（机械电子工程专业论文）汽车水泵机械密封的数值模拟.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着技术不断的进步与发展，机械密封早已在各种流体机械设备 中得到广泛的应用，并且在机泵用轴封中占有举足轻重的地位。机械 密封件是机械设备中众多的基础零件之一，但是却关系着机械设备一 系列的重要性能；机械密封件也是一个易损件，因此一直是国内外学 者研究的重要课题。机械密封的研究由于涉及诸多方面的理论知识， 例如摩擦力学，流体力学，传热学和结构力学等等，比较复杂，因此 国内外学者对机器密封件的研究还并不深入，目前对密封件的研究的 最有效的方法是利用大量的资料和经验，超越现实的研究是没有必要 的。 本文对波形弹簧式汽车水泵机械密封件建立模型，结合了国内外 学者对机械密封的理论研究，分析此波形弹簧式机械密封的性能，借 助计算机软件的迅速发展，从流体力学的角度，利用c f d 流体软件对 机械密封运转过程中密封端面的液膜进行了三维数值模拟以研究其密 封端面的内部流场，首先用p r o e 建立了液膜的三维模型，用f l u e n t 自带的软件g a m b i t 对液膜的三维模型进行了网格划分，再导入f l u e n t 中进行一系列参数的确定，通过数值仿真机械密封件运转时候液膜的 静压分布、动压分布、速度分布等，分析密封件运转过程中内部流场， 研究密封的结构对流场的影响；由于密封件的轴对称性，从结构力学 的角度上通过有限元a n s y s 软件对密封副温度场和应力场的进行了 二维模拟，选用p l a n e 5 5 单元模拟温度场，划分网格后得到密封副的 汽车水泵机械密封的数值模拟 有限元模型，通过计算得到具体的换热系数和热流密度载荷分配等参 数，在对密封副的温度场进行模拟后得出温度场的等温线和温度分布 图等数据；在应力场的模拟上换用p l a n e l 8 2 单元，进行数值模拟后对 得到的密封副的应力场的位移图和应力分布图等数据进行整理和分 析。 结合数值模拟的结果和数据分析并得出结论，提出了对该密封的 材料和造型方面上的建议，使波形弹簧式密封件具有更良好的性能。 提高波形弹簧式密封的质量，延长波形弹簧式密封的寿命，对以后的 机械密封设计有一定的参考价值。 关键词：机械密封，数值模拟，c f d ，有限元 江苏大学硕士学位论文 w i t ht h ed e v e l o p m e n ta n di m p r o v e m e n to ft e c h n o l o g y , m e c h a n i c a ls e a lh a sb e e n w i d e l yu s e di na l lk i n d so ff l u i dm a c h i n e r ye q u i p m e n t s ，i ta l s oh a st h ei m p o r t a n t p o s i t i o ni ns h a f ts e a lo ft h em a c h i n e r ya n dp u m p m e c h a n i c a ls e a li sj u s to n eo ft h e b a s i ca n df r a g i l ep a r t si nt h em a c h i n ee q u i p m e n t h o w e v e r , i tc o u l dd e c i d et h e i m p o r t a n tp e r f o r m a n c eo ft h em a c h i n el i k es a f e t y , r e l i a b i l i t y , e t c i th a sb e e na n i m p o r t a n ts u b j e c tt or e a l i z er e s e a r c ho nt h em e c h a n i c a ls e a lb yd o m e s t i ca n df o r e i g n s c h o l a r s ，i ti n v o l v e sk n o w l e d g eo fm a n ya s p e c t s ，s u c ha sf r i c t i o nm e c h a n i c s ，f l u i d m e c h a n i c s ，h e a tt r a n s f e r , s t r u c t u r a lm e c h a n i c st h e o r ya n ds oo n t h e r ea r es t i l lal o to f p r o b l e m sr e l a t e dt ot h em e c h a n i c a ls e a ls t u d y n o wt h ee f f e c t i v em e t h o dr e s e a r c ho n t h em e c h a n i c a ls e a li st ou s eal o to fm a t e r i a la n de x p e r i e n