（载运工具运用工程专业论文）机械密封性能的数值分析及优化研究.pdf

摘要 在重载条件下机械密封端面容易出现局部高温和高应力，严重影响密封装 置整体性能。由于传统理论计算密封性能参数的精度有限，因此迫切需要一套 科学系统的机械密封性能计算模型。本文基于a n s y s 软件平台，综合国内外在 机械密封性能理论研究的新成果，从结构静态、热一结构耦合稳态和瞬态三个角 度建立了计算机械密封性能的有限元新模型，并进行了密封性能优化研究。 在结构静态分析中，本文以变形分析为切入点，分析了隔离体和整体粘接 法的不足，基于接触理论提出了整体接触法，保证了端面受力与变形的协调， 实现了端面接触力的自动求解和静密封环( 浮动环) 平衡。结构分析结果表明， 密封端面在力和力矩作用下产生锥形变形，形成接触闭合区和锥形开口区，且 在接触区有应力集中。 在热一结构耦合稳态分析中，对热和结构场进行了直接耦合；摩擦热载荷依 据接触压力计算，采用a p d l 函数式添加，通过耦合温度自由度和定义大接触导 热率两种基本等效方法分配，并根据循环迭代法提高加载精度。稳态分析结果 表明，对软硬材料配对副，摩擦热导致密封端面锥形变形增大，接触区域缩小， 且接触区域内出现局部高温、高接触压力和高应力，其中由于动环材料弹性模 量大，其端面应力很高，尤以周向压应力突出。 在热一结构耦合瞬态分析中，采用定义小时间步方案避免出现由于摩擦热载 荷重复计算导致的初始时刻过大问题，并依据前一时刻接触压力计算后一时刻 热载荷的思路和表数组方式实现了动态摩擦热的添加。理想瞬态分析实例表明， 加载过程中密封端面产生热机效应，稳定减载过程中端面参数平稳下降。结合 磨损和摩擦状态等工程实际，减载密封性能主要取决于端面液膜稳定性，快速 减载引起的端面锥度变化容易导致液膜失稳和密封性能恶化。 在密封性能优化方面，从接触均匀性和内接触类型两角度，借助a n s y s 的 优化模块进行了静环端面轴向伸出长度的优化运算，优化结果可在保证内接触 条件下提高接触均匀性；针对密封端面局部温升问题，分析了适当冲洗和冲洗 极限对密封端面性能影响，结果表明适当冲洗可显著提高密封性能，冲洗极限 还可大幅提高密封性能，但目前远不能达到。 关键词：机械密判，热结构耦合分析，摩擦热，热瞬态分析，密封性能优化 众b s 善歉a c t u n d e r h e a v yt o a d ，t h el o c a lh i g ht e m p e r a t u r ea n dh i g h s t r e s sw a sp r o d u c e do f t m e c h a n i c a ls e a lf a c e ，i n f l u e n c e dt h ew h o l es e a l i n gp e r f o r m a n c es e r i o u s l y b e c a u s e t h e p a r a m e t e r o n s e a l i n gp e r f o r m a n c e w a sd i f f i c u l tt oc a l c u l a t ea c c u r a t e l yb y t r a d i t i o n a l t h e o r y ，s o t h e s y s t e m m o d e lo f c a l c u l a t i n g m e c h a n i c a l s e a l i n g p e r f o r m a n c ew a sn e e d e du r g e n t l y b a s e do na n s y s s o f t w a r ea n dc o m b i n e dw i t h t h et h e o r yt r e n d so nm e c h a n i c a ls e a l i n gp e r f o r m a n c e ，t h es y s t e m a t i cf i n i t ee l e m e n t m o d e lo fa n a l y z i n gs e a l i n gp e r f o r m a n c ef r o mt t u e er e s p e c t s - - s t a t i c ，s t a b l ea n d t r a n s i e n ts t a t eh a db e e ns e tu pi nt h i sp a p e r a n dt h eo p t i m i z es t u d y i n gw a sd o n e f u r t h e r i na n a l y z i n gs t a t i cs t r u c t u r a lm e c h a n i c s ，t h ed e f o r m a t i o na n a l y s i sw a ss e l e c t e d a si n i t i a lo b j e c t ，t h ed e f i c i e n c yo fc a l c u l a t i n gs e p a r a t e l ya n da n a l y z i n gw h o l l yb y g l u i n gt h em e c h a n i c a ls e a lf a c ew a sa n a l y z e d 。