨壓力增大而減小。在波紋管設計時主要考慮波紋管兩端應力小于許用應力。

3)通過試驗測量波距變化和運轉狀態下選定波的某一點應力時間變化曲線，與模擬結果趨勢相同，說明模擬的邊界條件是合理的。通過改變搖動軸角度和壓力，測得二者對應力值的影響，驗證了模擬分析。

4)根據模擬和試驗結果，可以得出波紋管為該裝置的設計使用的最薄弱結構。在實際安裝過程中應按照設計院的安裝技術規格書進行現場安裝。在使用過程中，應對波紋管結構進行溫度和泄漏監測。

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