c e ，t h es t u d yb e y o n dr e a l i t y i sn o tn e c e s s a r y t h i sp a p e rf i r s tb u i l dt h et h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e la c c o r d i n gt os t r u c t u r es i z e d i r e c t l yg i v e nb yt h em a n u f a c t u r e r , s t u d yt h ep e r f o r m a n c eo ft h em e c h a n i c a ls e a l c o m b i n e dw i t ht h e o r e t i c a ls t u d yo fd o m e s t i ca n df o r e i g ns c h o l a r so nt h em e c h a n i c a l s e a l ，f r o m t h ev i e wo ff l u i d m e c h a n i c s ，t or u nt h el i q u i dm e m b r a n eb yt h e t h r e e d i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h em e c h a n i c a ls e a lt h r o u g ht h ec f d s o f t w a r e t h r o u g ht h ep r o ee s t a b l i s h e dt h et h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lo fl i q u i d m e m b r a n e ，m e s h i n gi tw i t hg a m b i tc o m b i n e dw i t hh u e n tt h e nd e t e r m i n eas e r i e so f p a r a m e t e r si nh u e n t a n a l y s i st h ec o n d i t i o n so ft h ei n t e r n a lf l o wf i e l dd u r i n gt h e r u n n i n gt h r o u g ht h es i m u l a t i o no fs e a ll i q u i dm e m b r a n es t a t i cp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n ， d y n a m i cp r e s s u r ed i s t r i b u t i o na n ds h e a rf o r c ed i s t r i b u t i o n s t u d yt h ei n f l u e n c eo ff l o w f i e l df r o mt h es t r u c t u r eo fs e a l i n g t h r o u g ht w o - d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o no ft h e t e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s sf i e l do ft h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y sf r o mt h ev i e w o fs t r u c t u r a lm e c h a n i c s ，s e l e c tp l a n e5 5u n i ti nt h es i m u l a f i o no ft h et e m p e r a t u r ef i e l d t og e tt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h em e c h a n i c a ls e a la f t e rm e s h i n g ，g e td e f i n i t eh e a t t r a n s f e rc o e f f i c i e n ta n dh e a tf l u xl o a dd i s t r i b u t i o np a r a m e t e r st h r o u g ht h ec a l c u l a t i o n , b ys t u d y i n gt h es i m u l a t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l dt og e tt h ei s o t h e r m ，t e m p e r a t u r