吳軍榮

(皖西學(xué)院 機(jī)械與電子工程學(xué)院，安徽 六安 237012)

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有限元下的Ω機(jī)械密封裝置熱性能研究

吳軍榮

(皖西學(xué)院 機(jī)械與電子工程學(xué)院，安徽 六安 237012)

針對(duì)目前國(guó)外比較先進(jìn)的Ω端面機(jī)械密封裝置，進(jìn)行了機(jī)械密封環(huán)的尺寸設(shè)計(jì)；利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算了潤(rùn)滑冷卻介質(zhì)與靜、動(dòng)密封環(huán)之間的熱流密度，利用ANSYS 軟件建立了密封靜、動(dòng)環(huán)溫度場(chǎng)的模型，計(jì)算了密封環(huán)的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力；研究了機(jī)械密封環(huán)的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)，為研究機(jī)械密封環(huán)的熱影響提供了參考依據(jù)；計(jì)算結(jié)果具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

機(jī)械密封；機(jī)械應(yīng)力；熱應(yīng)力；ANSYS有限元

0 引 言

機(jī)械密封是流體機(jī)械和動(dòng)力機(jī)械中重要的密封裝置[1]，其主要功能是防止泄露。密封件決定了機(jī)器設(shè)備的安全性、可靠性和耐久性，對(duì)整臺(tái)機(jī)械設(shè)備、整套裝置，甚至整個(gè)工廠的安全生產(chǎn)有重要的影響，特別是在船舶、石油化工企業(yè)中，對(duì)保證設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，裝置連續(xù)生產(chǎn)具有重大作用。[2]

對(duì)于水潤(rùn)滑尾軸承的艦船，多年以來(lái)一直以填料壓蓋密封函為主。由于填料與尾軸套之間產(chǎn)生直接的摩擦和磨損，給用船部門帶來(lái)居高不下的維修費(fèi)用，為了解決一系列衍生問題，國(guó)內(nèi)外均進(jìn)行了長(zhǎng)期而深入的研究。[3]

隨著船舶技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，填料壓蓋密封函逐漸被機(jī)械密封裝置所取代，而機(jī)械密封裝置中決定密封性能的螺旋柱形彈簧現(xiàn)在也不能滿足一些復(fù)雜情況下的需要，如今已有被適應(yīng)能力更強(qiáng)的Ω型端面機(jī)械密封裝置取代的趨勢(shì)。此密封裝置的關(guān)鍵之處是Ω型彈簧。因?yàn)樵诖w出現(xiàn)較復(fù)雜的附加振動(dòng)和位移時(shí)，Ω型彈簧有非常強(qiáng)的應(yīng)變能力和補(bǔ)償能力，Ω型彈簧的左端通過壓環(huán)和安裝底座連接在一起，而右端則與密封環(huán)托架和密封環(huán)連接在一起。在安裝過程中，首先給Ω型彈簧一個(gè)預(yù)壓量，在船體航行的時(shí)候，船體尾軸產(chǎn)生軸向沖擊竄動(dòng)時(shí)，Ω型彈簧能夠始終給動(dòng)環(huán)提供一個(gè)彈性力，使動(dòng)環(huán)和靜環(huán)的密封面之間保持足夠的比壓，以保證較低的泄漏量。如果密封面內(nèi)外壓力差通過Ω型彈簧不能達(dá)到平衡，則可以通過調(diào)節(jié)動(dòng)環(huán)的位置達(dá)到平衡。[4]

Ω型端面機(jī)械密封裝置具體形式如圖1，此密封形式是靠動(dòng)密封環(huán)與靜密封環(huán)之間的配合來(lái)實(shí)現(xiàn)密封的。很明顯，這種密封形式，具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、被密封件不會(huì)出現(xiàn)磨損；采用Ω型機(jī)械密封彈簧，對(duì)密封件的偏移和軸線跳動(dòng)有比較好的自順應(yīng)性及補(bǔ)償功能。

但是，目前Ω型端面密封裝尚存在不足，主要體現(xiàn)在：動(dòng)、靜密環(huán)為壓緊一體式，不便于拆修；其次，Ω型機(jī)械密封彈簧外包裹的軟橡膠，時(shí)刻處于反復(fù)伸縮狀態(tài)，抗疲勞能力待考驗(yàn)。

由于Ω機(jī)械密封系裝置具有較好的密封能力，可預(yù)見隨著材料性能及設(shè)計(jì)研發(fā)能力不斷提高和發(fā)展，該裝置未來(lái)的使用前景必將十分廣闊。而目前國(guó)內(nèi)的研究很少，因此，有必要對(duì)此端面密封裝置性能進(jìn)行研究。

1-密封外殼；2-安裝底座； 3-Ω彈簧;4-密封環(huán)托架；5-密封靜環(huán)； 6-密封動(dòng)環(huán)

1 熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力的計(jì)算

目前機(jī)械密封變形的數(shù)值計(jì)算主要是采用有限元法，從機(jī)械變形和熱變形兩個(gè)角度進(jìn)行分析研究[6]。利用ANSYS軟件對(duì)動(dòng)、靜密封環(huán)的溫度場(chǎng)進(jìn)行熱分析，是基于能量守恒中的熱平衡方程，利用有限元法模擬計(jì)算密封環(huán)的溫度場(chǎng)，并計(jì)算密封環(huán)的受壓應(yīng)力和其他物理參數(shù)。