b a s e d o nc o n t a c tt h e o r y , t h em e t h o d o fi n t e g r a la n a l y s i sb yu s i n gc o n t a c te l e m e n t sw e r ep u tf o r w a r d ，g u a r a n t e e i n gt h e h a r m o n yo fp r e s s u r ea n dd e f o r m a t i o n ，r e a l i z i n gt h ea u t o m a t i cs o l u t i o no fc o n t a c t p r e s s u r e o nf a c ea n dt h eb a l a n c eo fs e a l r i n g t h e m e c h a n i c s a n a l y s i s r e s u l t i n d i c a t e dt h a tt h et a p e r - d e f o r m a t i o nw a s o r i g i n a t e do i lt h es m f a c eo f s e a lr i n g su n d e r p r e s s u r e a n dm o m e n t ，f o r m e dt h ec o n t a c ta r e aa n dt a p e r - o p e n i n ga r e a ，a n dt h e p r e s s u r ea n ds t r e s si sc e n t r a l i z e di nc o n t a c t a r e a i n a n a l y z i n g s t a b l e s t a t e ，t h ed i r e c t - c o u p l i n g m e t h o dw a s u s e d ，a n dt h e f r i c t i o n a lh e a tw a sc a l c u l a t e db yc o n t a c tp r e s s u r e ，l o a d e db yt h ef u n c t i o no fa p d l ， d i s t r i b u t e db yt w ob a s i c a l l ye q u i v a l e n tm e t h o d - - c o u p l i n gn o d et e m p e r a t u r ed e g r e e o ff r e e d o ma n ds e t g r e a t t h e r m a lc o n t a c tc o n d u c t a n c e ，t h el o a d p r e c i s i o n o f f r i c t i o n a lh e a tw a se n h a n c e db yi t e r a t i v ec a l c u l a t i o n t h er e s u l to fs t a b l es t a t e a n a l y s i s i n d i c a t e dt h a ta sf o rs o f tm a t e h a r d ，f r i c t i o n a l h e a tc a u s e d g r e a t e r t a p e r - d e f o r m a t i o n ，s m a l l e rc o n t a c t a r e ao ns e a lf a c ea n dl o c a lh i g h t e m p e r a t u r e ，h i g h c o n t a c tp r e s s u r e ，h i g hy o n - - s t r e s si nc o n t a c ta r e a b e c a u s et h ee l a s t i cm o u l do f m o t o rw a sg r e a t ，t h ev o n - - s t r e s so nm o t o rf a c ew a sv e r yh i g h ，a m o n gt h e mt h e s t r e s so f z d i r e c t i o nw a sm a i nf a c t o r t na n a l y z i n gt r a n s i e n ts t a t e ，t h es o l u t i o no fs e ts m a l lt i m ei n c r e m e n tw a