有限元下的Ω机械密封装置热性能研究

吴军荣

(皖西学院 机械与电子工程学院，安徽 六安 237012)



有限元下的Ω机械密封装置热性能研究

吴军荣

(皖西学院 机械与电子工程学院，安徽 六安 237012)

针对目前国外比较先进的Ω端面机械密封装置，进行了机械密封环的尺寸设计；利用经验公式计算了润滑冷却介质与静、动密封环之间的热流密度，利用ANSYS 软件建立了密封静、动环温度场的模型，计算了密封环的热应力和机械应力；研究了机械密封环的稳态温度场，为研究机械密封环的热影响提供了参考依据；计算结果具有一定的工程应用价值。

机械密封；机械应力；热应力；ANSYS有限元

0 引 言

机械密封是流体机械和动力机械中重要的密封装置[1]，其主要功能是防止泄露。密封件决定了机器设备的安全性、可靠性和耐久性，对整台机械设备、整套装置，甚至整个工厂的安全生产有重要的影响，特别是在船舶、石油化工企业中，对保证设备运转可靠，装置连续生产具有重大作用。[2]

对于水润滑尾轴承的舰船，多年以来一直以填料压盖密封函为主。由于填料与尾轴套之间产生直接的摩擦和磨损，给用船部门带来居高不下的维修费用，为了解决一系列衍生问题，国内外均进行了长期而深入的研究。[3]

随着船舶技术的进一步发展，填料压盖密封函逐渐被机械密封装置所取代，而机械密封装置中决定密封性能的螺旋柱形弹簧现在也不能满足一些复杂情况下的需要，如今已有被适应能力更强的Ω型端面机械密封装置取代的趋势。此密封装置的关键之处是Ω型弹簧。因为在船体出现较复杂的附加振动和位移时，Ω型弹簧有非常强的应变能力和补偿能力，Ω型弹簧的左端通过压环和安装底座连接在一起，而右端则与密封环托架和密封环连接在一起。在安装过程中，首先给Ω型弹簧一个预压量，在船体航行的时候，船体尾轴产生轴向冲击窜动时，Ω型弹簧能够始终给动环提供一个弹性力，使动环和静环的密封面之间保持足够的比压，以保证较低的泄漏量。如果密封面内外压力差通过Ω型弹簧不能达到平衡，则可以通过调节动环的位置达到平衡。[4]

Ω型端面机械密封装置具体形式如图1，此密封形式是靠动密封环与静密封环之间的配合来实现密封的。很明显，这种密封形式，具有体积小、结构紧凑、被密封件不会出现磨损；采用Ω型机械密封弹簧，对密封件的偏移和轴线跳动有比较好的自顺应性及补偿功能。

但是，目前Ω型端面密封装尚存在不足，主要体现在：动、静密环为压紧一体式，不便于拆修；其次，Ω型机械密封弹簧外包裹的软橡胶，时刻处于反复伸缩状态，抗疲劳能力待考验。

由于Ω机械密封系装置具有较好的密封能力，可预见随着材料性能及设计研发能力不断提高和发展，该装置未来的使用前景必将十分广阔。而目前国内的研究很少，因此，有必要对此端面密封装置性能进行研究。

1-密封外壳；2-安装底座； 3-Ω弹簧;4-密封环托架；5-密封静环； 6-密封动环

1 热应力、机械应力的计算

目前机械密封变形的数值计算主要是采用有限元法，从机械变形和热变形两个角度进行分析研究[6]。利用ANSYS软件对动、静密封环的温度场进行热分析，是基于能量守恒中的热平衡方程，利用有限元法模拟计算密封环的温度场，并计算密封环的受压应力和其他物理参数。

1.1 有限元方法计算初始条件设置

(1) 由于密封环是轴对称件，故所受载荷也具有轴对称的性质，故设定机械密封环的温度场是轴对称的(因此只建立二维轴对称ANSYS有限元模型即可)；假定整个模拟计算过程在稳定的温度场和稳定的热流密度下。

(2) 忽略动、静密封环与介质摩擦产生的热量(即搅拌热)对机械密封环温度场的影响；计算过程中，假定所有材料的热物理性能不随温度的变化而变化，且认为摩擦系数不随温度等变化而改变；忽略端面间的液膜结构，即忽略了端面间液膜黏度的变化。

(3) 忽略使用过程中材料磨损对计算的影响，及动能能够全转化为摩擦热并被摩擦副吸收。在计算时，把动、静密封环的热流输入都当作边界热流输入来处理，则摩擦表面输入热流密度满足：[5]q(x,y,t)=u·(x,y,t)·ν(t)。

1.2 边界条件的确定

在进行模拟计算前，理论计算所需的原始数据见表1和表2所列。[6]