e m 汽车水泵机械密封的数值模拟 d i s t r i b u t i o n s e l e c tp l a n e1 8 2u n i ti nt h es i m u l a t i o no ft h es t r e s sf i e l dt h e nc o l l e c ta n d a n a l y s i st h ep i c t u r eo ft h es t r e s sd i s p l a c e m e n ta n d s t r e s sd i s t r i b u t i o n c o m b i n e dw i t ht h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sa n dd a t a ，a f t e ra n a l y s i sp r o p o s e d s o m er e c o m m e n d a t i o n sa b o u tt h es e a lm a t e r i a la n dt h em o d e lt om a k et h ew a v e s p r i n g m e c h a n i c a ls e a lc a l lh a v eb e t t e rp e r f o r m a n c e ，i m p r o v et h eq u a l i t ya n de x t e n dt h el i f e o ft h em e c h a n i c a ls e a l k e yw o r d s ：m e c h a n i c a ls e a l ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，c f d ，f i n i t ee l e m e n t 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 机械密封( 端面密封) 是一种倚靠弹性元件( 多为弹簧、波纹管等) 的轴向 密封装置，是倚靠了弹性元件对端面密封副的预紧和介质压力而达到密封效果的 1 1 1 。机械密封的重要性体现在对机器设备，机械装置，整个工厂的安全生产性， 可以保证设备正常运转，对机器连续生产具有重大的意义，因此机械密封可以说 是流体动力机械设备中关键的部分。 近几十年来，随着现代工业的不断发展和材料科学的飞速进步，机械密封已 经有了很大的进展，由于机械端面密封的优点诸多：例如适用范围广、使用寿命 长、泄露量少、工作可靠等，在机械各行各业中都应用广泛，尤其是在泵类中应 用最广，有关数据显示在炼油工艺装置中9 0 以上的机泵使用了机械密封。机械 密封由于可靠性好，性能稳定可以在许多危险工况( 例如：易爆、易腐蚀、高速、 易燃等) 下取得极佳的使用效果1 2 - 3 1 。 机械密封是关系到转动设备能否正常运转的重要零部件，其性能优劣决定了 设备的耐久性、安全性和可靠性，在1 9 8 4 年的1 2 月，一家美国联合碳化物公司 驻印度的农药厂内异氰酯储罐出现了泄漏情况，造成不可挽回的后果：有1 2 万人 中毒其中5 万人失眠，严重的是有3 0 0 0 多人死亡，印度的高级法院裁定此公司赔 偿了4 7 亿美元；在1 9 8 6 年1 月，美国“挑战者号由于飞机助推器的连接处一 个o 型密封圈失效而发生了泄漏事故，在刚刚升空之后便发生了爆炸，这个小小 的机械密封件就使得包括一名教师在内的7 名宇航勇士全部遇难，价值上亿美元 的航天飞机报废：这些由机械密封件失效导致的悲剧事件不胜枚举，一旦发生密 封失效事件可能导致介质泄漏，可能会污染环境，危害产品的质量甚至操作人员 的健康，严重的甚至可能发生爆炸事故，火灾事故和人身伤亡等事故，所以在机 械密封的使用过程中，肉眼可视的液体泄漏和无色无味的气体的逸出都是研究人 员需要密切关注的问题。这些事件在一定程度上都充分证明了密封的重要性1 3 1 。 汽车水泵机械密封的数值模拟 1 2 机械密封的发展简史、作用和意义以及目前的发展水平 1 2 1 机械密封的国内外发展简史 机械密封技术在国外发展较早，1 8 8 5 年随着液压传动的发展、蒸汽机和机床 的应用的开始，油封作为第一个端面密封的专利出现在英国，机械密封件开始在 轴承上广泛应用于1 9 0 0 年，1 9 0 8 年在汽轮机上面世了首个可移动的机械端面密 封，1 9 1 9 年在之前的密封技术基础上第一个单端面密封面世。随着机械加工和材 料方面的技术进步使得在1 9 3 0 年密封技术首次应用在内燃机水泵上，在伴随着石 油化工的发展，各种新材料的出现，机械密封面粗糙度的有了很大的改善，由 r 。0 2 o n 改为r 。0 1 朋，中间环高压高速和平衡型的机械密封出现于1 9 4 5 年。由 于航空、石油化工等工业要求，美国西乐公司在1 9 5 7 年研制出第一个金属波纹管 机械密封高温密封。1 9 6 0 年原子能工业的高要求使得机械密封结构上有了新的发 展，出现流体动压、静压和热流体动压，甚至出现了热流体动力契机械密封流体 t 4 - 8 1 ，在1 9 6 3 。