sp u t f o r w a r dt oa v o i di n i t i a lt i m et o ob i gc a u s e db yr e p e t i t i v e n e s so ff r i c t i o n a l h e a t l o a d i n g a n dt h el o a d i n go fd y n a m i c f r i c t i o n a lh e a tw a sr e a l i z e db yt h em e t h o do f c a l c u l a t i n gt h e f r i c t i o n a lh e a ti nc u r r e n tm o m e n tb yc o n t a c tp r e s s u r ei np r e v i o u s m o m e n ta n dt a b l e a r r a y t h e r e s u l to ft r a n s i e n ts t a t e a n a l y s i s i n d i c a t e dt h e t h e r m a l m e c h a n i c a le f f e c to ns e a lf a c ed u r i n gl o a d i n g ，t h es e a ls u r f a c ep a r a m e t e r d r o p p e ds t e a d i l yd u r i n gu n l o a d i n g c o n s i d e r i n gw e a rm a ds t a t e o ff r i c t i o n ，e t c ，t h e s e a l i n gp e r f o r m a n c eo fu n l o a d i n gd e p e n d e do ns t a b i l i t yo fl i q u i df i l mo ns e a lf a c e ， f a s t u n l o a d i n g w o u l dc a u s eu n s t a b l eo f l i q u i d f i l ma n dw o r s eo f s e a l i n g p e r f o r m a n c e o p t i m i z er e s p e c ti ns e a l i n gp r o p e r t y ，t h eo p t i m i z a t i o no nt h el e n g t ho f s t a t o r f a c ea l o n ga x i sd i r e c t i o nw a sd o n et h r o u g ht h eo p t i m i z a t i o nm o d u l eo fa n s y sa n d f r o mc o n t a c t p r e s s u r e a n dc o n t a c tt y p e t h eo p t i m i z a t i o nr e s u l tc a nr e d u c et h e m a x i m a lc o n t a c tp r e s s u r eu n d e rt h ec o n d i t i o no f c o n t a c t i n gi nt h ei n t e r n a ld i a m e t e r o fs e a lf a c e a sf o rt h el o c a lt e m p e r a t u r er i s i n g ，t h ei n f l u e n c eo fw a s h i n gp r o p e r l y a n dw a s h i n gl i m i to ns e a l i n gp e r f o r m a n c ew a sa n a l y z e d ，t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a t w a s h i n gp r o p e r l yc a ni m p r o v et h es e a l i n gp e r f o r m a n c en o t a b l y ，w a s h i n gl i m i tc a n a l s o i m p r o v et h es e a l i n gp e r f o r m a n c eb yal a r g em a r g i n ，b u tw a s h i n gl i m i tw a s w i d e l y o u to fr e a c h k e y w o r d s ：m e c h a n i c a ls e a l ，c o u p l i n go ft h e r m a l - s t r u c t u r a la n a l y s i s ，f r i c t i o nh e a t ， t h e r m a lt r a n s i e n ta n a l y s i s ，o p t i m i z a t i o no f s e a l i n gp e r f o r m a n c e 武汉理工大学硕”| 论文 第一章绪论 机械密封是用弹性元件压紧动环和静环两端面实现动密封功能的转轴密封 装置，又称端面密封。