核主泵用流體靜壓密封環熱裝式夾具設計及預變形分析

劉彩紅， 金洙吉

（大連理工大學 精密與特種加工教育部重點實驗室，遼寧 大連 116024）

0 引言

核主泵是核電站運行的心臟部件，其用于驅動冷卻劑在一回路的循環。包括日本福島核電站事件在內的一系列核反應堆案例，都充分說明了反應堆及時冷卻的重要性。核主泵流體靜壓型機械密封是核主泵安全運行過程中采用的重要密封形式，具有長壽命、高負載等優點，能夠有效阻止冷卻劑的泄漏［1-2］。端面開收斂錐度的流體靜壓密封環端面具有很小的傾角，約為170～700μrad，在動環和靜環之間形成一層流體薄膜，從而阻斷兩個密封環端面的接觸［3］，減小摩擦和泄漏量。在實際運用中，密封靜環主要由碳化硅、碳化鎢等硬質合金制成，表面粗糙度需要達到R a5 nm，因為加工精度非常高［4］。而且由于密封環端面錐角很小，因而在加工過程中，任何微小的變形或者加工誤差都會對靜環的密封性能產生較大的影響。

在普通的磨床上進行加工時，工件軸向的磨削余量分布不均勻，因而不能獲得較高的加工精度，而在多軸聯動數控磨床加工時，由于圓弧形砂輪本身形狀的保持性較差，則容易造成端面加工高度殘留，也不能保證高的加工精度［5］。針對目前砂輪磨損及端面面形加工精度低的問題，需要通過開發新的方法對加工精度進行優化，從而獲得高精度的面形。

霍鳳偉等［6］提出了采用工件旋轉杯形砂輪切入磨削原理來加工核主泵用靜壓密封環圓錐面的超精密磨削方法，但是這種方法對磨粒的粒度和機床的精度都有很高的要求，所以實現起來具有一定的局限性。本文在1998年Young等［7］所撰寫的專利中提取出變形法加工的思想，利用過盈配合的夾具使密封端面產生軸向彈性變形，然后將突起的波度區加工成平面，夾具卸除后，密封環端面即呈現理想的錐面。這種方法具有簡單、低成本的優點，并且能獲得較高的表面質量，能滿足核主泵密封環表面質量要求。

由于通過熱裝技術將夾具和密封環過盈裝配后，變形無法再度調整。因此，熱裝過程的模擬、預變形的準確預測、夾具的結構設計及其加工精度分析對實現錐度密封環的變形法加工具有重要的意義。針對上述問題，本文采用有限元法，對過盈配合夾具的裝配過程進行了仿真模擬，分析了過盈量對預變形的影響，根據預變形分析結果預測了理想條件下可以加工出的錐形表面。

1 核主泵密封原理

錐面環整體結構示意圖如圖1所示。由剖面圖可以看出錐角β，微觀上端面可以分為密封壩面區和錐面區。在對模型環進行研磨時，需保證表面粗糙度達到Ra20nm。在核主泵運行的過程中，靜環端面與動環端面之間由流體靜壓效應產生了厚度為10～20μm且具有一定剛度的液膜，避免了動靜環間的直接接觸。

對于錐面環預變形平面研磨加工技術的基本原理與過程可參考文獻［8］。為使錐面環達到理想的變形面，本文對Young等提出的熱裝式夾具進行了改進，通過給環施加周期性扭矩，從而實現預變形過程。熱裝式夾具結構圖如圖2所示，為內圓柱面具有加載齒的圓環結構。夾具上部均布加載齒，與密封環外圓柱面之間為過盈配合。下部與密封環接觸，為密封環提供支持力。本文主要研究過盈量和加載齒厚度對預變形面形的影響。

