锥面密封的轴力计算方法与应用

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1、锥面密封的轴力计算方法与应用　　吴启保，胡青春，邵明　　摘要：本文从分析带有锥角差的锥面过盈配合的弹性变形入手，推导了接触宽度l与最大半径过盈量δmax之间的关系，给出了为保证接触宽度和接触压强而应施加轴向力大小的计算方法。根据本方法计算出吹瓶机上锥面密封所需的轴向力，实际应用证明了该方法的正确性。　　关键词：弹性变形；锥面密封；轴力计算　　中图分类号：TH137.8　　文献标识码：B　　文章编号：1001-3881(1999)05-42-041　引言　　目前，在高压场合使用锥面密封相当普遍，这种密封所用的锥体是重要的密封元件，锥体出色地体现了线接触原理，以最小的接触力形成密封。但由

2、于缺少完整的设计资料，给实际应用带来一定的困难。根据有关资料介绍［1］，采用这种型式的密封，最适宜的锥面角度为60°，且两配合表面应具有2°～3°的锥角差，以能得到接近线接触的小面积的接触。为达到密封要求，根据经验，最小接触面宽度不得小于1.5～2.5mm，密封结合处的表面光洁度需达到Ra0.4并需保证接触面处有一定的比压值。对于不同材料，不同锥角，为使接触面处达到一定的接触宽度和比压值所需加的轴向力大小是不一样的，准确计算出锥面密封应施加轴向力大小，对锥面密封的设计和应用是十分重要的。本文提出了一种该轴向力的计算方法，并介绍成功应用该方法设计制作锥面密封的工程实例。2　主要参数的符

3、号、意义及其取值　　图1为锥面密封结构图。图　1　　下面将计算过程中主要参数的符号、意义整理成表1所示。表1　主要参数的符号及计算公式符号意　　　　义计算公式或取值依据d0被包容件内径结构参数d0=12mmd1配合直径结构参数d1=27mmd2包容件外径结构参数d2=40mmθi被包容件外径结构参数θi=59θa包容件的锥角结构参数θa=61qi被包容件的直径比q1=dfo/df1=d0/d1qa包容件的直径比qa=df1/df2=d1/d2Ci被包容件的拉美系数Ci=(1+q2i)/(1-q2i)-γiCa包容件的拉美参数Ca=(1+q2a)/(1-q2a)+γaγi被包容件的

4、泊松比系数钢　　γi=0.25～0.35γa包容件的泊松比系数铝合金γa=0.33Ei被包容件的弹性模量钢　　　Ei=1.9～2.2×105MPaEa包容性的弹性模量铝合金Ea=0.65～0.75×105MPaμ包容件与被包容件间摩擦系数对于钢与铝合金μ=0.02～0.083　计算公式的推导及主要计算步骤　　作为计算基础，这里对过盈配合计算的结果作一简单说明：过盈配合计算是以两个简单厚壁圆筒的过盈联结作为基础［2］，其计算结果如表2所示。其中包容件相当于只受内压力作用的厚壁圆筒，被包容件相当于只受外压力作用的厚壁圆筒。σr、σt为包容件和被包容件体内某点处所受的径向应力和切向应力。对

5、于相接触的包容件内表面及被包容件的外表面，其半径值为同一值，设为rf，这样在包容件的内表面，应力值为：　　在被包容件的外表里，应力值为：表2　主应力与径向位移分析简表受内压pf作用(包容件)内表面上点的主应力与径向位移受外压pf作用(被包容件)外表面上点的主应力与径向位移在过盈联结中，包容件的内表面和被包容件的外表面上存在结合压力Pf，因而将产生径向变形，在Pf的作用下，包容件各点将产生径向伸长，被包容件各点将产生径向压缩，设包容件、被包容件内某点的径向位移分别为ua、ui，相应计算式为；　　于是，在包容件内径上各点的径向位移为：　　在被包容件外径上各点的径向位移为：　　(1)接触面

6、宽度l与最大半径过盈量δmax之间的关系　　现作如下假设：在适当的轴向力作用下，包容件与被包容件的变形均为弹性变形。变形关系如图2所示：aa为被包容件的锥面母线，bb为包容件的锥面母线；初始接触位置在图中实线处（此时两件均无变形），当被包容件在轴向力的作用下相对于包容件沿着轴线方向移动时，若被包容件为绝对刚性，则被包容件将由图示实线位置移动到图示双点划线位置；但是实际上，被包容件也会产生弹性变形，于是，变形后实际接触面在图2中粗实线KUTH所示位置。图　2　　根据弹性变形分析，并结合图2可知：　　则　　设　　在图2中Δθ＝∠IHJ,θ=∠THI　　则Δθ＝(θa-θi)/2令，则

7、tgθ=k1tg(Δθ)=k2，即θ=arctg(k2)　　在图2中∠GnOJ=∠IHJ=Δθ　　则IJ=rcos(Δθ)-(r-y)=y-r(1-cos(Δθ))式中：r为过渡圆弧半径。　　TI=k1IJ　　l2=TH=TI/sinθ=k1.IJ/sinθ　　在图2中　　将KFn分成n等分，并设由K至Fn间的等分点分别定为F1，F2，…，Fn-1。显然，y0=0,yn=y。式中：si为KU上相应各分点间的距离。　　而且　FnI=r.sin(Δθ)　　所以