与传统的径向转轴密封相比，机械密封具有高承载能力、 低泄漏、低功耗以及磨损自动补偿等优点，同时随着新材料、新工艺和新技 术的出现，机械密封逐渐向广度和深度发展。目前机械密封技术不仅广泛应用 于石油、化工、航海航空航天、原子能核电工业等行业“3 1 ，而且应用比例也明 显提高，据顾永泉教授对近年来国内外大型石化企业的调查“1 ：在同常机泵、 釜中有8 6 以上采用机械密封，而且机械密封正朝着高性能、低泄漏、长寿命 和可控式方向发展“。 1 1 机械密封装置简介 典型机械密封结构如图卜l 所示，机械密封装置主要包括四个组成部分“ 1 ) 动密封面，由静环和动环端面组成； 2 ) 补偿或缓冲机构，图1 中为弹簧： 3 ) 静密封装罱，图i 中为0 型密封圈： 4 ) 旋转机构，即带动动环旋转的轴。 图l 中，动环镶嵌在动环座体上，动环座 体轴径向固定在轴上，只能随轴同步旋转。静 环内侧与静环座体配合，不能旋转，但可轴向 浮动。在静环的后端面设有弹簧装置，可向静 环提供一定的轴向压力，起到轴向预紧和补偿 1 被街封介质：2 - - 动环鹰件；3 - - 动环 4 - - 轴：5 - - 帆体：6 - - 静环 7 - - 弹簧 图卜1 机械密封装置简图 缓冲作用。当密封装置在一定的介质压力下运转时，静环后端面的介质压力和 弹簧预紧力形成闭合力，使动静环的密封端面始终保持贴合，从而起到了旋转 轴与机体间的动密封作用。介质压力变化后，动静环端面闭合力将自动进行调 整，从而既能保证动密封端面的贴合接触，又可有效避免因过高的端面接触力 导致密封寿命缩短和密封失效。由于机械密封主要实现动密封功能，因此主要 研究对象为由静、动环摩擦面组成的动摩擦副。 武汉建工夫学硬士埝交 1 2 问题的提出 虽然相对于径向压紧式密封，机械密拊鼠有艘菪优点，但随着密封负荷的 舞离秘密越足寸煞壤夫，掇壤蜜封懿毪遨速瑟缳，主要装灌塞嚣蠛霆蕊变黪 和溢度相互影响和促进，形成为端面的局部高负衙区。由于机械密封是一颈以 试验为萋勰赫技术，密羹装嶷最终震要横嚣曩售遮羧寒验浚。瑟霹露越设诗菸 舔一个环节和因索都进行试验既不缀济，叉可能有一定的危险，甚至还无法实 现。试验黪不是燹形态理论硬究攫凄了遗谗幕求，怒对也为理论研究野了广 祸瀚发震赛蔺8 。濒过建立系统静梳械密封模型，并对备耨响因鬻滋行综合分 椒，裁缝找出影嗷密越毒愈秘可靠镁的壤零艨匿，漤穗骥测蜜鸷拨鼹，并提出 一系弼改避接施，从而正确指导试验，掇升试验缩巢韵价髓。随莆涯年泉濑论 硬究魄工稷效益不颛提裹，冠时计辫规技术躲飞遮发展、礴效率分娅软件的逛 褒为璎论研究翡深入涎供了便捷熬数学工疑，腻诼灌论研究倍受羌注，并濮渐 成为提丹帆械密封技术水平的主要途径。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 税槭密封性能的奎要参数 综合嚣蠹努辩蕊究魏装，藏藏密封毪麓参数主震舂浚下忍顼黼”： 1 ) 泄漏量，搬单位时间内从密封端面泄漏的被密封介质体积。泄漏燮的大 ，l 、冒轰搔轰浃瓿壤密鹭羧莱靛爨赛。逶翥辩簿装鬟鹣实舔澄添耋越过理论诗算 的2 5 0 倍刚”，密封敞置的工作肯定不正常。 2 摩擦功零p v 篷一致￥、帮，嘉蕊，势囊袭零密封奔囊匿秀、壤甏魏载 荷、端面接触比压与端面平均圆周谜度的獭积。摩擦功和p v 值可威瞅密封环的 王俸受蕊； 3 ) 端阐温升，措密封端面温度与密封介质或环辘温度之差。过商的端骊温 嚣会雩 莛密簿壤委瓣滚壤夔汽恁，+ 替致塞蓊系统黎攥魂葚至嚣是失效，蠢裁凑 面澈升大小直接影响密封祭统安全性。 够泞滤量，撂肇显薅泌鸯送爨密羹豢绫魏羚帮渡浚浚爨。黪浚鬟越六，遂 出冷却液的温差越大，对密封系统的冷却效果就越好。 5 摩禳系数f ，篷穗瓣薄摩擦系数窝鼹癸接然簿攘系数。宅翁失枣冒笈豌 2 武汉理工大学硕士论文 密封端面的摩擦状况，同时还可与p v 值和转速等一起决定摩擦功，因此摩擦系 数是一项工况指标。 6 ) 磨损率，指单位时间内密封端面的磨损量。它可粗略反映机械密封环使 用寿命。 以上所列参数虽然比较粗略、零散，而且还保留许多试验研究痕迹，并不 一定都适合深入的理论研究，但提供了良好的切入点和参考。目前在机械密封 技术的理论研究上，国内外已逐渐形成了以变形和温度场分析为基础，耦合分 析为前沿的研究状况，可计算的主要参数有端面的变形、间隙、接触压力、应 力、温度和对流换热系数等。以下就各方面的研究状况作分别介绍。 1 3 2 机械密封环变形研究现状 机械密封环的内外侧压差是导致密封端面变形的一个重要因素，而随着机 械密封技术向高压、高速、高温和大直径等方向发展，机械密封环的变形问题 就尤为突出。导致变形的原因有两方面：机械和热“2 。“”。目前被普遍认同的端 面变形形状为锥形3 。