1 9 6 9 年之间，静压、流体动压式机械密封开始被广泛应用在工业 上，1 9 7 4 年机械密封在宇航和核电的要求和需要下开始向多级密封结构发展，螺 旋槽密封、螺旋机械密封和浮环机械密封等新型密封问世。1 9 8 5 年，高p v 值的 热水泵密封使得密封面的材料和变形协调合适配对工艺流体的零逸出和零泄漏的 密封技术迅速得到发展，环境保护、长寿命和安全生产要求按照a p l 6 1 0 、a p l 6 8 2 和s t l es p 3 0 等新标准。2 0 0 0 年非接触( 表面改形技术) 的机械密封随着计算 机技术、激光加工、表面改形技术和密封设计理论的发展而随着飞速发展t 9 1 。 1 2 2 机械密封在工程中的意义 ( 1 ) 提高机械效率 机械密封能够提升机器容积效率，降低机器的泄漏( 内漏、穿漏和外漏) ；能 够提高其机械效率，既是降低机械密封的摩擦损失；改善密封形式，改善机械的 辅助系统；提高机械机组的工作效率，减少机械的能源损耗。 ( 2 ) 节约原材料 流体回收量大大提高，减少密封的流体损耗以及减少或消除蒸汽和流体的损 2 江苏大学硕士学位论文 耗等。 ( 3 ) 提高机器可靠性 机器的可靠性依靠机械密封的漏损和寿命来决定。 ( 4 ) 安全和环境保护 密封件是一个庞大机械中的小小零件，却能关系到机械设备的可靠性和安全 性。密封技术是关系到机械可靠性的重要技术，例如上文的美国航天飞机由于密 封发生的坠毁事故。在日常设备维修工作中约5 0 工作量是维修机械密封的工作， 国外有学者在论文中提到，离心泵的维修费大约有7 0 是源于密封故障1 1 0 1 。 机械密封需要在许多高压，高温，高速，易燃，腐蚀性介质和易爆等工况下 安全可靠地工作较长时间，并且是连续运转，因此机械密封在整个机械的保养和 维护中占有重要地位，市场需要培养掌握密封技术的专业人员，专门从事这方面 工作，解决生产商可能出现的有关密封问题。 1 2 3 机械密封目前的发展水平 机械密封目前水平： 单级压力1 03 e a 一3 5 m p a 使用温度最高达1 0 0 0 。c ，最低可达低温深冷m 1 机器转速最高达1 3 0 0 0 0r m i nm 1 珊值达1 0 0 0 m p a m sm 1 1 3 机械密封技术的方展方向和趋势 1 3 1 机械密封的发展方向 随着科技的进步和工业的发展，机械密封的发展方向是研发出新的密封结构， 提高了机械密封的安全性和可靠性，改进密封的性能，减少了机械密封的泄露， 提高流体膜刚度和工作稳定性，延长密封件的寿命1 3 1 。 新型的密封技术主要有干气密封技术，干气密封技术是非接触密封的一种，在 其静环和动环上都有浅槽，可以使其密封性加强，端面磨损几乎可以达到为零的 状态；流体动密封技术，流体动密封技术应用了粘性液体的动压效应，在端面副 3 汽车水泵机械密封的数值模拟 内外径压力差的作用下控制液体产生的压流差：磁力密封件，磁力密封的结构紧 凑，一体化了转动部件，且用磁力作为密封端面地贴合，使用寿命长；剖分式机 械密封，剖分式技术的应用使密封件的更换不需要拆泵就可以进行，泄漏量也可 以有一定的降低，安装方便，拆装快速。 1 3 2 机械密封的发展趋势 ( 1 ) 技术不断创新 随着现代工艺的进步，密封使用的环境不断地发生变化，对于密封的工况也有 了更高的要求，例如：大型化，高速化，微小尺寸，大尺寸，标准化，特殊温度 等，性能要求更高，高p y 值等的密封产品大量研制，失效理论、失效理论的分析 研究和应用。 ( 2 ) 使用范围不断扩大 机械密封在各种旋转机械例如：搅拌机、反应釜、转盘塔、离心机械得到广泛 的应用。 ( 3 ) 重视整个的密封系统 研究人员现在已经开始着眼于整个密封系统而不是过去的只重视单独的密封 件，目前已有了新的密封系统标准( ( a p i - 6 8 2 离心泵与转子泵的轴封系统。 ( 4 ) 注意安全和环境保护 国外已经有学者制定了一整套关于规定控制逸出量的指南，已经发展到控制 易挥发物的逸出量t 1 4 1 。 ( 5 ) 要求不断提高 国内在化工和石油工业上开始要求密封件寿命由原来的一年延长到两年，这是 因为化工和石油业的装置操作周期长以及工艺装置的检修周期长等原因，而在国 外要求更加严苛，由原本的两年延长到三年。 ( 6 ) 从实用的角度开发密封新产品 在研制出新的密封产品时，要从实际应用上考虑。密封技术不仅在基础研究 而且在应用研究都是方兴未艾，都面临着越来越高的环保要求、设备向高参数方 向发展的要求、长周期的运行要求以及低能耗的运行要求t 1 4 1 。 4 江苏大学硕士学位论文 1 4 本课题的来源和背景 本课题由江苏恒泰同盛科技有限公司提出，汽车水泵密封件的研发和应用。 江苏恒泰同盛科技有限公司把最新的波形弹簧式密封作为新的开发项目，以满足 汽车水泵机械密封向高参数发展所要面临的性能需要1 1 5 1 。 在汽车行业中，汽车的发动机是汽车的核心部件之一，对汽车的性能有着重 要影响，随着汽车发动机性能地不断提高，势必对汽车水泵的要求就随着提高， 研究人员统计在水泵的维修中，机械密封的泄漏占了5 0 之多，而密封件的失效 占水泵维修中的8 0 u ，市场由于需求对汽车水泵机械密封的设计和应用都提出 了更高的要求1 1 6 1 0 汽车水泵机械密封的作用是避免密封冷却液的泄漏，并且将冷却液与轴承相 隔离分开，达到保护轴承的目的。