1.1 有限元方法計(jì)算初始條件設(shè)置

(1) 由于密封環(huán)是軸對(duì)稱件，故所受載荷也具有軸對(duì)稱的性質(zhì)，故設(shè)定機(jī)械密封環(huán)的溫度場(chǎng)是軸對(duì)稱的(因此只建立二維軸對(duì)稱ANSYS有限元模型即可)；假定整個(gè)模擬計(jì)算過程在穩(wěn)定的溫度場(chǎng)和穩(wěn)定的熱流密度下。

(2) 忽略動(dòng)、靜密封環(huán)與介質(zhì)摩擦產(chǎn)生的熱量(即攪拌熱)對(duì)機(jī)械密封環(huán)溫度場(chǎng)的影響；計(jì)算過程中，假定所有材料的熱物理性能不隨溫度的變化而變化，且認(rèn)為摩擦系數(shù)不隨溫度等變化而改變；忽略端面間的液膜結(jié)構(gòu)，即忽略了端面間液膜黏度的變化。

(3) 忽略使用過程中材料磨損對(duì)計(jì)算的影響，及動(dòng)能能夠全轉(zhuǎn)化為摩擦熱并被摩擦副吸收。在計(jì)算時(shí)，把動(dòng)、靜密封環(huán)的熱流輸入都當(dāng)作邊界熱流輸入來(lái)處理，則摩擦表面輸入熱流密度滿足：[5]q(x,y,t)=u·(x,y,t)·ν(t)。

1.2 邊界條件的確定

在進(jìn)行模擬計(jì)算前，理論計(jì)算所需的原始數(shù)據(jù)見表1和表2所列。[6]

表1 某工況下的機(jī)械密封運(yùn)行參數(shù)

表2 靜動(dòng)環(huán)材料的性能參數(shù)T

密封介質(zhì)為水，水溫20°C；設(shè)定初始大氣溫度 20°C，其具體性能參數(shù)如表3。

表3 密封環(huán)周圍介質(zhì)的性能參數(shù)

1.3 靜、動(dòng)密封環(huán)熱流密度計(jì)算

在本次計(jì)算中，采用經(jīng)驗(yàn)二維導(dǎo)熱穩(wěn)態(tài)溫度計(jì)算式:T=q(h-y)/λ來(lái)估算密封環(huán)傳遞能量比例的。

式中：h是環(huán)的軸向厚度；y是距端面的距離；λ是密封環(huán)導(dǎo)熱系數(shù)。

由于端面間兩環(huán)溫度相等，所以當(dāng)y=0時(shí)，有

qwhw/λw=qshs/λs。

另有qw+qs=q，下標(biāo)w代表動(dòng)環(huán)，s代表靜環(huán)。

由以上兩式可得

qs/q=1/(1+hsλw/hwλs)。

因密封環(huán)溫度升高的熱源主要是機(jī)械密封靜動(dòng)環(huán)摩擦產(chǎn)生的熱量，它與密封端面的摩擦狀況有關(guān)。

Pg=Psp+B2Ps，

按照以上理論可以計(jì)算出密封靜動(dòng)環(huán)由于摩擦產(chǎn)生的總熱流密度:q=1.55×106W/m2。

根據(jù)靜動(dòng)環(huán)熱流分配系數(shù)即可求得分別作用在密封靜動(dòng)環(huán)上的熱載荷，值如表4所列。

表4 靜動(dòng)環(huán)熱流分配

1.4 有限元仿真計(jì)算

本次計(jì)算主要利用APDL方法將熱流密度載荷以函數(shù)的形式加載，進(jìn)行計(jì)算；再讀出繼機(jī)械密封端面中各節(jié)點(diǎn)的接觸壓力值，與前一次計(jì)算的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的接觸壓力值進(jìn)行比較，如果兩者的異性值差符合預(yù)先設(shè)置的熱流密度載荷收斂條件，即結(jié)束運(yùn)算，否則將重復(fù)利用耦合計(jì)算法進(jìn)行多次計(jì)算，運(yùn)算前應(yīng)刪除對(duì)已有溫度自由度的耦合，直到符合設(shè)置的熱流密度載荷的收斂條件。得到的結(jié)果即為符合條件的計(jì)算結(jié)果[7]。

利用ANSYS軟件建模后，完成初始條件設(shè)置后，經(jīng)過軟件后處理，得到機(jī)械密封環(huán)的模型、網(wǎng)格劃分和添加邊界條件后的結(jié)果如圖2。

如圖2所示，A3部分是動(dòng)環(huán)，A4部分是靜環(huán)，A5部分是密封環(huán)托架。設(shè)計(jì)模擬尺寸按照1∶1建模(見表5)。

表5 密封裝置基本尺寸 mm

如圖3所示的利用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法，靜動(dòng)環(huán)總共被分成4 762個(gè)節(jié)點(diǎn)，4 538個(gè)網(wǎng)格單元。

