挤压成型金属波纹管机械密封结构设计及应用

李万祥1，马文忠1，何󰀁玮2

（１．兰州交通大学机电学院，甘肃　兰州　７３００７０；２．兰州交通大学艺术设计学院，甘肃　兰州　７３００７０）

根据挤压成型的波纹金属管机械东环密封理论进行分析，对机械密封结构进行科学尺寸选择，实现模型的优摘 要：

化设计。在计算机软件的ＡＮＳＹＳ有限元中的ＡＰＤＬ变成参数化进行优化设计，选择一种合理化的挤压成型金属波纹管机械密封设计理论方法，实现结构设计的优化。

挤压成型；机械密封；波纹管；优化设计关键词：

ＴＨ１３６　　Ａ　　（２０１８）０１－０２４６－２中图分类号：文献标识码：文章编号：1００２－５０６５

Design and application of mechanical seal structure of extruded metal bellows

LI󰀁Wan-xiang1,MA󰀁Wen-zhong1,HE󰀁Wei2

（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｏｆ　ＬａｎＺｈｏｕ　ＪｉａｏＴｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ　７３００７０，Ｃｈｉｎａ；

２．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　ａｒｔ　ａｎｄ　ｄｅｓｉｇｎ，　ＬａｎＺｈｏｕ　ＪｉａｏＴｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，　Ｌａｎｚｈｏｕ　７３００７０，Ｃｈｉｎａ）

Abstract: Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｓｅａｌ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｅａｓｔ　ｒｉｎｇ　ｏｆ　ｅｘｔｒｕｄｅｄ　ｍｅｔａｌ　ｔｕｂｅ，　ｗｅ　ｃｈｏｏｓｅ　ｔｈｅ　ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ　ｓｉｚｅ　

ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｓｅａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ．　Ｉｎ　ｔｈｅ　ＡＮＳＹＳ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｓｏｆｔｗａｒｅ，　ＡＰＤＬ　ｉｓ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｉｚｅｄ　ｔｏ　ｏｐｔｉｍｉｚｅ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ．　Ａ　ｒａｔｉｏｎａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｍｅｔａｌ　ｂｅｌｌｏｗｓ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｓｅａｌ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｔｏ　ｏｐｔｉｍｉｚｅ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ．

Keywords: ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ　ｍｏｌｄｉｎｇ；　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｓｅａｌ；　ｂｅｌｌｏｗｓ；　ｏｐｔｉｍａｌ　ｄｅｓｉｇｎ

机械密封就是利用旋转轴进行自动密封，它是利用一对或是多对垂直轴在补偿结构弹力和流体压力下辅助密封完成轴封装置的密封，也被称为端面密封。随着机械密封环境的不断变化，对于传统的弹簧式机械密封结构，已经满足不了需求了，特备是一些腐蚀介质、高温场合想要不断适应现代发展需求，利用挤压成型金属波纹管机械密封建立相关装置，会带来更大的优势［1］。

表1 机械波纹管密封设计初始参数

名称

波纹管内弧半径R（mm）2

波纹管内直径d（mm）3

波纹管断面内直径d（mm）2

波纹管外直径d（mm）4

波纹管外弧半径R（mm）1

波纹管断面外直径d（mm）1

波纹管的波数n波纹管厚度S（mm）介质压力（MPa）1

断面比压P（MPa）c

参数

1.54246551.55150.20.20.5

1 金属波纹管挤压成型机械密封结构原理

机械密封东环的受力情况见图１。其中密封端液膜反力是Ｆc，密封介质作用力是Ｆ1、波纹管弹力是Ｆs、密封端面流体压力是Ｆm。所以得到东环合理是：

Ｆc＝Ｆ1＋Ｆs－Ｆm

根据上述参数建立数学模型是：（1）目标函数（OBJ）：f（x）=f（x1,x2,……xn）；通过函数变量来判断方案设计的好坏，主要目的就是得到目标函数的极值。想要得到挤压成型波纹金属管机械密封管的尺寸，首先，要了解金属波纹管弹簧比压，根据密封断面和弹簧比压关系建立机械密封弹性力。如图1，初始化金属管的弹力是：Fs=π4（d22-d12）Pc=190.5N（2）变量状态（SV）。状态变量及时对因变量进行控制的值，它是变量的取值范围，以及状态变量空间条件，属于变量设计的函数。所以，设计机械密封时，最大的金属管应力强度（MaxN）需要符合使用材料的应力强度允许范围。

图1　波纹管密封机械东环受力

密封端面的介质不同压力也是不同的，其粘度也是不同

的，得到液膜反压系数也是不同。

3 对机械密封结构模型进行求解

选择ANSYS优化设计方法将以增加问题的目标函数

变成非约束形式的问题，建立目标函数、函数变量状态，来表达显函数。使用曲线拟合法，认为建立状态变量函数、目标函数的近似表达式，拟合状态变量和目标函数曲面公式：H=a0 （4）

其中ai、bi、Cij属于方程的系数。在曲面拟合时，需要明确随机生成法建立的K组合变量，利用有限元方法得到相应的目标函数和状态变量值，这里K要比未知函数系数值大，即：K>2（n+3）n+1。得到每组结果总加权最小二乘误差

