大口径水压试管机端面密封形式研究

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密封钢管外径 ，称为外径向大间隙密封，广泛应用于直径小于 qb508 mm 的钢管试压中。外径密封的最高试验压力可达 140 MPa，由于是密封钢管的外径 ，因此模具结构尺寸只与钢管外径有关；另-方面 ，由于是要密封钢管外径 ，因此作为施压工具 的模具尺寸相对较大，因而对于直径大于 (P508 mm的钢管不适宜采用外径密封形式。外径向大间隙密封示意图如图 1所示。

1 2 3 4l-模 芯；2-模套；3-密封套 ；4-外径密封圈图 l 外径向大间隙密封示意图1.2 内径密封密封钢管内径 ，称为内径向大间隙密封 ，广泛应用于直径大于 qb355 mm小于 (P720 mm 的钢管 ，最高试验压力可达 140 MPa。由于采用密封钢管的内径 ，因此模具的尺寸相对较小，但是由于钢管的壁厚范围较大 ，因此所做模具的型号也多 ；另外，由于要对钢管的两端部位内径方向进行密封，因此对设备的同心度要求高，而对于直线度较差的大口径钢管试压有-定难度，因此内径密封使用也有-定的局限性。内径向大间隙密封示意图如图 2所示 。

1.3 端面密封端面密封模具结构相对简单，并且对于不同型号钢管无需更换试压模具，因此所需要的工模具相对而言少得多 ，对被试压钢管的对 中性 要求也低 。但由于受密封本身性能的影响，端面密封模具试验压力-般不超过 3O MPa，而大 口径钢管 的试验压力相对较低 ，因此广泛用于大 口径钢管的试压。端面密封示意图如图 3所 示 。

1-模芯 ；2-压板 ；3-内径密封 圈；4-密封压板图 2 内径 向大间隙密封示意 图2 影响端面密封试压效果的因素2.1 端面密封材料硬度对于试压效果的影响端面密封材料为聚氨酯或者改性尼龙 ，其硬度对试压效果影响显著，本文分析对 比 3种材料硬度对钢管试压压力的影响。

(1)材料邵氏硬度低于 9O：试验结果表明此硬度最高试验压力为 10 MPa，大于 10 MPa后密封严重变形 ，产生翘曲现象。

(2)材料邵氏硬度大于 90小于 94：试验结果表明此硬度最高试验压力为 15 MPa，大于 15 MPa后密封严重变形 ，产生翘曲现象。

收稿日期：2012-O8-20；修回日期：2012-09-15作者简介：寇永乐 (1980-).男，山西永济人，工程师，硕 I：，主要从事机械设计方面研究I作。

2013年第 l期 寇永乐，等：大口径水压试管机端面密封形式研究 · 121 ·(3)材料邵氏硬度为 96：试验结果表明此硬度最高试验压力为 28 MPa，密封使用寿命长。

- I- J1-外压环；2-模套 ；3-蛰板 ；4-内压环；5-端面密封圈图 3 端面密封示意图由此可见，内、外径密封-般应用于试验压力较高的诚 ，而端面密封则应用 于压力低于 30 MPa的情况下，作者建议端面密封使用压力≤20 MPa。

并不是说端面密封材料 的硬度越高越好 ，由于材料硬度过大，密封脆性大，在使用过程中容易出现裂纹 ；另外 由于密封硬度大，对钢管的密封性能下降。

2.2 端面密封模具摆角对于试压效果的影响端面密封是靠对钢管端面进行密封，因此若钢管端面斜度较大，而模具本身又不具有-定 的补偿量，则起不到密封的效果，试验压力也就建立不起来，所以在设计中必须考虑模具留有-定摆角，-般情况下，摆角控制在2。

1-外压环 ；2-模套 ；3-垫板；4-内压环 ；5-端面密封圈；6-摆动接头体图 4 摆动接 头体示意 图2.3 轴向压力对端面密封试压效果的影响模具受力示意图如图 5所示。在试压过程中，为保证对钢管端面进行有效密封，须在钢管两端面施加轴向力 P。，而钢管内部又受到高压水的作用，对试压模具有-反作用力 P 。P 撒于钢管内径和试压压力，而轴向力 设置的大小是决定整个试压过程成功与否的关键。若P P ，但具体数值撒于以下两方面因素。

2.3.1 密封所需的力若要对钢管端面进行密封，密封圈本身需要有-定的压缩变形量 △L，-般 △L在 5 mm左右。在密封圈弹性变形范围内，密封圈受力 可粗略按下式计算：△L-P。L/(EA)。 (1)其中：L为密封圈厚度；A为试压钢管截面积；E为密封圈的弹性模量 。

前密封 封装置图 5 模具受力示意图所以密封圈受力为：P。- 。 .(2)为实现对钢管端面的密封，要求施加在钢管端面的力 P2既要大于钢管内部受到高压水的作用力 P ，又要克服密封本身变形所受之力，即：P2- P3Pl 。 (3)为确保试压正厨行 ，-般情况下实际设置的 P。

2.3.2 钢管强度与稳定性由于钢管自身受轴向力作用，-方面要校核其抗压强度，另-方面需要校核其抗压稳定性，这对于直径孝长度大、壁厚薄的钢管尤为重要。

图 6、图 7、图 8是在 中国重型机械研究院为国内某钢厂设计制造的qb720水压机所做的关于钢管试压压力与 P 和P。的关系图。由图 6～图 8可以看出，随着试压压力的增加，P 和 P。也随之增大。

0 b l0 lb ZO Zb试验压力/MPa图 6 (P530×52钢管试压压力与 P。、P。关系图3 结语本文分析了外径密封、内径密封以及端面密封使用的优缺点以及适用范围，研究了影响钢管端面密封试压效果的因素 ，为实际设计大 口径端面密封模具提供了有力依据。

(下转第 124页)· 124 · 机 械 工 程 与 自 动 化 2013年第 1期力主要集中于顶部中间和四周齿面位置处。当到达i00 时，锻 件在整个过 程中的最大应变抗力达472 MPa，这为选择合适的锻件材料提供有利帮助。

从图6中可以看出，锻件在不同进度时，最大温度主要集中于顶部中间位置和齿槽凹坑的地方。锻件在整个过程 中达到 的最高温度 为 1 497 K，最低温度为l 273 K，这与实际情况较吻合。

4 结语通过 SuperForge软件模拟分析了锥齿轮在锻压过程中接触应力、应变抗力和温度变化等的情况♂合模拟结果可有效地指导模具结构的设计及锻件工艺参数的设定，有效减少了实际生产过程中模具的试验次数，提高了模具寿命 ，减少了原材料的浪费和产品的开发周期。这对于提高产品的生产效率和质量，降低模具制造成本也有非常重要 的实际应用价值 。