表1 某工况下的机械密封运行参数

表2 静动环材料的性能参数T

密封介质为水，水温20°C；设定初始大气温度 20°C，其具体性能参数如表3。

表3 密封环周围介质的性能参数

1.3 静、动密封环热流密度计算

在本次计算中，采用经验二维导热稳态温度计算式:T=q(h-y)/λ来估算密封环传递能量比例的。

式中：h是环的轴向厚度；y是距端面的距离；λ是密封环导热系数。

由于端面间两环温度相等，所以当y=0时，有

qwhw/λw=qshs/λs。

另有qw+qs=q，下标w代表动环，s代表静环。

由以上两式可得

qs/q=1/(1+hsλw/hwλs)。

因密封环温度升高的热源主要是机械密封静动环摩擦产生的热量，它与密封端面的摩擦状况有关。

Pg=Psp+B2Ps，

按照以上理论可以计算出密封静动环由于摩擦产生的总热流密度:q=1.55×106W/m2。

根据静动环热流分配系数即可求得分别作用在密封静动环上的热载荷，值如表4所列。

表4 静动环热流分配

1.4 有限元仿真计算

本次计算主要利用APDL方法将热流密度载荷以函数的形式加载，进行计算；再读出继机械密封端面中各节点的接触压力值，与前一次计算的各个节点的接触压力值进行比较，如果两者的异性值差符合预先设置的热流密度载荷收敛条件，即结束运算，否则将重复利用耦合计算法进行多次计算，运算前应删除对已有温度自由度的耦合，直到符合设置的热流密度载荷的收敛条件。得到的结果即为符合条件的计算结果[7]。

利用ANSYS软件建模后，完成初始条件设置后，经过软件后处理，得到机械密封环的模型、网格划分和添加边界条件后的结果如图2。

如图2所示，A3部分是动环，A4部分是静环，A5部分是密封环托架。设计模拟尺寸按照1∶1建模(见表5)。

表5 密封装置基本尺寸 mm

如图3所示的利用非结构化网格划分方法，静动环总共被分成4 762个节点，4 538个网格单元。

图4中长箭头为密封环受力部分和受力方向，通过对机械密封环设定的条件进行热耦合运算，可得到密封环的端面温度分布场及热量分配情况、接触压力以及变形等结果。

图2 静动环有限元建模模型

图3 网格划分结果

图4 边界条件的添加

用热耦合计算法，采用plane 13的轴对称单元进行有限元软件模拟计算，采用一般后处理器post l进行后处理[8]。计算收敛后，得到密封动、静环的应力场云图如图5所示。

用热耦合计算法，计算出来的，即是静动环的热应力和机械应力的总和—总应力。从图5中可以看出，静动环的热应力和机械应力总和的最小值仍在右下角箭头深色区域，其值为9.988 4×10-2MPa；而动环与静环接触面上浅色区域应力有最大值，因此，动环的接触面处受力最大，最大值为84.5 MPa。因此，得到结论：动环相对于静环更容易因频繁摩擦导致磨损和发热，易发生老化和失效。

2 密封动、静环温度场分析

本次计算是对动、静密封环的温度场分析，因此参考方式是节点的最高温度。由于是稳态的温度场分析，可以使用post l后处理器进行后处理，分析结果如图6—7所示。

图7所示即为密封装置的温度场，与静动环的热应力图(如图5)所示吻合，静动环的接触面接触压力最大，为高温磨损区，是主要分析面，越远离静动环接触面温度越低。其中，最低温度：20°C；最高温度54.664°C；这样的温度范围在一般机械密封装置许用的温度范围内。

图5 静动环的热应力、机械应力图

图6 密封环的温度场清晰图

图7 密封装置的温度场

3 结 论

本文主要探讨了密封环接触面上的摩擦热所产生的热—结构耦合问题[8]。建立了机械密封环有限元模型，确定了边界条件，探讨了温度场及应力场在轴向和径向的分布规律。计算结果表明，动环的接触面处应力最大，温度最高，为了保证机械密封长期有效的运行，在机械密封设计时，可选择热膨胀系数小、弹性模量大，且导热系数大的耐磨材料来减小热变形等。

[1] 顾永泉．机械密封实用技术[M]．机械工业出版社，2001：3-20．

[2] 常恩贵．水润滑艉轴承艉管欧米茄型端面密封装置[J]．中国修船，1997,4(11)：59-62．

[3] 熊路，刘刚，李天匀，等．对机械密封装置中的Ω型弹簧刚度与应力的数值仿真分析[J]．中国舰船研究，2010，1(5)：64-67．

[4] 朱学明．机械密封性能的数值分析及优化研究[D]．武汉：武汉理工大学能源与动力工程学院，2005．

[5] 李鲲，姚黎明，吴兆山，等．机械密封环端面变形研究[J]．润滑与密封，2006，5(22)：44-47．

[6] 滕人博，刘建瑞，土鸿瑞，等．机械密封变形计算方法综述[J]．农机化研究，2009(2)：237-239．

[7] 周建辉，刘正林，严国平，等.船用机械密封环热结构耦合有限元优化计算研究[J].润滑与密封，2007，32 (1): 86-87.

[8] 张金凤，袁寿其，曹武陵．机械端面密封技术研究现状及发展趋势[J]．流体机械，2004，32(10)：26-30．

[责任编辑：张永军]

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

皖西学院2015年度安徽高校省级自然科学研究一般项目 (KJ103762015B06)资助。

吴军荣(1986-)，女，安徽六安人，皖西学院机械与电子工程学院助教；研究方向：机械设计理论与方法。

TH135

A

2096-2371(2016)04-0101-04