焊接金屬波紋管機械密封溫度場及熱變形有限元分析研究

阿斯耶姆·肖開提　劉煥?！≠I買提江·馬木提

【摘 要】本研究是通過利用Solis Edge，ANSYS Workbench等三維有限元分析軟件來分析波紋管性機械密封環的溫度場變化和應力場變化，根據所分析出來的溫度場分析圖以及應力分析圖中，可以明確的地看出來溫度的變化狀況和熱應力的位置。通過研究證明，導致密封失效的最主要原因是密封環出現較大的熱變形。所以進行密封環的熱變形，熱應力分析是非常有價值的。研究結果對于設計以及制造焊接金屬波紋管機械密封，提高密封特征有很重要的科學依據。

【關鍵詞】焊接金屬波紋管；靜環；有限元分析；ANSYS

0 引言

石油化工以及旋轉機械常用的轉軸密封裝置之一是波紋管性機械密封。通過動環與靜環端面的滑動摩擦而實現其轉軸密封功能。當機械密封實際工作中，摩擦熱是由于動靜環的相對運動而產生的。而摩擦熱是導致密封環的溫度升高。一系列密封失效的問題就因為密封環的溫度升高而產生的。主要是以下幾個：（1）端面間的磨損加劇就產生液膜汽化失穩這降低密封件的使用壽命；（2）產生密封環間形成較大的溫度梯度是因為密封環間的導熱不均，從而產生熱變形，較大的熱變形使接觸面形成錐形表面。所以減少端面間的磨損和泄露就要改善端面的接觸和潤滑狀態；（3）端面熱裂產生的主要原因是密封環的熱應力過大。為了確保機械密封長期穩定的工作，對波紋管性機械密封環進行溫度場及熱應力分析是非常有科學價值的[1]。圖1為波紋管性機械密封的基本結構。

1.密封腔；2.緊固螺釘；3.前環；4.波紋管座密封圈；5.波紋管；6.后環；7.動環；8.靜環；9.靜環輔助密封圈；10.靜止壓蓋；11.防轉銷；12.旋轉軸.

圖1 焊接金屬波紋管機械密封基本結構

1 密封環溫度場及熱變形分析

本研究過程中為了精確計算溫度場變化應用了以下基本假設及推論：

（1）波紋管性機械密封的幾何特點是軸對稱的，其受外載荷也是軸對稱的。所以我們可以直觀的確定分析計算當中密封環溫度場同樣是軸對稱的。

（2）在我國機械密封設計及制造還處于發展當中，機械密封溫度場是剛開始工作時變化速度快，但是工作到一段時間之后其溫度場慢慢穩定下來并且達到熱平衡條件。所以我們研究過程當中忽略前面的不穩定情況而假設其溫度場時穩定的，之后進行有限元計算。

（3）由于機械密封環的密封效果良好，其液體的泄漏量極小，所以端面之間產生的摩擦熱液小，所以可以假設定位密封環端面的熱偶和密度是均勻分布的。

（4）忽略機械密封端面產生的摩擦熱，分析計算密封環溫度場時有一定的關系。

（5）忽略端面之間液膜厚度的變化同時也要忽略端面之間也耦合系數。

（6）在工作當中，密封腔內介質是不斷的循環工作，可以假設密封介質溫度與油箱中的溫度是一致的。

（7）材料的熱物理性能不隨溫度變化而改變是因為密封環中的溫度變化范圍不怎么大。[2-3]

2 溫度場和熱變形有限元分析計算

2.1 主要參數

本課題進行溫度場計算的部件是靜環材料是石磨，被密封介質為丙烯，密封環轉速n=2960r/min。石磨和丙烯熱物理性質如圖表1和2 所示。

表1 機械密封部件的材料穩態熱參數

表2 流體介質的熱物理性能參數

2.2 機械密封環溫度場和熱變形計算結果分析過程

2.2.1 數值建模及網格劃分

本文研究對象是具有圓柱形特征，幾何模型軸對成特征的波紋管性機械密封的動環以及靜環。之所以有這種特征密封環其載荷及初始邊界條件同樣是軸對稱的。因此解決此問題是我么不采用的是軸對稱方法來進行求解分析。

