焊接波纹管有效作用直径的仿真与试验研究
邹晗阳1，马咏梅1，丁〓万1，魏炫宇1，张国梦1，张〓弦1，陶〓帅1，张有华2，张青成2
(1.四川大学制造科学与工程学院， 四川 成都〓610065）
（2.四川日机密封件股份有限公司， 四川 成都〓610045)
以S型焊接波纹管为研究对象，主要分析介质压力对焊接波纹管有效作用直径的影响。采用ANSYS Workbench对两种不同尺寸的波纹管进行仿真分析，求解得到不同介质压力下的有效作用直径。将波纹管进行加压试验得到的实际有效作用直径与仿真结果作对比，验证了仿真建立的波纹管分析模型和相应分析方法的正确性。总结得出有效作用直径随介质压力的变化规律：当波纹管受内压时，随着压力的增加，有效作用直径不断下降，其下降趋势越来越缓慢,最终趋于一个稳定值；当波纹管受外压时，随着压力的增加，有效作用直径也会不断增加，其增加趋势越来越缓慢，最终也趋于一个稳定值。研究结果为S型焊接波纹管的仿真分析与有效作用直径的计算提供了参考依据。
波纹管有效作用直径d e对机械密封装置的轴向受力以及端面承载能力影响显著。d e的改变将引起端面闭合力的变化，进而降低机械密封运行的稳定性和工作寿命。
焊接波纹管机械密封结构中形成密封的液压闭合力等效于介质压力在有效作用面积内产生的轴向力。当波纹管承受外压时，这个有效作用面积区域是以波纹管外径d2为外径、以有效作用直径de为内径的圆环；当波纹管承受内压时，这个区域是以有效作用直径de为外径、以波纹管内径d1为内径的圆环。
目前焊接波纹管de的通用计算公式为：
d e=d12+d22+d1d2/3≈d1+d2/2
（1）
前人采用液体体积功与虚位移的方法对式（1）进行了证明，多年来一直沿用此公式来近似计算有效作用直径，近年来仅有部分文献针对焊接金属波纹管的有效作用直径进行了分析与讨论：
1）将锯齿形波纹管膜片简化为柔性薄膜板来计算波纹管实际受压条件下的变形接触量。
2）采用弹力计对波纹管有效作用直径进行加压试验，并总结波纹管有效作用直径的变化规律。
上述研究中仍有些许不足之处：
1）未考虑在实际工况下密封介质压力引起波片变形导致有效作用直径变化的影响。在实际工况下，波片在介质压力的作用下将产生挠曲变形，引起波纹管的有效面积发生较大变化。在高压时采用理论有效直径来计算端面比压，会引起较大误差，造成波纹管磨损快, 寿命极短。
2）未采用有限元分析的方法对波纹管的有效作用直径进行探究。
3）未深入研究波纹管受内压或外压时有效作用直径的变化规律以及二者的区别。
本文在前人研究的基础上，针对两种规格（内外径尺寸为55.7/68.8和122.3/139.9，单位为mm）的S型焊接波纹管，进行内压与外压的仿真与试验研究。考虑实际工况下介质压力的影响，利用ANSYS Workbench对波纹管进行有限元仿真分析，并采用测力传感器对波纹管进行加压试验，将试验结果与仿真结果作对比，验证了建立的波纹管分析模型和相应分析方法的正确性，并总结得出在介质
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基金项目：四川省科技支撑计划项目(2014GZ0128)
作者简介：邹晗阳（1994—），男，河南周口人，四川大学硕士研究生，主要研究方向为机电一体化。
（文章来源《机械设计与制造工程》杂志如需详细资料请联系江苏机械门户网客服QQ:2980918915,电话025-83726289）
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