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(1.中國核電工程有限公司，北京　100840;2.北京化工大學，北京　100029;3.北京京城環(huán)保股份有限公司,北京　100029)

在核電站等受核輻射的場合，采用鉛板、鋼板或墻壁等措施屏蔽輻射是常用措施之一。在需要穿墻進行轉動或往復操作時，其密封問題要求高、難度大。動態(tài)密封總是存在著某種程度的泄漏，為了使密封更有效，通常采用更復雜的密封結構或者采用多級密封來實現[1-3]。但多級密封或通過向靜密封施加高載荷都不能實現無泄漏，小分子會不可避免的通過間隙發(fā)生泄漏[4-6]。在核輻射的場合，對泄漏的要求就是要求完全不漏，而一般密封難以做到轉動與“零泄漏”。

本文提出全屏蔽金屬波紋管旋轉傳動裝置，將動密封問題轉化為靜密封問題，在實現運動的傳遞的同時，利用機構傳動方式的轉變消除動密封泄漏點，達到隔離屏蔽工作端與動力端的效果，消除動密封泄漏點。本裝置適用于要求嚴格限制泄漏的低速旋轉設備，在波紋管保證結構完整的前提下，可以完全屏蔽密封泄漏點，安全性能遠高于其他動密封。

1　全屏蔽金屬波紋管旋轉傳動密封裝置結構及原理

圖1為全屏蔽金屬波紋管旋轉傳動裝置結構圖。工作時，輸入軸帶動偏心盤轉動，在偏心盤上偏心設置的撥動銷軸帶動與其同軸的搖動軸折起段搖動，帶動搖動軸水平段轉動。波紋管兩段焊有法蘭，法蘭連接處設置有靜密封圈，與工作輸出端構成一個連通的密封腔體，把搖動軸包覆其中，將輸入端和輸出端隔離開來。波紋管隨撥動銷軸發(fā)生搖動變形，將動密封問題轉化為靜密封問題，在傳遞轉動的同時達到全屏蔽的效果。

圖1　全屏蔽金屬波紋管旋轉傳動裝置結構圖Fig.1　The structure of full-shielded metal bellows rotating transmission

全屏蔽金屬波紋管旋轉傳動裝置主要有兩個部件構成，分別為：將旋轉運動由輸入端傳遞到輸出端的傳動部件；將輸出端和輸入端隔離的屏蔽部件。

(1)傳動部件

傳動部件包括搖動軸、撥動銷軸、偏心盤和輸入軸。主要功能是完成旋轉傳動裝置中旋轉運動和搖動運動的轉化，最終將輸入端的轉動傳遞到輸出端。

圖2　傳動部件Fig.2　Driving parts

如圖2所示，搖動軸軸線呈折線，其中水平段為輸出段，與屏蔽密封的輸入軸同軸；搖動軸搖動段與水平段呈夾角θ。繞水平段軸線作圓錐旋轉，帶動輸出段旋轉。

(2)屏蔽部件

屏蔽部件包括波紋管組件和搖動銷軸。主要功能是作為屏蔽套將輸出端與輸入端隔離。

圖3　屏蔽部件Fig.3　Shielded parts

如圖3所示金屬波紋管兩端均焊有波紋管法蘭，輸出端波紋管法蘭與墻壁預埋件連接固定，輸入端波紋管法蘭與撥動銷軸連接。波紋管法蘭設置Q形圈槽，連接處采用Q形圈密封，作為全屏蔽金屬波紋管旋轉傳動裝置中的靜密封，由此形成一個與工作端連通的屏蔽腔體。

金屬波紋管是具有良好的拉伸和壓縮性能的彈性元件，允許有限范圍內的拉伸和壓縮，當搖動軸作圓錐旋轉時，金屬波紋管作圓錐搖動，一側拉伸一側壓縮，波紋管應力做周期性變化。因此波紋管是該裝置中易受疲勞破壞和設計薄弱環(huán)節(jié)，本文重點對波紋管應力應變進行模擬分析和試驗驗證。

