中密封环的优化设计

王玉+苗岐

摘 要：众所周知，所有的机械都需要应用到机械密封这一元件，机械密封元件虽然较小但是却对机械寿命有着重要的影响作用，因为其能够决定机械使用的可靠性以及安全耐久性。可以说密封技术并非是当前先进技术之一，但是却是机械不能缺少的重要技术，而通常密封元件建立在密封环基础之上，本文将通过AWE软件（即有限元分析软件）展开对密封环良好设计，一方面通过优化设计将设计精度良好提升，另一方面也对新机械设备的研发起到辅助作用。

关键词：机械密封；密封环；优化设计

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.04.035

0 前言

一般来讲密封环是机械密封这一元件重要零部件，能够对机械密封实际效果产生直接影响，而如果是密封面在温度改变或者是压力变化之下也会出现相应的气密性降低或者是密封环变形状况，最终导致机械密封失效。以往设计师对于密封环的设计依托的是自身设计经验以及力学公式，对密封环结构予以手工形式的不断调整，调整完毕后展开试验，试验完毕后还要再调整改进，可以说耗时耗力。而隨着现今科技发展以及技术更新，AWE软件则实现了广泛应用，众多的设计者依托AWE软件来简化密封环试验环节，减少不必要重复试验。

1 初探AWE软件优化设计介绍

AWE软件现今已经被众多领域所广泛应用，从AWE软件本质上讲，其将优化以及仿真和相应的设计良好融合在一起，包含重要的设计模块以及分析模块和相应的建模模块，而本文则重点研究的是AWE软件的设计模块。从设计模块来讲，主要是探寻一种最优化的设计技术或者是设计方案，这对于当前众多机械产品方面的形状设计将产生关键影响作用，一些研究者依托参数技术构建设计仿真环境，在满足设计约束函数基础之上进行优化计算，对设计参数予以不断调整并最终实现目标函数相应极值的获取，由此也就得到了设计上的最优方案。其中目标函数将结构响应方面参数包含在内，如最大变形参数以及最小寿命参数以及相应最大应力、质量等方面参数；设计变量则主要是讲材料性能参数以及几何尺寸参数等包含在内；约束函数则是将限制最大变形以及限制最大应力包含在内。而所有的参数处于仿真环境中可以是结构形式，也可以是几何参数，还可以是边界条件等等[1]。而设计模块展开对密封环设计的时候需要是具备三个前提：其一是密封环系列零件有着相似外形轮廓，如相同尺寸大小或者是相似相关零件结构。其二是密封环特征尺寸可以和设计参数建立起紧密的内在关系，在参数值产生一定的改变的时候也可以模拟密封环驱动模型。其三是能够依托零件尺寸的实际调整变化对密封环实际性能起到改善作用[2]。

2 探析AWE软件优化设计程序

（1）分析密封环零件。在对密封环予以优化设计的过程中首先需要分析其零件，在分析的基础上构建几何模块并进行模型参数的设置，之后将设置的参数导入AWE软件之中予以分析。具体以釜用机械来讲，其密封面常常会在外界压力实际作用之下出现一定的变形，也就是说其中密封静环以及密封动环产生了一定的变形，由此机械中也会形成一定的发散间隙，这些发散间隙从外径延续到内径之中，如果是密封面产生较大变形密封效果也会有着较大的改变。设计密封环其实归根结底是优化密封面或者说是控制密封面不出现变形。站在密封面受力层面上讲，需要将密封面所承受的压力平衡予以重点考虑，由此回避密封面变形或者是密封面移位等造成的密封失效状况。釜用机械密封面多由碳化硅材质动环构成，有着粗壮的结构同时具备较高弹性模量，依托AWE软件分析其零件能够发现机械密封面有效较小变形，基本上不影响其作用的发挥，而密封内环则是由石墨材质构成，具备较小的弹性模量，而这也是该机械出现一定密封面变形的重要原因，见图1。

（2）建立模型并划分网格。依托AWE软件建立设计模型，而设计模型建立原则为提升密封环密封精度，建立模型需要考虑以下三方面内容：其一是釜用机械主要是密封静环出现一定变形，因此只需要研究密封静环即可；其二是密封静环无论是边界条件还是相应的几何形状均具备对称性，因此可以展开有效的二维分析；其三是建模应用密封静环实际纵截面即可。由于受到O形圈以及相应轴径实际尺寸方面限制进而划分出固定零件尺寸以及变化零件尺寸，一般固零件尺寸不会对密封静环产生变形影响，而变化零件尺寸即可变参数则常常对密封静环形成变形影响，在建立设计模型之后就需要智能化的良好划分网格，依据釜用机械密封结构，其网格划分为众多的单元以及节点，见图2。

（3）优化变形参数。在依托AWE软件建立设计模型并划分网格之后就需要优化密封静环变形参数，AWE软件能够将设计模型中的变形参数统计出来，之后和正常釜用机械密封静环参数予以比对，调整变形密封静环实际参数，促使其接近标准参数或者是和正常机械密封静环参数相同。由此促使釜用机械在仿真模拟环境之下实现密封实际精度的提升，为釜用机械强化密封效果奠定坚实的基础[3]。

3 结语

综上分析可知，时代发展以及社会更新，机械设备密封性成为了大众关注的焦点，因为由于机械密封性差会引起一定的经济损失以及人员伤亡，由此当前众多的研究学者开始关注机械设备密封性，而一些机械设计师更是对密封环依托AWE软件予以了良好优化设计，而建立在AWE软件优化设计密封环基础之上则最可以将密封环设计周期大大缩短。本文将对机械密封起着重要影响作用的密封环设计作为研究核心，期望为密封环方面的研究提供理论上的参考依据，更旨在为未来机械密封的优化献出自己的一份研究力量。

参考文献：

[1]温庆丰，刘莹，黄伟峰，索双富，刘向锋，王玉明.机械密封端面材料WC-Ni硬质合金的研究进展[J].粉末冶金材料科学与工程，2011（01）：1-6.

[2]周平，戴恒震，金洙吉，王宇，康仁科，郭东明.周向波度密封环预变形平面研磨加工中的变形分析[J].机械工程学报，2015（11）：171-176.

[3]雷征，刘志让，陈建华，付平.高压补燃液氧/煤油发动机弹性金属密封技术探讨[J].火箭推进，2014（03）：7-15.