2 預變形過程有限元分析

有限元分析模型

本文建立了熱裝式夾具的二維軸對稱模型，如圖3所示。由理論可知，為了通過變形法和研磨技術獲得理想的預變形，最主要的是要獲得與預加工表面互補的錐面變形。通過過盈配合，給密封環施加周期性的扭矩，本文對此過程進行了有限元模擬。因錐面環變形的均勻性和加載齒的周期性，本文建立了1/9模型。在利用有限元技術進行分析的過程中，通過設定過盈量，分析其變形錐角的大小。在此過程中，忽略了實際過程中的熱裝膨脹和冷縮變形過程，具體參數見表1。

表1 分析模型參數

2.2 有限元模型分析

首先設定過盈量為0.01 mm，對二維軸對稱模型進行網格劃分，其示意圖如圖4所示。建立接觸對，并加載求解。最后可得密封環位移變化情況，如圖7所示。由圖可知，密封環軸向最大的位移變化約為2。

3 有限元模擬結果分析

3.1 過盈量對預變形的影響

通過上述二維軸對稱模型，分析過盈量大小對預變形結果的影響。此時，齒厚設置為5 mm，理論上圓錐面的傾角極小，約在170～700μrad范圍內。通過調整過盈量大小，分別為 10μm、12μm、15μm、20μm、25μm，可得過盈量與預變形傾角存在明顯的線性關系，過盈量與錐角呈正相關關系，如圖6所示。不同過盈量下，夾具的等效應力云圖如圖7所示，變形量均在彈性變形內。

3.2 夾具厚度對變形的影響

在分析夾具軸向厚度對預變形傾角的影響時，控制過盈量為12μm，分別設置齒厚為1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm。所得加載齒厚度與傾角之間的關系如圖8所示，由圖可知，齒厚為3～5 mm時，齒厚與傾角呈負相關關系，齒厚為1～3 mm時，齒厚對傾角的影響較小。不同齒厚下，夾具的等效應力變形云圖如圖9所示。

4 結論

本文以錐面傾角密封環為例，設計了熱裝式密封環夾具，并進行了有限元模擬分析，最后結果如下：1）過盈量為0.01mm時，密封環預變形的最大軸向位移約為2μm。2）建立了熱裝式夾具和密封環的二維有限元模型，并對預變形結果進行了模擬，發現加載齒的過盈量與預變形傾角成明顯的線性關系，因而可通過調整過盈量，從而對密封端面進行優化。3）分析了加載齒厚度與預變形傾角的關系，發現齒厚為3～5 mm時，齒厚與傾角呈負相關關系，齒厚為1～3 mm時，齒厚對傾角的影響較小。

［1］ Erwan G，Isabelle P D.Thermo elasto hydro dynamic modeling of hydrostatic seals in reactor coolant pumps ［J］.Tribology Transactions，2007，50（4）：466-476.

［2］ Noel B，Erwan G，Bernard T，et al.Modeling of non-laminar phenomena in high reliability hydrostatic seals operating in extreme conditions ［J］.Tribology International，2008，41（4）：211-220.

［3］ 王曉雪，劉瑩，李京浩，等.核主泵用動靜壓波度機械密封機理［J］.機械工程學報，2010，46（24）：131-135.

［4］ Huo Fengwei，Guo Dongming，Jin Zhuji，et al.Ultra-precision grinding of hydrostatic mechanical sealing ring face with extremely shallow taper angle ［J］.Journal of Engineering Manufacture，2011，225（4）：463-472.

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［6］ 霍鳳偉，郭東明，馮光，等.核主泵用流體動壓密封環復雜形面超精密磨削［J］.機械工程學報，2012，48（13）：184-191.

［7］ Young L A，Calif M.Method for forming a wavy face ring：US，5833518［P］.1998-11-10.

［8］ 周平，戴恒振，金洙吉，等.周向波度密封環預變形平面研磨加工中的變形分析［J/OL］.機械工程學報，http∶//www.cnki.net/kcms/detail/11.2187.TH.20140904.0845.011.html.