機(jī)械密封焊接金屬波紋管的疲勞壽命計算及分析.pdf

1、焊接金屬波紋管機(jī)械密封，是用波紋管來替代密封中的彈簧和輔助密封圈。在旋轉(zhuǎn)設(shè)備旋轉(zhuǎn)時，機(jī)械密封中動環(huán)會產(chǎn)生軸向位移，而波紋管可以依靠本身的特性，來補(bǔ)償及緩沖這一現(xiàn)象。對機(jī)械設(shè)備而言，機(jī)械密封的失效將影響其工作性能和使用壽命，而機(jī)械密封中焊接金屬波紋管的失效在通常情況下為疲勞破壞，因此研討焊接金屬波紋管的疲勞壽命，具有重要意義。
　　S型焊接金屬波紋管機(jī)械密封，在安裝時對中性良好，故不考慮其離心力，對波紋管受力分析。運(yùn)用SolidWo

2、rks和ANSYS Workbench等通用商業(yè)軟件，對波紋管進(jìn)行建模，網(wǎng)格劃分以及靜力學(xué)力分析，得到變形和應(yīng)力的分布云圖，并計算疲勞壽命。另外因波紋管處于高溫工況，故對其進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，探討溫度對疲勞壽命的影響。在此基礎(chǔ)上，對S型焊接金屬波紋管進(jìn)行瞬態(tài)動應(yīng)力分析，得到達(dá)到頂峰的最大應(yīng)力值，并用公式估算其疲勞壽命，與熱-結(jié)構(gòu)耦合有限元結(jié)果相比較。最后，根據(jù)S型波紋管的幾何形狀，設(shè)計U型焊接金屬波紋管，并在與S型相同工況下，求解U型

3、波紋管的疲勞壽命，并與S型相比較。
　　S型焊接金屬波紋管，網(wǎng)格劃分共生成557312個節(jié)點，87000個單元。靜力學(xué)分析結(jié)果，最大變形為3.0586mm，位置在波紋管的游離端，小于其最小允許工作位移7.96mm；最大應(yīng)力值為117.58MPa，位置在波紋管膜片的焊接處，小于材料316鋼的許用應(yīng)力206.7MPa；最小疲勞壽命為3.49年，滿足工廠大檢修的要求。熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，得到最大變形為2.6728mm，小于其最小允許工作位

4、移，其最大變形位置同樣在波紋管的游離端；最大應(yīng)力值為200.2MPa，在波紋管的固定端，是由于固定載荷引起的，在波紋管的焊接處，是危險部位，應(yīng)力為121.11MPa；最小疲勞壽命為2.35年，比靜力學(xué)分析下的疲勞壽命小，但同樣滿足工廠大檢修的要求。
　　在S型焊接金屬波紋管的軸向瞬態(tài)動應(yīng)力最大值為0.5764N時，有限元結(jié)果得到隨時間變化的最大變形值和最大應(yīng)力值。在t=0.021875s時，最大變形值和最大應(yīng)力值達(dá)到頂峰，其中最大

5、變形是2.6881mm，在波紋管的游離端；最大的應(yīng)力值為103.45MPa，位于膜片的焊接處，都在允許范圍之內(nèi)。最大應(yīng)力值與熱-結(jié)構(gòu)耦合同一位置應(yīng)力結(jié)合，求得平均應(yīng)力，代入道林損傷公式中，得到波紋管的使用壽命為2.59年，與有限元分析結(jié)果相差不大。
　　U型焊接金屬波紋管，網(wǎng)格劃分共生成278062個節(jié)點，39432個單元。靜力學(xué)分析結(jié)果，最大變形分別為0.17926mm，小于其允許工作位移，最大變形位置在波紋管的游離端；最大應(yīng)力

6、為198.47MPa，小于材料316鋼的許用應(yīng)力，位置在波紋管的波谷處；最小疲勞壽命為2.29年，滿足工廠大檢修的要求。熱-結(jié)構(gòu)耦合分析時，最大變形為0.16222mm，小于其允許工作位移，最大變形位置在波紋管的游離端；波紋管最大應(yīng)力為567.76MPa，小于材料的3倍許用應(yīng)力，在波紋管的固定端，是由于固定載荷引起的，在波紋管的波谷處，是危險部位，應(yīng)力為166.08MPa；最小壽命為0.16年，不能滿足工廠檢修的要求。
　　U型焊

7、接金屬波紋管與S型工況相同的情況下，進(jìn)行瞬態(tài)動力學(xué)分析，得到隨時間變化的最大變形值和最大應(yīng)力值。同樣在t=0.021875s時，最大變形值和最大應(yīng)力值達(dá)到頂峰，其中最大變形是0.14934mm，在波紋管的游離端；最大的應(yīng)力值為110.32MPa，同樣位于波谷處，都在允許范圍之內(nèi)。最大應(yīng)力值與熱-結(jié)構(gòu)耦合同一位置應(yīng)力結(jié)合，求得平均應(yīng)力，代入道林損傷公式中，得到波紋管的使用壽命為0.17年，與有限元分析結(jié)果相差不大。
　　兩種波形的波

8、紋管，在不考慮溫度的情況下，從疲勞壽命方面來說都能滿足實際生產(chǎn)需要。但是在焊接金屬波紋管機(jī)械密封中，波紋管不僅是連接元件，而且可以對動環(huán)產(chǎn)生的軸向位移進(jìn)行緩沖和補(bǔ)償。若U型波紋管彈性小的話，無法具有這一特性。而且 U型焊接金屬波紋管在高溫工況下，其疲勞壽命比 S型差很多。所以，對 U型焊接金屬波紋管來說，在旋轉(zhuǎn)設(shè)備上，還是有一定的局限性，無法普遍的運(yùn)用。
　　通過以上的研究，為以后對焊接金屬波紋管的設(shè)計研究提供參考，并對S型波紋管