目前汽车水泵上己经广泛使用了双层陶瓷的波 纹管式机械密封，2 片同轴安装的陶瓷机械密封被螺旋弹簧压紧贴在一起。水泵 漏水甚至水泵损坏的主要原因之一就是机械密封的失效，机械密封失效后，冷却 液一般会从泵轴处泄漏，从溢水孔流出，如果溢水孔恰好被堵塞，泄漏的冷却液 就会进入水泵轴承内，导致轴承的损坏，带来严重的损失，因此机械密封在水泵 设计中有着重要地位，研究人员一直在着力研究如何提高机械密封的质量，改善 机械密封的性能以及延长机械密封的寿命u 7 1 。 1 5 本文研究的主要内容和技术路线 1 5 1 本文研究的主要内容 ( 1 ) 建立水泵机械密封件的三维模型； ( 2 ) 通过流体力学软件数值模拟水泵机械密封副中的液膜流场情况，对其基本压 力分布和速度分布进行研究分析，并得出结论； ( 3 ) 通过有限元软件数值模拟水泵机械密封副的温度场和应力场，再对数值模拟 得到的温度场数据和应力场的分布数据进行分析，得出结论并提出改进。 5 汽车水泵机械密封的数值模拟 1 5 2 本文的技术路线 6 本文的技术路线如下图1 1 所示： 图1 1 研究技术路线 f i g1 1r e s e a r c hp r o c e d u r eo ft h es u b j e c t 江苏大学硕士学位论文 第二章机械密封的基本原理 2 1 机械密封的简介及组成 机械密封是由最少一对垂直于旋转轴线的端面，在流体压力和补偿机构弹力 的作用及辅助密封的配合下，保持贴合状态并且能够进行滑动的机械装置，其结 构如图2 1 和图2 ，2 所示。 机械密封的三大组成部分是： ( 1 ) 主要密封原件 由动环、静环组成。动、静环一般是由不同的材料组成，一个硬度比较低可 用石墨石或者石墨添加剂等材料，另一个硬度较高，一般用钢、陶瓷、硬质合金 钢等材料制作。 ( 2 ) 辅助密封原件 辅助密封原件由一些适当的垫片和密封副的密封圈( 包括动静环) 组成。根 据不同的要求，辅助原件常采用o 环，v 形环，契形环或其它形状的密封环辅助 密封原件，除具有密封能力外，还具有适量的弹力，以便能吸收密封面由于振动 造成的不良影响，辅助密封原件一般常用橡胶或塑料制成。 图2 1 机械密封 f i g2 1t h eo b j e c t i v eo f m e c h a n i c a ls e a l 7 汽车水泵机械密封的数值模拟 图2 2 机械密封的结构示意图 ( 3 ) 压紧原件和其它辅助原件 压紧原件和其它辅助原件一般有防转销，弹簧转动座。对于机械密封来说， 一般漏油的地方有四处，即动环和轴之间、静环和压盖之间、压盖之间及动环和 静坏之间。 动环和静环之间有密封圈，密封圈在里边是被压紧的，用它的弹性起到密封 作用。静环和压盖之间，把静环和压盖的配合间隙保持在0 0 1 , 4 ) 0 4 m m 范围同时 在静环和压盖之间有密封圈起到密封作用t 1 8 1 。压盖和泵体之间，有耐油石棉板， 用压盖上的螺栓压紧垫片达到密封。静环和动环之间，是动密封( 其它是静密封) 且是端面密封的关键。为了使动环和静环两摩面紧密接触，弹簧作用和一个预项 力，加上操作介质压力作用，使平面紧密接触，即使石墨磨损，由于以上两力的 作用，仍能使动环静环紧密接触，起到密封作用。 机械密封副是机械密封的关键，需要动静环的紧密配合，动环是旋转的，可 以沿着轴向移动的，工作时，动环同时受到来自液体的压力和弹簧压力的共同作 用，紧压在静环上做相对的旋转运动t 1 9 1 。 8 江苏大学硕士学位论文 2 2 机械密封的特性和要求 ( 1 ) 泄漏量可以限制到最少 机械密封在达到材料耐磨性上要求较高，主密封面的表面粗糙度和平直度达 标等机械密封就可以只有极其微小的泄露量，甚至达到肉眼看不见泄漏的程度。 ( 2 ) 寿命长 密封摩擦副是机械密封中最主要的磨损部分，在正常工作的条件下密封面的 磨损量一般可以维持连续使用1 2 年，个别场合下甚至可以用到5 。1 0 年的。 ( 3 ) 运转中不用进行调整 机械密封端面在运转中需要保持紧密的接触以防止泄露，密封件单单依靠弹 簧力和流体压力而互相贴合就可以达到要求，装配后不需要与普通软填料需要装 配后调整压紧一样。 ( 4 ) 耐振性比径向密封好 在n = 3 0 0 0r r a i n 的转速下最大振幅不得大于0 0 5m l n 。 ( 5 ) 使用p s v 值不断提高 在机械密封的结构上采用流体动压密封、流体静压型密封或多级组合式密封， 使p s v 值提高到较高的数值，现在一般情况下可达到1 0 0 0 m p a ( m s ) ，目前并且在 不断提高中。 ( 6 ) 结构复杂，拆装不便 与其他密封件相比，机械端面密封的零件数目多，要求精密，结构复杂，特 别是装配困难，拆装时要从轴端抽出密封环，必须把机器部分( 联轴器) 或全部 拆卸，关于这个问题在近年来已经得到了改进，现在已经有了集装式和剖分式机械 密封结构，即满足了拆装方便的要求，又可以保证装配过程的质量问题。 2 3 机械密封的力学分析 2 3 1 机械密封的主要参数 ( 1 ) 密封面间隙h 机械密封端面间隙是一个重要的宏观几何参数，密封端面间隙的表达式为： 9 汽车水泵机械密封的数值模拟 h = k + j l 枷 式中： h 甜一由表面粗糙度形成的密封缝隙高度 坠+ 坠 h s - - 半 其中墨、k ：一一表面粗糙度比，普遍认为墨= k ：= 0 6 7 则( 2 2 ) 式可化简为j l 酣= 0 7 5 ( r 一。