密封端面一旦产生锥形变形，将导致泄漏量增加，端 面局部应力集中，以致局部过度磨损和高温，影响整个端面的密封性能“。为 尽量减小锥形变形，需要通过理论分析来了解并掌握其中的规律。目前变形理 论分析方法主要分为解析法和数值计算法两种。 1 变形的解析求解法 迈尔根据圆环理论从力和温度角度提出了将各变形分量叠加的计算方法 “，为变形的解析求解奠定了理论基础，张宝忠和洪先志等人做了进一步研究 工作。张宝忠“”等从轴对称变形和材料力学的理论出发，提出了将力矩变形、 径向力变形和由轴、径向温度梯度产生的变形这四个量进行叠加来计算总变形 的方法；由于是建立在皮采诺环形零件轴对称变形理论基础上，该方法只能计 算单一矩形截面，忽略了环本身的伸缩和弯曲，因此计算的变形值较实际偏大 【1 】 洪先志。0 1 等应用壳体力矩理论，同时将环截面分成若干部分( 矩形或三角 形) ，考虑各部分结合处转角和位移的变形协调性，建立了四阶线性齐次微分方 程和变形协调方程，可直接计算稍复杂断面形状的机械密封，从而将解析解的 水平提升到很高层次。 目前解析法的主要优点在于计算量小，但由于解析法的理论前提比较理想， 武汉理工大学硕：l 论文 不适台作复杂禳麓的运舞。 2 变形的数值计算法 交澎数僮诗簿法蠢边赛元法葶垂有限元法等，t g d o u s t 采弼逮赛元法建立 了机械密封变形计算模型“”，并编制了相应的程序，但边界元法在处理边界很 复杂。蠢予鸯鞭元法覆疆籀对麓荦，显露限元方瑟懿寝鲻软 牟缀多，繇a n s y s 、 m r c 、a b a q u s 、f e m l a b ，因此采用有限元法谶行分析变形的研究较多，而且 基于套蔽元敦警平台裘解楗藏密封交澎避逐濒戏为磅究豹主浚。 党建军“”和陈利海。”建立的机械密封环轴对称有限元模型综合了平德方 毽、凡傍方程、物理方程帮蠹功方程，莠来瘸三是澎环形单元逃学了裹散，形 成了相对完整的机械密封环变形有限元分析理论体系。与此同时，陈利海还在 蓉统方程中缨入了出瀑发交他弓 起愆等效节点载精，实裂了筵攀豹热变形计算。 z h u ，h a n h u a 建立了机械密封端丽的机械变形方獠，为深入进行泄漏量计算和密 罄结构改避奠寇了理论麓础“。 李懿”和李小瓯”6 1 簿则建立了在密封端面上引入虚拟“杆元”的变形分析 有限元模型，摸跫斡毅鬏之处在予嚣点； 1 ) 提出了将两密封环合为体研究的总思路； 2 巧妙列黑鑫拟“抒元”骢受压或受拉寒划凝密封爆面的接触与分离。 由予有以上两点，变形分析模型就很接近机械密封环的实际工况。不过由 于对摩擦热分布进行了镛化处理，因此热变形分摄部分计算精度不高。 变形的数值计算研究现状说明，有限元法的变形分析不受密封环截面形状 复杂程度的限制，并可部分模拟枫械密封环实际工况，成用和发展潜力很大。 1 3 3 机械密封环的温度场研究现状 机械密封环端面的贴合摩擦将引起端面高温，加剧端面磨损、烧伤、热裂 以及端颟液膜的汽化倾向；这必因素一旦累积，姆诱导密封装爨迅速失效。从 保证机械密封装置长娟可靠运转的角度出发，需要对端面温升规律进行理论分 析，以便采取有效的温控措旅。鄹变形分析类似，目前的温度场分析也主要分 为解析方法和数值法。 1 温度场的解析船计算 早期，温度场分橱主要局陵于端丽平均温液的计算，莺外学者穰草就觚不 同角度进行了相关的理论研究，主要的研究理论成果有”1 ：格鲁别也夫法，根据 唾 武汉理工大学碳士论文 密封副材料的导热性优劣采用不同的导热计算公式；迈尔方法，仅考虑摩擦热 沿环轴向导出：萨墨一史密斯法，采用肋片一端给热的摩擦热导出模型；布克 方法，也采用一端对流导热模型，但根据截面形状和热载荷分布状况的不同分 成了三类情况，将可计算的截面形状由矩形扩展到l 形或复杂形状，同时布克 方法还引入了传热效率一量，使模型的实用性提高。在一端对流导热肋片模型 的基础上，顾永泉采用修正系数和密封结构、工况等因素结合确定对流换热系 数，从而在一定程度上提高了求解的准确程度，可用作方案比较和现场分析。 彭旭东考虑对流换热和导热，提出机械密封端面平均温度的一种简单电算方法。 为体现端面各径向位置温度差异，李克永0 7 年口李红1 采用分离变量法求解 温度场控制微分方程，建立了机械密封环稳态温度场模型，但只适合密封环截 面为矩形的温度场计算。p a s t o r i c i “”等人用解析法推导了端面温度分布的计算 式，由于在推导过程中应用了附加条件，计算准确性不高。 2 温度场的数值求解 随着密封装置工作负荷的增加，端面的热弹性问题突出，导致即便在很窄 的密封端面上各径向位置的很大温差。从而提出了对机械密封环的整个温度场 进行精确分析的需要，目前采用的主要手段为有限元法。 在机械密封环温度场的数值求解上主要有鼹种思路：独立计算和整体分析。 山东大学陈建辉。“建立的机械密封环稳态温度场有限元计算模型就是采取独立 计算的思路，由于是对密封环单独建模，因此涉及计算两密封环端面的热量分 配问题。对于这一问题，程建辉根据两环端面温度一致的原则，提出了折半查 找热量分配系数的解决方法。陈文毅”、法金元。”1 和王胜军。州等将两密封环连 成一体，并根据变分法原理建立了建模3 节点单元的有限元整体分析模型，避 免了热量分配比的问题。 