2　金屬波紋管屏蔽部件數值分析

建立金屬波紋管有限元模型，對波紋管轉角、應力等進行分析。其材料為S31603，其屬性見表1。

表1　波紋管材料屬性Table 1　Properties of beuows materials

2.1　有限元模型

波紋管模型[7-8]尺寸(見表2)，采用殼單元SHELL181，建立三維模型，如圖4。

表2　波紋管模型參數尺寸Table 2　parameters and sizes of bellows model

圖4　金屬波紋管有限元模型Fig.4　Finite element model of metal bellows

2.2　邊界條件

在裝置中，金屬波紋管兩端與固定的法蘭連接，兩端固支，端面始終保持為平面，其力學模型如圖5。

圖5　力學模型圖Fig.5　Mechanical model

波紋管輸入端面的轉角與搖動軸的拐角相等，波紋管輸入端面中心位移R與轉角θ的關系滿足式：

T=F·R

R=l·tanθ

其中：F——輸入端和輸出端受到的作用力，N;

T——波紋管旋轉力矩，N·m;

R——回轉半徑，m;

l——密封結構水平方向尺寸，m。

波紋管輸出端施加全約束，波紋管輸入端施加位移和轉角。

2.3　模擬結果及分析

2.3.1波紋管應力

圖6所示為金屬波紋管在搖動狀況下的應力強度分布情況。

圖6　應力強度分布云圖Fig.6　Stress intensity distribution cloud

彎曲時，在波紋管中性面處應力強度最小。應力強度整體分布關于波紋管中性面對稱，最大值出現在第一個波谷與圓環(huán)連接處。壓縮側與拉伸側的應力強度最大點關于波紋管中性面對稱，其應力強度數值相等。

可見，搖動工況下波紋管軸線發(fā)生彎曲，壓縮最大處和拉伸最大處應力影響區(qū)關于波紋管中心線對稱分布。波紋管左端為機構輸出端，且為波紋管圓錐運動的錐頂段，單波沿周向應力分布范圍最大，往右單波應力范圍逐波減小。在靠近輸入端處應力逐漸增大。最大應力值在波紋管結構的兩端處，在安裝焊接過程中要及時消除波紋管焊接應力，同時使用過程中對這兩處位置進行重點監(jiān)測。

2.3.2應力的影響因素

(1)壓力

以壓力為變量，對波紋管施加不同的壓力，分析波紋管中應力變化。

圖7中列出了波紋管在壓力、位移和轉角以及組合作用下的應力強度分布。其邊界條件為：①對波紋管兩端全約束，并施加10 KPa壓力；②波紋管一段全約束，一端施加5°對應的位移和轉角；③對一端施加全約束，另一端施加位移和轉角，同時施加10 kPa內壓。

由圖7(a)知，僅受壓力作用時，波紋管內應力強度分布基本為左右對稱，最大應力強度出現在兩段約束位置處第一個波的波谷。

通過圖7(b)可知，波紋管在位移和轉角作用下，危險點在左端壓縮和拉伸側的第一個波波谷。比較圖7(b)和圖7(c)可得，對屏蔽密封的波紋管施加一定壓力后，應力強度分布發(fā)生變化，最大應力出現在左端壓縮側的第一個波的波峰處，壓縮側應力強度明顯增大，而拉伸側應力強度明顯減小。壓力對壓縮側應力起增幅作用，對拉伸側起減幅作用。壓縮側和拉伸側應力強度不再對稱。

圖7　波紋管應力強度及變形Fig.7　Stress strength and deformation of bellows

圖8　不同壓力下最大應力強度及反作用力Fig.8　Maximum stress intensity and reaction force at different pressures

改變施加壓力的大小，求得最大應力強度及反作用力如圖8。

最大應力強度隨內壓的增大而增大；由反作用力和力矩看出，由于內壓的作用，明顯減小了波紋管支撐端的反作用力和力矩。

(2)角度

當裝置水平尺寸一定時，若改變搖動軸角度θ，與搖動軸輸入端裝配的波紋管輸出端的位移和轉角隨之發(fā)生變化。因此，改變角度θ，波紋管中產生的應力也隨之變化。圖9中為不同角度θ下模型的波紋管最大應力強度點的應力強度值、軸向應力值和周向應力值。