+ r 一2 ) ( 2 1 ) ( 2 2 ) 一一由流体动压效应产生的密封缝隙的高度，与介质的粘度，表面形状 和滑动速度伏比压p 。等有关 ”f ( v , i t , p b ) k d 印“嘏( 老丁 ( 2 3 ) 式中： 屯一一无因次系数，一般取= 0 0 7 0 1 5 在接触式机械密封中，密封面的间隙一般取j l = 九。 ( 2 ) 密封面宽度b 机械密封端面宽度是一个关键的几何参数，其宽度的大小与密封端面工作产 生的摩擦热有关系。密封面如果窄了，接触面积小，那么接触面承受的压力就过 大，容易加剧密封面的磨损，缩短密封面的寿命，但是如果密封端面太宽，接触 面积大，接触产生的摩擦热就较多，使温度升高，可能会导致密封面产生热裂。 因此密封面的宽度需要综合考虑来选取u 9 珈1 。 在选取密封面宽度b 时可借鉴式( 2 4 ) 的经验式选取运转机械密封的密封面 宽度： b = 0 0 0 2 5 + 0 0 2 2 d( 2 4 ) 式中 d 一轴径，翮 公式计算的结果需要圆整化计算，在计算宽环的时候应该加上o 0 1 5 d 而在计 1 0 江苏大学硕士学位论文 算窄环的时候应该减去o 0 1 5 d ，最后结合密封面接触压力的大小与载荷系数k ( 面 积比曰) 综合考虑密封面宽的去选取。 密封端面的动静环材料不同，因此硬度也就不同，一般来说，硬度低的密封 面的宽度比硬度高的稍微窄些，以免发生硬环嵌入软环的现象，在实际工程的应 用中研究人员默认轴径为0 1 5 m m 一2 0 0 m m 的密封副时，密封面的宽度差应该为 l m m 4 m m ，在选择散热性较差的密封环的宽度应该稍微窄些，以利于进行散热。 ( 3 ) 载荷系数k ( 面积比曰) 名义上接触面积a ： 如图2 3 所示，接触面积a 就是密封端面与另一个密封端面的有效接触面积， 在具体的机械密封中是指较窄的密封端面外径d 2 和内径d - 之间的环形区域的面 积，其表达式为： a ：7 ( 9 2 2 - - - 9 1 2 ) ( 2 5 ) 4 、 有效作用面积a c ： 指密封流体压力作用在补偿环上，使之对非补偿环趋于闭合的有效作用面积。 有效接触面积a 。的计算式 对了内流式机械密封： 屯= 署 2 一玩2 ) ( 2 6 ) 对于外流式机械密封： a = 4 ( d b 2 - d , 2 ) ( 2 7 ) 式子中珧为平衡直径( 滑移直径) ，是指流体压力作用于补偿环的辅助密封 圈处的轴套( 或轴) 的直径。 1 1 汽车水泵机械密封的数值模拟 图2 3 接触面积的计算参数 f i g 2 3p a r a m e t e r so ft h ec o n t a c ta r e a 当补偿环上存在流体压力的时候，补偿环对于非补偿环趋于关闭的有效作用 面积a e 和密封面的接触面积a 之间的比值既为载荷系数k ( 即面积比曰) ，反映 了密封端面的承载能力，即 k = 尘a ( 2 8 ) 载荷系数k ( 内流式机械密封) ： k = 鲁= 瓦d 2 2 可- d b 2 ( 2 9 ) ad ：一d ? 、。 载荷系数k ( 外流式机械密封) ： k = 鲁= 萨d b 2 珂- d 1 2 ( 2 1 0 ) a d 一d 1 、7 介质压力作用到密封端面的载荷程度就是载荷系数( 面积比) 的大小。k 的 大小与密封端面的内、外直径及平衡直径有关，当密封端面确定好后，想改变k 值时，常用的方法时在轴或轴套上设置台阶，减d , a 。 2 3 2 机械密封的性能参数 机械密封的性能参数主要有值、冷却冲洗量、泄漏量、摩擦系数、磨损量 和功耗( 摩擦功率消耗) 。 ( 1 ) 只值1 、缈及掣 在考虑机械密封副的时候，可以用轴承的摩擦副作为参考，r 值被用作试验、 使用、设计和选择机械密封的重要参数之一，机械密封的各项性能( 温升、摩擦 1 2 江苏大学硕士学位论文 功耗、工况参数和磨损情况) 都与其有关。 ( 2 ) 使用p s v 值 使用胁l ，值是密封系统的压力( 即密封内外侧流体压力差慨与平均周速 ，( 密 封端面上的) 的乘积，使用值可以说明机械密封的工作条件、使用寿命以及 工作难度，研究人员也可以用使用值来说明机械密封技术的发展水平，就如 前文所提到的目前机械密封最高的技术水平己达到p 。v = l o o o m p a m s 。同时也可 用使用p s v 值去选择机械密封的类型和选择适当的材料配对。 ( 3 ) 工作p c vp g v p c v 是接触比压仇和密封端面平均周速 ，的乘积；p s v 值是密封端面比载荷胁 和密封端面平均周速1 ，的乘积，这就一定程度上证明了机械密封工作时微凸体承 载能力和密封副单位面积上总载荷的大小。 ( 4 ) 设计允许慨小慨川及删值 根据摩擦副材料的配对情况，在允许情况下的机械密封的磨损速度以及规定 的使用寿命的期限下确定圳、瞻别及慨朋，由于工作条件状态的不同，研究人 员一般都是根据使用经验和实验结果来确定允许的慨川、慨川及魄川值。 ( 5 ) 极限( 风y ) 一值 极限v ) 一值是以出现了热裂失效时的极限值作为的极限值，在实际 应用中一般是为了避免机械密封副产生热裂的现象，因此选定的工作极限p c v 值 通常小于的极限值。 ( 6 ) 摩擦系数厂 摩擦系数，是接触式机械密封重要性能参数之一。机械密封端面的摩擦状态 通常分为边界摩擦，流体摩擦以及混合摩擦三种，在正常情况下，接触式机械密 封处于混合摩擦状态，由此，摩擦系数主要有流体摩擦系数办与接触摩擦系数五。 机械密封件的摩擦系数厂就是用密封端面的总摩擦力厂除以总载荷二的数值 f 厂2 吾 ( 2 1 1 ) 一c 式中： 密封面的总摩擦力：f = 研疋 毋是流体黏性的剪切摩擦力 汽车水泵机械密封的数值模拟 r 是密封端面的微凸体接触摩擦力 ( 7 ) 磨损量 混合摩擦的状态下的机械密封端面之间存在着一定的摩擦、磨损，而机械密 封的寿命在正常情况下主要取决于密封面的磨损程度，而磨损程度一般用磨损率 和磨损系数来表示。 。 磨损率就是在单位时间内的磨损量，用y 表示。研究人员根据摩擦学和密封 技术方面的理论知识推断出摩擦副材料粘着磨损的磨损量为 a w = k 属h( 2 1 2 ) 式中： 一磨损系数 f 一法向载荷， 三一摩擦路程，m 日一硬度，n m 2 根据磨损系数可以计算到磨损率，已知周速公式，= l t 、载荷公式f = p e a 和线度磨损公式缸= a ，可代入求得磨损率为y = 丁a l = 茎管上，代入已知的 岛与h 或者岛h 值和求得的值，算得磨损率。 根据机械密封技术条件的条例规定：磨损量的大小必须与机械密封使用 期的要求相符，用清水作为介质进行试验时，软质材料的密封环磨损量一般在运 转l o o h 后不能大于o 0 2 m m ，即磨损率为y o 0 2 r a m 1 0 0 h 或0 2 n n h 。 ( 8 ) 泄漏量q 泄漏量q 是机械密封中主要的性能参数之一，泄漏量q 指的是单位时间内通 过端面密封副和辅助密封泄漏的被密封的介质的总量，当密封端面处于流体润滑 状态时，泄漏量q 通常是按径向缝隙内流公式引入修正系数，即 q = 警c o ( 2 1 3 ) 1 4 江苏大学硕士学位论文 式中： h 一端面流体膜平均厚度，i n n ； c o 一考虑各种因素( 端面砸度、安装平行度、枥波度、工作条件及龇 种类) 的泄露修正系数 当密封端面处于混合润滑状态时，国外学者提出泄漏量q 可按以下经验公式 计算。即 q ：垒学 ( 2 1 4 ) p g 式中s 一缝隙系数，其值随密封端面周速d 的增高而急剧地增大并在高轴速下 趋于某一值。 我国j b t 4 1 2 7 1 1 9 9 9 机械密封技术条件在对于接触式机械密封中有明确 关于平均泄漏量的规定： 当被密封介质是液体的时候，平均泄漏量规定如下： 轴( 或轴套) 的外径大于5 0 r a m 时平均泄漏量不大于5 m l h 轴( 或轴套) 的外径不大于5 0 r a m 时平均泄漏量不大于3 m l h 。 ( 9 ) 摩擦功率消耗 机械密封在工作时，主要摩擦热的来源是旋转元件在被密封介质中摩擦产生 的搅拌热和端面密封副在摩擦过程中产生的摩擦热，可知，机械密封的总摩擦功 耗n 应等于端面密封副的摩擦功耗，与搅拌功能口之和。即： n = n 产n 4 q 1 5 ) 端面密封副的摩擦功耗，可通过下式子计算： ，：堡鲨垒取形) (216)1000 j ，、， 2 4 机械密封的摩擦机制和润滑 机械端面间的摩擦是决定密封性能的主要因素，同时机械端面间的摩擦也是 机械密封研究的重点问题。关于机械密封端面间的摩擦工况长期以来研究人员一 直存在着一定的争议，学者迈尔认为“普通机械密封的界面一般为边界摩擦，并 且基于边界摩擦学说提出了流体交换流动理论川扣，n a u 认为应用中的机械密封大 汽车水泵机械密封的数值模拟 部分都处于流体动力摩擦工况中，在此理论下n a u 提出了热流体动力楔理论 2 0 1 戈卢别夫认为摩擦副中一个环的局部变形产生了流体动压。l e b e c k 的实验表明： “一般情况下的机械密封件中，不能够形成足够的流体动压承载能力 1 2 1 1 9 s u m m e r s s m i t h 等证实了在一定的条件下混合摩擦的工况是能够出现在机械密封 端面摩擦中的 2 2 1 因此机械密封的端面摩擦一般可以分为干摩擦、流体摩擦、边 界摩擦和混合摩擦，对于普通的机械密封，端面的最佳摩擦状态应该是混合摩擦 状态，在实际应用中。如果在实际应用中要求有较高的密封性能，一般取边界摩 擦状态t 3 1 。 机械密封的端面摩擦特性一般是与机械密封的泄漏、负荷能力、寿命以及可靠 性等性能息息相关。根据机械密封的机构、介质、材料以及工作条件，端面摩擦 可分为干摩擦、流体摩擦、边界摩擦和混合摩擦。 2 4 1 干摩擦( 热裂) 状态 在一般情况下机械密封面发生干摩擦的原因是间隙减少，流体作用力增大， 密封副因为密封面微凸体开始互相接触而导致的温度升高等，使得密封副之间产 生了很大的残余应力由热应力所造成的，密封环因为处于干摩擦的状态使磨损加 剧和摩擦系数增大而烧损或开裂( 俗称热裂) ，热应力通过密封端面的接触运动而 释放，残余拉应力就在表面形成导致出现较浅的表面裂纹。 