波纹管密封(流体机械)

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不同波形膜片上的应力分布
膜片数为 !" 的波纹管进行受力分析， 在 角为 +(! ， 负荷为 "##$ 时， 波纹管受力分析结果见图 ’。
比较这三种不同波形的膜片， 可见应力的分
图"
不同波形的波纹膜片
比较波纹管的位移， 在负荷为 "##$ 时， （ -） 、 （.） 、 （ , ）三 种 膜 片 波 纹 管 的 最 大 位 移 分 布 为 *&/!))、 ’&0")) 和 (&/#))。显然波纹管的位移 与膜片的波深呈现马鞍形分布， 当波深较小或较 大时， 波纹管的位移均较大， 可见波形对波纹管性 能的影响较大。因此， 在设计波纹管时， 审慎选择 膜片波深非常重要。
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片的应力分布较均匀， 且膜片上的最大应力 !!"# 较小。尤其对于 （ !） 型膜片， 膜片上最大应力仅为 （ "） 型膜片的 #$%&’$ ， 显然由外缘带直边的膜片 焊接而成的波纹管受力状况较好。 （ (） 、 两种膜片的受力情况， 可见若在 比较 （ !） 膜片的外缘增加一直边段， 可以有效降低膜片上 的最大应力， 并使应力分布趋于均匀， 但膜片上最 大应力的降低幅度和均匀化程度并不与直边段的
长度成正比。过大的直边段起不到均化应力的作 用， 只能增加波纹管受载时的位移， 即直边段长度 的增加降低了波纹管的刚度。因此， 膜片直边段 的长度可以根据设计所需的波纹管的刚度来确 定。 对比三种波纹管受载后变形情况， 即波纹管 的位移， 三种波纹管的最大位移分别为 ’%$)**、 基本上与膜片的宽度变化一 #%+$** 和 #%,$**，
这表明成型角较大的波纹管在被过度压缩时 会发生永久变形。对于机械密封用金属波纹管， 永久变形的产生即意味着失去部分弹力， 会造成 摩擦副间闭合力的减小， 并最终导致机械密封的 失效。因此， 在压缩量较大时， 对于成型角较大的 波纹管必须考虑失弹的问题， 而成型角较小的波 纹管， 失弹的可能性则较小。 !"#"$ 成型角对波纹管刚度的影响 将压缩变形曲线的斜率作为波纹管的刚度， 并与成型角进行关联， 从而得到波纹管成型角与 刚度的关系曲线， 如图 , 所示。
（ /） 焊接金属波纹管结构
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结构分析
焊接金属波纹管是由多个冲压成圆弧形的波 纹膜片焊接而成， 结构如图 ! 所示。考虑到目前 常用 的 焊 接 金 属 波 纹 管 主 要 采 用 %&’#( 或 变化较少， 因 ()*!+,-!( 沉积硬化的不锈钢制作， 此在对波纹管进行性能分析和结构优化时， 不考 虑材料性能对波纹管的影响， 着重研究膜片波形、 宽度、 成型角以及膜片的个数对波纹管性能的影 响。
图! （ 0） 波纹膜片结构 焊接金属波纹管基本结构
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不同波形的波纹膜片
图 $ 所示为三种具有不同波形的膜片。对由
这三种膜片构成的内径 #122， 成型角为 !1! ， 膜片
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!##+ 年第 !0 卷第 +# 期
数为 !" 的波纹管进行受力分析， 在负荷为 "##$ 时， 波纹管受力分析结果见图 %。
焊接金属波纹管机械密封的性能好坏和使用 寿命的长短与波纹管的力学性能密切相关。对波 纹管结构型式的研究， 型式设计已成为波纹管生 产和使用成败的关键。作者结合国内外的研究成
［! " #］ ， 通过对波纹管进行非线性有Байду номын сангаас元应力分 果
析、 刚度测试和失弹性能的试验， 对常用圆弧膜片 焊接金属波纹管结构进行了分析优化。
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不同成型角波纹管的压缩波形曲线
逐步增大。根据文献 ［#］ ， 机械密封用波纹管压缩 变形范围应为 ) 5 #**。显然当总高度一定时， 成
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!%%’ 年第 !, 卷第 ’% 期 由图可见， 波纹管的刚度并不是一个恒定值，
型角较大的波纹管因压缩量变化引起压紧力的波 动较小， 工作较为平稳。 !"#"! 成型角对波纹管永久变形的影响 将波纹管压缩到最大压缩量， 并保持 $% 小时 后松开。测量波纹管经过度压缩后的自由高度， 测试结果见表 !。发现成型角小的波纹管压缩前 后的高度基本不变， 而成型角较大的波纹管压缩 以后的高度有所降低。尤其是成型角 ! & ’(! 时， 高度减少较明显。