由圖9可見，當應力值低于波紋管材料的屈服極限前，波紋管內最大應力、軸向應力和周向應力均與角度θ成正比關系，隨著角度θ的增大，波紋管內最大應力成比例增大。若最大應力超過屈服應力后，波紋管發(fā)生塑性變形，最大應力隨角度增大的斜率變小。在總長度一定的情況下，當角度θ增大時，其最大應力值在達到屈服極限前都隨角度線性增大。

圖9　不同角度θ時波紋管最大應力Fig.9　Maximum stress of bellows at different angles

3　試驗驗證

3.1　試驗裝置

采用如圖10所示的設計的波紋管屏蔽密封試驗臺進行試驗測試。為了方便研究角度對波紋管的影響，試驗裝置中將搖動軸設計為兩根軸，中間用銷軸連接，便于改變搖動軸的角度。

3.2　實驗分析

3.2.1應力

由于波紋管是搖動的，應變應力為動態(tài)簡諧周期性變化，應變隨時間的變化可以用簡諧周期函數描述。

圖11　沿軸向測試點應力變化曲線Fig.11　The stress change curve along the axial test point

可見測試點的應力是隨旋轉遵循簡諧波周期變化，由圖11可見波形重復度很好，說明波紋管運動平穩(wěn)，滿足試驗結構要求。

圖12　沿軸向6個測試點峰值應力Fig.12　Peak stress at 6 test points along the axis

通過分析模擬和試驗所得數據，軸向應力和周向應力誤差均小于10%。軸向應力和周向應力均由輸出端開始減小，在靠近輸入端處達到最小值，而后開始增大。試驗數據和模擬數據的變化趨勢相同。在試驗過程中，由于波紋管承受交變載荷，會產生一定熱量，使密封結構溫度升高，影響裝置的使用壽命。因此在實際使用過程中應注意監(jiān)測波紋管的溫度，及時降溫，防止波紋管溫度過高。

3.2.2應力的影響因素

(1)壓力

角度調整為7°，轉速為4 r·min-1時，向波紋管內打壓，壓力從零逐漸增大，測得各壓力值穩(wěn)定時軸向和周向應力值。

由圖13可見，當向波紋管內打入壓力逐漸增大時，壓縮側子午和周向的應力均隨之增大，而拉伸側的軸向和周向應力值反而減小，兩者變化值基本相等。這與模擬的變化趨勢是相同的。

圖13　不同壓力下應力曲線Fig.13　Stress curves at different pressures

(2)角度

改變搖動軸角度，得出第一個波和第七個波的應力時間曲線，如圖14，經過處理后得出應力繪制如圖15。

由圖15可見，當角度發(fā)生改變的時候，應力隨角度的變化趨勢與本文模擬趨勢基本一致，應力隨角度的增大而增大。

圖14　第1、7個波測試點應力時間曲線Fig.14　Stress curve of the first and second wave test points

圖15　不同角度第1、7個波測試點應力角度曲線Fig.15　Stress angle curve for the first and seventh wave test points at different angles

4　結論

1)通過模擬得到，隨波紋管搖動軸角度θ的增大，波紋管最大應力值在達到屈服極限前都隨角度線性增大。

2)改變對波紋管施加的內壓，得出最大應力強度隨內壓的增大而增大，而波紋管支撐端的反作用力和力矩會隨壓力增大而減小。在波紋管設計時主要考慮波紋管兩端應力小于許用應力。

3)通過試驗測量波距變化和運轉狀態(tài)下選定波的某一點應力時間變化曲線，與模擬結果趨勢相同，說明模擬的邊界條件是合理的。通過改變搖動軸角度和壓力，測得二者對應力值的影響，驗證了模擬分析。

4)根據模擬和試驗結果，可以得出波紋管為該裝置的設計使用的最薄弱結構。在實際安裝過程中應按照設計院的安裝技術規(guī)格書進行現場安裝。在使用過程中，應對波紋管結構進行溫度和泄漏監(jiān)測。

5)本裝置主要應用于一些核工業(yè)的低轉速泵的傳動裝置中，能有效地屏蔽高輻射、有毒有害和易燃易爆介質，并且具有很長使用壽命。