为了避免干摩擦，一般采取使其中一个密封面具有固体润滑性能的自润滑材 料去做，同时也要考虑摩擦副的使用极限问题。 2 4 2 流体摩擦状态 流体摩擦状态是指有一层极薄的润滑膜在机械密封的动静环之间，其性能与 滑动轴承一样的稳定，它可以起到分开两个端面的作用，因为有这层润滑膜，端 面磨损及损耗大大降低，发热量也大大减少。 这层润滑膜是否存在以及如何连续存在一直都是研究人员在研究过程中的重 点问题，因此研究人员根据成膜的效应开发出不少新的密封结构( 流体静压密封、 流体动压密封、流体动静混合密封等) 。 1 6 江苏大学硕士学位论文 2 4 3 边界摩擦状态 当机械密封的端面互相摩擦时，一种流体分子吸附在端面上而构成的极薄边 界膜，边界摩擦就是处于这种被极薄的分子膜隔开状态下的两密封端面的摩擦状 态t 1 8 1 。 通过研究泵用机械密封端面摩擦理论后有学者指出：“机械密封端面的摩擦一 般是边界摩擦，端面摩擦系数并没有随着端面比压以及端面的转速变化而变化而 且其泄漏量是最小的。” 2 4 4 混合摩擦状态 由于摩擦学的研究不断得发展、机械密封端面的不平，使得端面表面粗糙度 与液膜处于同一个数量等级，因此接触表面的摩擦工况比较复杂，可能同时存在 几种摩擦状态的混合工况，这种就叫做混合摩擦状态。 2 5 波纹管式密封件和波形弹簧式密封件 目前机械密封在泵类中的应用尤其广泛，本文讨论的是汽车水泵用的机械密 封，汽车水泵的结构如图2 4 所示，汽车水泵的机械密封件的作用是密封冷却液 以免发生泄漏，并且将冷却液与轴承相隔离，以达到保护轴承的目的。 123456 1 叶轮2 机械密封3 o 型圈禾壳体5 轴连轴承每齿带轮 图2 4 汽车水泵的结构示意图 f i g2 4s t r u c t u r eo ft h ee a rw a t e rp u m p 1 7 汽车水泵机械密封的数值模拟 目前双层陶瓷机械密封在汽车水泵上已经被广泛使用了，两片被同轴安装的 陶瓷机械密封靠着弹簧等零部件的压力紧贴在一起。陶瓷机械密封同传统的橡胶 机械密封相比，更加耐磨损，使用寿命更长，但是也有缺点，既是容易被硬质颗 粒擦伤，尽管机械密封的加工在不断的改进下已经有了很大的进步，但是机械密 封损坏依然是导致水泵漏水、水泵损坏的最主要原因之一，在机械密封受到损坏 后冷却液一般情况下会从泵轴处中泄漏出来，在水泵的泵轴处基本上都会设有溢 水孔，其作用是确定机械密封是否遭到损坏而漏水以及能够及时排出水泵漏出的 水。当机械密封损坏后，冷却液会从溢水孔流出，一旦溢水孔被堵死，泄漏的冷 却液就会进入水泵轴承内，可能导致轴承的损坏。 2 5 1 波纹管密封的简单介绍 市场上广泛使用的汽车机械密封件是金属波纹管式机械密封，结构如图2 5 所示，金属波纹管是利用微束等离子焊接制成的一种全密封结构，由于波片本身 波形的存在及焊接波距地存在。使之在轴向被压缩一定的位移度产生弹力，使静 环表面处于贴合状态，并形成一定的比压，在动环、静环表面磨损后能始终处于 弹力补偿状态。 波纹管的动环在实际应用中一般做成密封面很窄的刃边密封环，环面的外直径 就是波纹管的有效直径，使其平衡比始终为零值，如果采用特殊的金属波纹管， 则有金属波纹管的有效直径不变，而密封的平衡比保持常数；这类密封的优点是 密封面的载荷不随密封介质压力改变而变化，抗压力波动( b = 0 - - 0 5 ) ，抗高压 ( , d , - - i 6 m p a ) 。可以避免压力变形的影响。 2 5 2 金属波纹管的优点与不足 ( 1 ) 具有优越的追随性 波纹管是一种全封闭结构的零件，利用波纹管本身的弹率形成比压能够消 除了普通弹簧密封中所不可缺少的动静环和轴套( 或轴) 的动环密封圈，在普通 密封结构中由于有密封圈，因此发生相对位移时需抵消- - + 部分的平衡力。普通 机械密封经常会发生泵体抽空的现象，这是由于结构上的装置波动或操作工艺等 多方面原因，此时动环密封圈的使用使端面不能及时回到原位，造成了机器密封 1 8 江苏大学硕士学位论文 的泄漏，而波纹管密封在结构上就可以消除了这个可能造成机械密封件失效的结 构，增加机械密封件的可靠性。 12345678 9 1 传动座2 - 辅助密封圈3 动环4 _ 静环5 底座6 _ 弹簧7 底座& 波纹管9 波纹管座 图2 5 波纹管密封结构 f i g2 5s t m c t u r eo f t h e b e l l o ws e a l ( 2 ) 耐高温性 波纹管密封件比一般的机械密封件可以使用的介质和温度范围增大，又不受 普通机械弹簧密封中的动环密封圈的影响。 ( 3 ) 平衡性 波纹管密封不需要在轴套上加工台阶，因为波纹管本身处于平衡状态，就可 以建立平衡直径，而且波纹管内外径尺寸可以调整，可以达到最佳的状态，因此 波纹管密封一般被设计成平衡型。 ( 4 ) 泄漏点少 摩擦副是波纹管密封中唯一的泄漏点，因此泄露的机率有效得到了降低。 ( 5 ) 抗振性及高速性 波纹管密封对比动环密封圈可以避免由于动环密封圈的传递引起的密封环的 振动，免其受到影响，这就是波纹管密封件的浮动性，在把波纹管设计成带有阻 尼装置的静止式结构的时候，阻尼器可以预防泵体及轴在高速旋转的情况下产生 共振的情况，那么适用的线速度就可以有更大范围的提高，最高的线速度可达到 l o o m s 。 1 9 汽车水泵机械密封的