12 建立机械波纹管密封数学模型

关于选择金属波纹管挤压成型机械密封波纹管材料，

需要具有耐腐蚀作用，以及也要有弹性，这里选择不锈钢0CR18Ni9材料，关于设计相关参数初始化见表1。

２０１８－０１收稿日期：

李万祥，生于１９７２年，男，甘肃甘谷人，硕士，副教授，研究作者简介：

方向：机械设计、非线性振动。

246世界有色金属 2018年 1月上

是：

2

=∑E=∑W（h(k)-H(k)）=S（a0，a1+a2……cn-1,n）

（5）

K是设计组数变量，H(k)是通过近似算法得到Ｋ组下的Ｈ值，h(k)是利用有限元法得到第K组的变量对应的Ｈ值，

kE2k=12kk(k)k=1ＷK是Ｋ组变量的权，根据Ｋ组设计变量得到最小目标函数的设计空间和函数值。

4.2 结果优化

选择总长度是５％的初始位移波纹管压缩量，根据子步数200计算，将循环次数进行最大优化得到20，最终优化结果见表2。其中带有＊是最优化的结果。根据表中数据得到5次迭代程序收敛，得到最优化结果满足最大的应力强度是ＭＡＸＮ＝250.07ＭＰａ应力条件。

表2 迭代优化结果

迭代书ＤＶＳＶ序号Ｒ（Ｒ（ｍｍ）ＭａｘＮ1ＭＰＲ（ｍｍ）42

ａ）（ｍｍ）

１1.5055.001.50276.30２＊1.761.3857.59250.07３４５

1.701.701.70

1.361.351.34

55.7555.7455.74

256.16256.05256.05

ＯＢＪＦ（Ｎ）x18.90.4928Ｅ－060.9727Ｅ－010.1148Ｅ-030.344Ｅ-03

4 机械密封模型最终优化设计结果

4.1 有限元模型的而建立

根据金属波纹管承载受力和结构特性，建立轴对称二维几何模型。利用４节点建立实体二维结构模型ＰＬＡＮＥ４２单元，将厚度分成３分，使用映射网格建立几何模型。通过计算得到６９００个单元数目，节点术是9204。材料的参数是：泊松比µ＝0.3，弹性模量Ｅ＝195×103ＭＰａ，温度条件不考虑。加载有限元模型见图2。

5 结语

一般在选择挤压成型波纹管金属机械密封端面比压时，会

先确定端面比压，在将金属波纹管弹力比压进行调整，这样可以保证密封端面压力不变，同时满足密封需求。根据上述数学模型的而建立，可以发现利用ＡＮＳＹＳ有限元法对加压成型波纹管金属机械密封管进行优化，效果比较好，同时还能得到优化的金属波管结构，完成金属波纹管挤压成型机械密封设计。[1]󰀡阿斯耶姆&#;肖开提,穆塔里夫&#;阿赫迈德,蒙伟安.焊接金属

波纹管机械密封静环的温度场及热应力分析[C]//全国机械设计年会.2010.

图2󰀁有限元加载波纹管模型

（上接245页）

而且通过实验可以分析出，及时在消解体系中使用和盐酸也必须要做好测定前处理，这样才能获得好的消解效果，否则样品中会有残渣存留。所以，使用微波消解法能够降低酸的使用量，消解时间较短，避免了复杂的操作过程，提高了测定的效率。通过实验发现，消解过程温度在180℃以上，样品可以完全消解，而且测定结果的准确性较好。

其次，由于土壤中含有矿物质元素，所以在进行测定过程中要排除基体干扰，这就需要选择合适的基体改进剂进行排除，所以，在多年工作经验的指导下，本次实验主要使用了五种原料作为的基体改进剂，分别为：磷酸二氢铵、镧、镁、氯化肥、铝溶液，测定结果显示，这五种原料在增敏效果上存在差异，但使用氯化肥时能够使测定的准确性和灵敏度达到最佳，所以本次实验的基体改进剂为浓度在每升5克的氯化肥溶液。

再次，根据分析样品的步骤，需要对调制出的所有系列的铅和镉标准样品溶液进行分析，并计算出其在结果上存在的偏差，再根据公式计算出铅和镉的检出限，最后能够确定其中铅和镉的最低检出浓度。本次计算过程中，标准溶液的偏差为每升0.025微克和0.291微克，根据MDL=S×t（n-1,0.99）公式，计算其中t的值，由于本次实验共有7个标准溶液，所以n为7，t=3.143，计算出的铅和镉的检出限分别为每升0.9微克与0.08微克。在样品质量为0.3克、定容标准为50毫升时，铅的最低检出浓度为每克0.15微克、镉的最低检出浓度为每克0.013微克。

最后，要对词中方法的准确度、精密度、加标回收率进行检测。根据此种方法进行的实验测定，其中配置的7中标准

溶液测定结构均在标准的定值范围内，而且偏差也控制在了

2%的范围内，表明此次实验的准确率较高，精准度也较好。

加标回收率检测过程中要选择8种不同地点的土壤作为样品，选定后两进行分组，分组后按照上述实验步骤进行消解，消解过后回收到实验室，测定加标回收率的范围，本次实现加标回收率在93%至104%范围内，具体的结果如表1和表2所示。

表1 铅加标后的回收结果

样品标号测定值（μg.L-1）加标量（μg.L-1）测定总量（μg.L-1）回收率（%）

1

23411412914512330303030142158176151≈93≈97≈103≈93

表2 镉加标后的回收结果

样品标号测定值（μg.L-1）加标量（μg.L-1）测定总量（μg.L-1）回收率（%）

1

2340.1.510.931.341.51.51.51.52.452.942.412.86≈104≈95≈99≈101

3 结语

综上所述，文章对石墨炉原子吸收光谱法的实验过程中进行了分析，从中探讨了方法的最佳使用条件以及实验的最佳设计方案，发现其具有灵敏度高、准确率高、操作简单等优势；并且对实验结果进行了讨论，以便这种方法能在日后得到广泛的应用，发挥更大的价值和作用。[1]󰀡韦必帽，黄坚锋.两种基体改进剂在石墨炉原子吸收光谱法测定土壤重

金属镉中的研究[J].绿色科技,2017,23(2):50-51,56.

2018年 1月上 世界有色金属247