在温度场研究的具体技术问题上，摩擦热载荷的分配成为最大的焦点。目 前学术界主要有三种解决方法： 1 ) 按照两密封环端面的温度一致原则来调节热量分配比，如陈建辉提出的 折半查找热量分配系数的方案； 2 ) 是根据密封环的材料参数直接计算热量分配比。： 3 ) 根据两密封环端面的接触状况来确定是否耦台两对应节点的温度自由 度，通过端面的温度关系实现热量的局部自动分配”。 3 温度场中关键参数计算 武汉理工大学硕士论文 在温度场分析中，关键参数有对流换热系数和摩擦系数。目前确定对流换 热系数有解析解和数值解两种方法：解析解即根据经验公式计算对流换热系数， 常用算法为根据静环与动环内外侧流场的不同分别计算对流换热系数，彭旭东、 宋亚东、王胜军等人均有详细介绍。”3 7 ”1 ；数值法通常通过建立有限元模型计算 对流换热系数。较典型代表为丁群提出的在a n s y s 软件f l u e n t 模块中进行热场 与流场耦合分析的方法。“，该方法可求出密封环边界各节点对流换热系数。在 摩擦系数计算方面，李宝彦等介绍了根据密封准数计算摩擦系数方法。，使用 范围仅限于流体摩擦；顾永泉综合了相对全面的摩擦系数计算法：分析计算法、 加权平均法和经验数据法，并给出了各方法的计算示例“0 1 ；葛培琪等基于混合 摩擦理论，提出了根据密封端面液膜剪切力精确计算摩擦系数方法”“。总体而 言，由于摩擦系数的影响因素很多，尚没有系统计算摩擦系数模型。 1 3 4 机械密封环的耦合分析研究现状 在机械密封装置运转过程中，由于密封环的变形和温升相互影响、密切联 系，仅对机械密封环进行变形或温度场分析都不能准确全面地获得密封性能， 从而提出了热一结构耦合分析研究的需要。 在耦合分析的研究上，国外学者做出的工作较多，他们的研究类型不仅包 括稳态，还包括瞬态，耦合的物理场不仅包括应力场和温度场，而且还涉及流 场。 r a h u ln s a m a n t 等人就在a n s y s 软件上对机械密封环进行热一结构耦合分 析指出了一些基本的思路“。主要为：( 1 ) 使用具有热和结构分析能力的2 维轴 对称单元p l a n e1 3 来建立动静环的实体模型；( 2 ) 使用杆元l i n k3 4 来模拟动 静环端面削的接触热传导；( 3 ) 采用2 维点一点接触单元c o n t a c1 2 来模拟动静 环端面间的摩擦生热。 b e r n a r dt o u r n e r i e 等人针对密封环的启动过程，建立了热动力瞬态模型， 并使用影响系数方法对模型进行了热弹性耦合计算”。 p a r v i z 使用有限元软件对f l u e n t 对机械密封的温度场和流场进行了计算 “：r a yc l a r k 、s h i r a z i ，s i a m a c ka 等人采用流体动力分析( c f d ) 软件对密 封环进行了以热一流场耦合为主的模型，并根据计算结果提出了改进动静环端 面冷却效果的相关措施”5 ”；t o ml a i 等使用c s t e d y 软件建立了相应的耦合 模型，该模型可预测的密封性能包括密封环变形、温度、端面液膜厚度和泄漏 武汉理工火学硕士论文 率等“；l i o n e l 。a 。y o u n g 等建立了有隈元分轿与流体簇缝合静耦台模鼙，稳 序只需输出密封环几何形状和运行工况等，便可求出环变形、温度、端面液膜 厚度鞠灌漏率”。 对于耦合分析，国内也有类似的研究。其中成果较突出的有北方交通大学 的丁群建立静滚场、燕场帮应力场三卷耦台静系统攘黧辫3 。摸篷熬毅籁性在予 将三场的耦合分为三个过程：先进行热流场直接耦合分析求出换热边界的对流 系数，褥遂嚣滚热场润接藕会分掇求凌湿度场，最嚣遴行热瘦力琢熬阉接藕合 分析求出热应力分布。 1 3 5 机械密封环的变工糯和优化研究醮状 瓿缓密鸷环在变王提下运转露呈现与稳态下不丽懿跨栏一魂蠢糖性，圈 内学鞘对此进行了一怒层次的研究。谢启祥分析了船用变压机械密封凝置的密 鹭薅甏晓压、炎澎量、变形锻发彝瘴撩系数8 。h a r p ，s r 建立了颈测瓿皴褰 封环瞬态特性的数学模型，可分析变遵条件下密封端面液膜膊度、压力分布、 生热率、变形帮澄潺霉等参数”“。g r e e n ，i t z h a k v 考虑擞凸薅接魅窝端嚣变形进 行了平稳加载和降载的数值分析，得l 出了机械密封环一系列动态密封特性4 “。 x i o n g ，s h u n h e 等建立了接皴型规缀鬻封麴动态模型，模型主要分摄了变工况 对端丽泄漏的影响。i ”。机械密封环的变工况试验研究液明，由变工况引起的端 嚣滚膜失稳是导致密封性能恶纯静主要因素，但这一因素攫难定量分析m “。 随着国内外对机械密封装簧性能参数指标要求的不断提高，机械密封性能 进亏亍拨亿的磅究褥到定发展。鳗翦针对机械密封性能的优化主要有三大领域： 第，密封端面参数优化，主要研究密封端丽的激光加工处域和端面开槽8 7 “； 第= ，密封环境优化，主要研究从端灏的冲洗冷却“；第三，机械密封环的结 构优化，主要研究密瓣环的结构尺寸“。 l 。