圖4中長(zhǎng)箭頭為密封環(huán)受力部分和受力方向，通過對(duì)機(jī)械密封環(huán)設(shè)定的條件進(jìn)行熱耦合運(yùn)算，可得到密封環(huán)的端面溫度分布場(chǎng)及熱量分配情況、接觸壓力以及變形等結(jié)果。

圖2 靜動(dòng)環(huán)有限元建模模型

圖3 網(wǎng)格劃分結(jié)果

圖4 邊界條件的添加

用熱耦合計(jì)算法，采用plane 13的軸對(duì)稱單元進(jìn)行有限元軟件模擬計(jì)算，采用一般后處理器post l進(jìn)行后處理[8]。計(jì)算收斂后，得到密封動(dòng)、靜環(huán)的應(yīng)力場(chǎng)云圖如圖5所示。

用熱耦合計(jì)算法，計(jì)算出來(lái)的，即是靜動(dòng)環(huán)的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力的總和—總應(yīng)力。從圖5中可以看出，靜動(dòng)環(huán)的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力總和的最小值仍在右下角箭頭深色區(qū)域，其值為9.988 4×10-2MPa；而動(dòng)環(huán)與靜環(huán)接觸面上淺色區(qū)域應(yīng)力有最大值，因此，動(dòng)環(huán)的接觸面處受力最大，最大值為84.5 MPa。因此，得到結(jié)論：動(dòng)環(huán)相對(duì)于靜環(huán)更容易因頻繁摩擦導(dǎo)致磨損和發(fā)熱，易發(fā)生老化和失效。

2 密封動(dòng)、靜環(huán)溫度場(chǎng)分析

本次計(jì)算是對(duì)動(dòng)、靜密封環(huán)的溫度場(chǎng)分析，因此參考方式是節(jié)點(diǎn)的最高溫度。由于是穩(wěn)態(tài)的溫度場(chǎng)分析，可以使用post l后處理器進(jìn)行后處理，分析結(jié)果如圖6—7所示。

圖7所示即為密封裝置的溫度場(chǎng)，與靜動(dòng)環(huán)的熱應(yīng)力圖(如圖5)所示吻合，靜動(dòng)環(huán)的接觸面接觸壓力最大，為高溫磨損區(qū)，是主要分析面，越遠(yuǎn)離靜動(dòng)環(huán)接觸面溫度越低。其中，最低溫度：20°C；最高溫度54.664°C；這樣的溫度范圍在一般機(jī)械密封裝置許用的溫度范圍內(nèi)。

圖5 靜動(dòng)環(huán)的熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力圖

圖6 密封環(huán)的溫度場(chǎng)清晰圖

圖7 密封裝置的溫度場(chǎng)

3 結(jié) 論

本文主要探討了密封環(huán)接觸面上的摩擦熱所產(chǎn)生的熱—結(jié)構(gòu)耦合問題[8]。建立了機(jī)械密封環(huán)有限元模型，確定了邊界條件，探討了溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)在軸向和徑向的分布規(guī)律。計(jì)算結(jié)果表明，動(dòng)環(huán)的接觸面處應(yīng)力最大，溫度最高，為了保證機(jī)械密封長(zhǎng)期有效的運(yùn)行，在機(jī)械密封設(shè)計(jì)時(shí)，可選擇熱膨脹系數(shù)小、彈性模量大，且導(dǎo)熱系數(shù)大的耐磨材料來(lái)減小熱變形等。

[1] 顧永泉．機(jī)械密封實(shí)用技術(shù)[M]．機(jī)械工業(yè)出版社，2001：3-20．

[2] 常恩貴．水潤(rùn)滑艉軸承艉管歐米茄型端面密封裝置[J]．中國(guó)修船，1997,4(11)：59-62．

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[8] 張金鳳，袁壽其，曹武陵．機(jī)械端面密封技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]．流體機(jī)械，2004，32(10)：26-30．

[責(zé)任編輯：張永軍]

Based on Finite Element Study on The Thermal Performance of Ω Mechanical Seal Device

WU Jun-rong

(School of Mechanical and Electronic Engineering, West Anhui University, Lu’an,Anhui 237012,China)

For currently abroad compared advanced of Ω end surface mechanical sealed device, has mechanical sealed ring of size design; using experience formula to calculate the heat flow density between the static and dynamic sealing ring, and established mechanical between the static and dynamic sealing ring stable temperature field of mathematics model using ANSYS finite element software, calculation has sealed ring of hot stress and mechanical stress;research has mechanical sealed ring of steady-state temperature field,provided reference according to research mechanical sealed ing of hot effects; the result has certain engineering application value.

mechanical seal; mechanical stress; thermal stress; ANSYS finite element

2016-06-06

2016-08-03

皖西學(xué)院2015年度安徽高校省級(jí)自然科學(xué)研究一般項(xiàng)目 (KJ103762015B06)資助。

吳軍榮(1986-)，女，安徽六安人，皖西學(xué)院機(jī)械與電子工程學(xué)院助教；研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法。

TH135

A

2096-2371(2016)04-0101-04