（!） 在膜片的外缘增加一小段直边段， 可以有 效地降低膜片上的最大应力， 并使应力分布趋于 均匀， 但是膜片上最大应力的降低幅度和均匀化 程度并不与直边段的长度成正比。过大的直边段 起不到均化应力的作用， 只能增加波纹管受载时 的位移， 降低波纹管的刚度。 （"） 波深对膜片受力及波纹管的位移的影响 较为复杂， 有着太小和过大波深的膜片， 应力分布 不均匀， 边缘应力较大。 （%） 对焊接金属波纹管而言， 膜片成型角是一 个非常重要的参数。为使波纹管在使用过程中具 有稳定的弹性和较长的使用寿命， 成型角应取在 （上接第 !R 页） 表明， 最大误差为 %" ， 完全可以满足实际使用的 需要， 同时也表明在不同的工况下该修正方法都 具有较高的精度。与原来将容积效率视为与频率 无关的参数做法相比， 精度有很大的提高， 尤其是 在低频区域内。 利用这种容积效率的频率修正方法， 可以将 定速压缩机的效率法模型扩展到变频压缩机模型 中， 通过对某一频率点 （例如额定频率） 的容积效 率进行频率修正， 可得到所有频率点下的容积效 率， 从而有效地对压缩机进行建模。 D 结论
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使用经验表明， 当弹簧或波纹管的失弹率为 机械密封通常会发生泄漏， 造成密封 ’( 4 !%$ 时， 失效。因此， 在设计焊接金属波纹管机械密封时， 应控制波纹管的弹力变化。考虑波纹管因补偿软
环磨损造成的弹力减小， 波纹管总体失弹量应小 于 !%$ 。进一步考察波纹管的使用性能， 若将机 械密封的设计寿命定为 $ 年， 则波纹管膜片的成 型角应小于 ’(! 。
图’ 波深不同的膜片上的应力分布
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膜片宽度选择
在圆弧波形一定的情况下， 通过增加膜片外 比较三种膜片的应力， 随着波深的变化， 当波 深较小和波深较大时， 膜片上的最大应力均较大， 且应力分布较不均匀， 在膜片的内外缘处， 应力较 高。对于波深过大的膜片 （ ,） ， 在 （ -） 、 （ .） 膜片上 的应力还比较小的情况下， 膜片 （ ,） 的边缘已发生 了塑性变形。仔细分析膜片应力随波深的变化， 可以发现， 随波深的增加， 膜片上的低应力点逐步 外移， 应力分布也由不均匀 ! 均匀 ! 不均匀地变 化。 缘直边段， 可以得到不同宽度的波纹膜片。图 ( 所示为三种不同宽度的波纹膜片。 对分别 由 !" 片 这 三 种 膜 片 构 成 的 内 径 为 成型角为 +(! 的波纹管进行受力分析， 三种 ’())， 波纹管在承受轴向 "##$ 负荷时的有限元分析结 果见图 *。 对比三种波纹管膜片的受力状况， 显然不带 直边段的 （ -） 种膜片上的应力分布非常不均匀， 且 最大应力!"#$ 较大， 而带直边段的 （ .） 、 （ ,） 两种膜
)*+,- . /& 012213 4567 81,913+2:31 ;1+<5=6， 4>*3? ；C） ： @3A， !’$B（ D% # D’ @<:,35*61 E F， G12H7 I @ +=* ;23+-J1K-L5 M E& F1H7+=5H+< -1+<-：271 H:331=2 -2+2:- AN ,12+< O1<P （ R） ： <AK- -1+<5=6? 835OA<A6> Q=213=+25A=+<， !’$C； !’% # !’B
$%)%, 不同成型角波纹管的压缩变形 不同成型角的波纹管压缩—变形曲线如图 / 所示。由图可见， 波纹管的压缩变形总体呈非线 性特征， 但在压缩量 + 5 #** 范围内， 近似呈线性 关系。当成型角较大时， 载荷与压缩量可以在较
图& 不同宽度膜片上的应力分布
大的压缩变形范围内成线性关系； 反之， 载荷与压 缩量只能在较小的压缩变形范围内成线性关系， 且随着压缩量的增大， 压缩变形曲线的上升斜率
布出现了非常大的差别。首先最大应力点位置不 同。对于双圆弧和多圆弧膜片， 最大应力点均出 现在膜片的外缘焊缝区域， 而对于单圆弧膜片， 最 大应力出现在圆弧的顶点位置。其次，双圆弧膜 片与多圆弧膜片受力情况较接近， 而单圆弧膜片 上的应力分布极其不均匀， 在膜片内缘应力还非 常小时， 圆弧顶点处已发生了塑性变形。 !&! 波深对膜片受力的影响 图 " 是三种宽度相同而波深不等的膜片。对 由这三种膜片构成的内径 ’())， 外径 *+))， 成型
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机械密封用焊接金属波纹管结构分析与优化
华东理工大学 上海炼油厂 摘 要 安源胜 刘卫东 蔡仁良 何 骁
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分析探讨了膜片波形、 宽度、 膜片成型角和膜片个数对波纹管力学性能的影
响， 并在此基础上对焊接金属波纹管的膜片结构进行了优化设计。通过对各参数的合理 选择和优化， 达到均化膜片应力， 提高波纹管使用寿命的目的。 关键词 ! 引言 机械密封 焊接金属波纹管 优化设计 $.! 波形对膜片受力的影响