4 豢舞究的蟊的和意义 黧肉势磷宠现状袭明：农避羚，交影和滠廑场分攒理论蒸趱已经奠定，联 已主蒙关注于耦合理论研究，并与试验紧密结合，理论研究成果的实用性很强； 在国内，仍主嫠集中予变形秽滋度场酌求勰，对于糕合分橱则研究撼少，困两 研究理论大多不能解决日益复杂的实际问题。要摆脱机械密封技术的落后，深 武汉理工大学硕一l 论文 入理论研究很有必要，系统耦合分析则可作为关键的切入点。 就理论研究本身而言，通过对机械密封装置进行系统的耦合分析，一方面 可以弥补国内在耦合理论研究上的不足，另一方面还可以与国际上的研究主流 接轨，以便更好地借鉴国外的先进研究思想和理论。从工程意义上讲，系统的 耦合分析将有助于全面掌握各因素对机械密封性能的影响程度大小，便于提出 相关的改进措施，以提高机械密封装置的密封性能。 1 5 本论文研究的主要内容、关键技术问题和方法 本论文研究的主要内容、关键技术和方法如下： 1 主要研究内容 1 ) 首先建立机械密封环的结构力学分析模型，求解密封端面压力分布和力 变形锥度，并分析产生锥度的主要原因。 2 ) 建立机械密封环稳态热一结构耦合分析模型，求解密封端面的压力分 布、温度分布、热力变形锥度和应力。 3 ) 对机械密封装置进行瞬态耦合分析，分析在加载和减载工况下密封端面 的温度，压力和变形随时间变化的特性。 4 ) 对受力模型、稳瞬态耦合分析模型进行深入研究，找出影响机械密封性 能的关键因素，并进行参数优化。 2 关键技术问题 1 ) 液膜反力的处理和两密封面间相互作用关系的确定。 2 ) 确定密封环两侧流场的对流换热系数，密封端面间摩擦热的加载方式， 两密封环端面对应位置的温度关系。 3 ) 瞬态分析初始条件技术和动载荷的添加； 4 ) 确定参数优化的基本原则和目标。 3 主要研究方法 1 ) 选用a n s y s 软件。国内外研究现状表明，机械密封性能的准确计算需 要借助一定的软件平台。鉴于目前有限元软件在系统建模中的主导地位和 a n s y s 软件在有限元分析中的专业性和具备强大的多物理场耦合分析功能，因 此选用a n s y s 作为机械密封性能计算的软件平台。 2 ) 整体接触分析法。将机械密封装置作为个整体进行建模，并在两密 武汉理_ t 大学硕l 论文 封环的密封端筒上定义接触单元，以模拟两密封端西的相互熬力俸蔼。 3 ) 摩擦热载荷的自动计算、施加、分配謦收敛。根据密封端面接触压力 计算摩擦热，爝a p d l 函数形式添稍载荷，依据族籁游温度遗续萑条 串著应瓣 耦合接触节点温度自幽度和在密封端两定义大接触导热系数两种基本等效方法 实蠛瘁獠热静分配，遴道摩擦热载荣懿循环蛰代计算实臻燕载蘅精度豹提离。 9 武汉理工大学硕士论文 第二章机械密封环的结构分析 在机械密封装置运转过程中，密封环主要受到两种载荷力载荷和热载 荷。热力载荷的综合作用，使机械密封端面间集中了太多的边界条件。，既不 利于分析各载荷对密封系统影响程度的大小，也不利于分析热力载荷相互之间 的影响，增加了求解难度。由于密封端面间摩擦热载荷在计算上依赖于端面受 力，因此端面受力具有一定的相对独立性，可先进行机械密封环的结构分析， 以便准确分析力载荷对密封性能的影响，并为后续的热力分析奠定基础。从工 程实际来看，机械密封环的结构分析对应密封装置的静态工况，因此结构分析 具有一定的实际意义。 2 1 结构分析基本理论 对于普通机械密封装置，由于密封结构i n # l , 载荷 均近似轴对称，因此可作轴对称处理，相应的基本理 论为轴对称理论。将机械密封装置置于柱坐标系 2 1 1 轴对称的弹性力学基本方程 对于轴对称的弹性力学分析，通常有三个基本方程和两类边界条件”1 ：平 衡方程，控制微分体的静力平衡；几何方程，反映应变分量和位移分量的关系； 物理方程，反映应力与应变的关系，也称本构方程；位移边界条件和力边界条 件。 1 平衡方程 1 0 壑婴坐堡堂生一 l 重g 生+ 旦三熙+ ! ! = 曼! + 。0 j 淑 砂 。 ( 2 1 ) l 堡+ 坠丰蔓十y ：0 i 砂 a r。 2 晁 曩方程 f砒“ 2 夏：2 ：2 ) 卜2 可一2 万+ 磊 3 物理方程 # i s ， - s y 或逆形式 。百 其中剪切弹牲系数g = 夏再e 丽 4 边界条件 b c 边位移 b c 边力载荷 设位移商量5 = 0 o - = b ，盯：q 厂= p ，盯：qr ， 表示为仃= d f ，其中 疗： 盯= 仃， =而e硒0-,01峨+ 戋1 陂坞) 】 ( 十芦) ( 1 2 ) 。4 + ，z = 揣瞳+ 毒( x + e y l | ) 】 l + 譬) ( 1 2 f ) 。 一 = 器b + 毒1 氓鸲) 1 ( 1 + ) ( 1 2 产) 。 一# z 。 。 e 。丽丽 p = 西径向位移约柬( 2 4 ) 1 v ；矿轴向位移约束 f ，= 万 ( 2 5 ，) r ，应变向量= k 吱髟，y ，威力肉攫 则几何方稳可表示为占= b 5 ，物理方程的逆形式可 。目。 砂 0晷l 却瓠)蚓 矗雉越j q 卜 + 以 西 加。 恐 滕 瓜 一 一 一 p b l p ；e一嚣一露 絮 = i f 熟 ，一x o 疗一敬o -，；，。， i i 嚣 武汉理工大学硕一【：论文 其中吖= f i - i ， m ：= 夏1 f - 2 面t 。为弹性矩阵 5 应力计算“” 设综合应力为盯。