2.2.2 加載和求解

1）溫度場

本課題實例：靜環，寬度12mm，內徑：57mm，外徑72mm。其他熱物理性質如表1所示。密封介質為丙烯，密封介質溫度45℃，大氣壓力20℃，密封介質壓力為1.87Mpa。其他熱物理性質如表2所示。先給個邊界條件，然后求出機械密封端面溫度情況。

圖2 密封端面溫度變化分布曲線

圖2的變化曲線是根據有限元分析計算出溫度分布變化情況。此變化曲線可以看出來，靠近內徑處是密封端面溫度最高，這表明波紋管機械密封與介質直接接觸的是其外徑，所以外徑的散熱效果良好，溫度較低。而與空氣直接接觸的是內徑，對流換系數較小，其散熱性就差，溫度較高。所以波紋管機械密封工作當中加大其散熱及冷卻效果，會有利于減小內經處的溫度。這樣會提高波紋管機械密封的使用壽命也可以避免機械密工作過程中的不穩定而失效的狀況。

這個研究結果可以有效地證明：

（1）隨著半徑的增大機械密封端面的溫度增高。改善內徑處的撒熱效果以及加強冷卻裝置會減少內徑處的最高溫度以及避免密封環的失效。

（2）隨著軸向尺寸的增大可以減小機械密封內測的溫度，制造過程選擇軸向尺寸大一點的密封環會有利于避免其容易損壞。

（3）有效減小端面溫度的方法是選擇較高的導熱系數的密封材料。

2）熱應力和熱應變

當創建了集合模型、劃分了有限元網格、定義了材料、施加了邊界條件、賦予了單元物理屬性之后，就建立了有限元數值模型，既可以提交運算方法進行分析。本研究中應用的解算器為Ansys Workbench，對焊接金屬波紋管機械密封靜環進行熱結構分析。把建好的有限元分析模型提交給Ansys Workbench 進行計算，得到機械密封靜環熱應力分布圖以及熱應變圖。如圖3、圖4所示。

通過以上分析結果表明，在動靜環的接觸區域中，繞曲變形變化出現在靜環端面上，所以密封環外徑臺階的附近處溫度變化比較明顯，溫度梯度比較大，所以該點出現最大的熱應力。由研究結果可知，外徑臺階的附近就是危險應力點，這跟實際工作生產中所遇到的熱裂失效破壞是一致的。從研究分析結果可以證明機械密封環外徑臺階處容易變形是因為該處的變形量大，端面靠內經處的變形量較小。

3 小結

通過熱-結構分析的整體方法，并對溫度，應力，應變三大因素進行了以下研究內容：

（1）通過理論分析，明確了熱-結構穩態分析的基本思路；

（2）分析了摩擦熱和對流換熱系數的計算方法；

（3）確定了密封環端面溫度熱量分配原則；

（4）分析了機械密封環熱-結構分析的建模過程；

（5）確定機械密封靜環熱應力和熱變形計算。

【參考文獻】

[1]林元達.焊接金屬波紋管機械密封的設計和典型結構[J].四川：技術綜合，1999，8.

[2]劉建華.焊接金屬波紋管機械密封的特點及應用[J].機械，2000.

[3]楊寶亮，王汝美.焊接金屬波紋管機械密封的應用與存在的問題[J].石油化工設備技術，2002，23（5）：4.

[4]深錫華.波紋管型機械密封[M].北京：烴加工工業出版社，1987，5.

[5]夏德偉，張俊生.UG NX4.0 機械設計典型范例教程[M].北京：電子工業出版社，2006，9：215.

[6]何燕慧，陳德林.機械密封溫度場及其熱應力的有限元計算[J].蘭州理工大學學報，2007：72-74.

[責任編輯：楊玉潔]