，应力强度为o - ，三个主应力分别为盯、盯：、( 7 - ，则对 于轴对称的结果分析有应力关系为 l o - ，一盯r，01 l r 盯，一盯 o l = 0 ( 2 6 ) | 0 0 o - ；一a i 求解( 式2 6 ) 得盯：o - x + o y + 、( 0 i - o y ) 2 一+ 4 r y x 2 、d ：，盯的三个主应力按 由正到负的次序分别为盯。、盯：、吒，则应力强度为 综合应力为 o - ，= m a x ( i 仃1 一盯2l ，i 盯2 一仃3i ，i 盯3 一盯i1 ) ( 2 - 7 ) 盯。= ( 三 ( 盯- 一盯：) 2 + ( 0 2 - 0 3 ) 2 + ( 0 3 - - o - i ) 2 ) i ( 2 8 ) 或叮。：( 昙 ( 盯，一盯，) 2 + ( 盯，一盯：) 2 + ( 盯：一盯，) 2 + 6 r ，2 ) i ( 2 9 ) 2 1 2 轴对称四边形单元的有限元离散 1 轴对称四边形单元与轴对称标准矩形单元的映射 设有两个坐标系：基准坐标系( 善，r ) 和物理坐标系( x ，y ) ，其中基准坐标系 用于标准矩形单元的描述，而工程问题中的四边形单元处在物理坐标系中。经 典的理论研究都是基于标准坐标系的研究，因此对于物理坐标系的研究，可通 过标准坐标系与物理坐标系的映射关系来间接进行。 设标准坐标系中矩形单元的四个节点i 、j 、m 、p ( 按逆时针方向) 的坐标 ( f ，仉) 分别为：( 一1 ，一1 ) ，( 1 ，一1 ) ，( 1 ，1 ) ，( 一1 ，1 ) ；物理坐标系中的四边形单 元的列应四节点坐标分别为( “，v 。) 、( u ，v ，) 、( “。v 。) 、( “，v ，) ，则物理坐 标系与整体坐标系的转换关系为m ”： 武汉理一大学硕l 论文 “。甜( 孝，刁) 。疗。+ 。1 4 + a 2 吁+ a 3 孝r l ( 21 0 ) l v 。o ( f ，刁) 。b o + 吼# + 6 2 7 7 十d 3 # 叩 根据物理嫩标系四边形单元的四个节点坐标值和标准坐标系矩形单元的朋 节点搬标值可计算待定系数，粕和b 。，b 。于是上式可写为： j 甜2 1 ，甜- + n s u j + m “m + n p u p ( 2 - 1 1 ) i v = v ，v ，+ 哆v + 虬+ n f v p 其中： ，= 望上益孕掣，f ， 七，p 轮换 将上式写成矩阵形式为： ( ：) 一( 越m 0 n j 0 ，m 000n0 n 。0 9n z 占8 = 。艿。e z t z ， l v l ， 。 ，j “ 箕中：艿2 = 如，v ，甜，v ，“，v 。”，y 2 系统方程的构建 根据虚功原理。1 2 ，外力在虚位移上所做的功等于弹性体备点的应力在虚应 变上所做的虚功，有二维轴对称的虚功方程为： ( 占。) 7 r 。= 2 f f ( e e ) 一盯。x 出咖 ( 2 1 3 ) 将上式化简得：r 。= 2 玎i i ( b 。) 7 d 。曰。d 。x & d y ( 2 1 4 ) 其中r 8 = 2 疗i ( 4 ) p x d s ( ，为四边形单元 ，边的法向压力) 令心】= 2 帮f ( 明7 d b * x d , c d y ，则 a 爱4 一【k 8 】，子8 ( 2 - 1 5 ) 对各四边形单元遂季亍整刚合成可娉整个密封装置的受力平挺方程的矩阵形 式为【k 6 = r ，此式也称作系统方程，求解系统方程便可得到各节点的位移， 进而得到其它力学参数。 3 ，坐标的偏导数和积分变换 在构造系统方程的过程中不难发现，矩阵b 中的元素是关于x 和y 的偏导， 亟坚堡三查兰堡主堡苎 而物理坐标系中的向量“是由f 和叩来表示，而且直接在物理坐标系中积分也 很困难，这就需要进行坐标的偏导数和积分变换。 标准坐标系与物理坐标系的偏导数变换关系为： 令3 a x却 8 8 a ra v a 叩a 叮 则 a _ 缸 a 砂 a 鸳 a a ” 即 a 1 ，o y a o y a 、 害l l l ：a 公乞：絮、，其中川= 毒茜一善考 妲1 ， 旦：上r 一鱼旦十堡乌 骘d 7 嘴d 卵 砂1 j i 、a 叮a fa 孝a 叩。 物理坐标系与标准坐标系的面积积分关系为： d a = d x d y = l j l 删，7 ( 2 1 8 ) 将坐标的偏导数和积分变换关系代八系统方程中，便可使系统方程的求解 性提高。 4 位移约束的处理 对于系统方程，约束边界条件的处理方法主要有两种： 1 ) 取0 取1 法。将所有约束节点所在的行、列除对角线元素赋给1 外，其 余元素均赋给0 ，并将对应的右端项赋o 值。 2 ) 乘最大系数法。在约束节点所在的行、列对角线元素上乘一个很大的数 ( 如1 0 8 ) ，这种方法是对取o 取1 法的近似，它的主要优点在于对矩阵方程的 修改量较小。 根据以上所列轴对称弹性力学基本方程及其四边形有限元离散式，结构分 析的主要内容为计算位移、应变和应力，其中位移为基本出发点。就机械密封 环而言，结构分析应具体化为求解密封端面的变形和应力，为保证应力分析的 有效性，应首先重点分析