焊接金屬波紋管機(jī)械密封溫度場(chǎng)及熱變形有限元分析研究

阿斯耶姆·肖開(kāi)提　劉煥?！≠I(mǎi)買(mǎi)提江·馬木提

【摘 要】本研究是通過(guò)利用Solis Edge，ANSYS Workbench等三維有限元分析軟件來(lái)分析波紋管性機(jī)械密封環(huán)的溫度場(chǎng)變化和應(yīng)力場(chǎng)變化，根據(jù)所分析出來(lái)的溫度場(chǎng)分析圖以及應(yīng)力分析圖中，可以明確的地看出來(lái)溫度的變化狀況和熱應(yīng)力的位置。通過(guò)研究證明，導(dǎo)致密封失效的最主要原因是密封環(huán)出現(xiàn)較大的熱變形。所以進(jìn)行密封環(huán)的熱變形，熱應(yīng)力分析是非常有價(jià)值的。研究結(jié)果對(duì)于設(shè)計(jì)以及制造焊接金屬波紋管機(jī)械密封，提高密封特征有很重要的科學(xué)依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】焊接金屬波紋管；靜環(huán)；有限元分析；ANSYS

0 引言

石油化工以及旋轉(zhuǎn)機(jī)械常用的轉(zhuǎn)軸密封裝置之一是波紋管性機(jī)械密封。通過(guò)動(dòng)環(huán)與靜環(huán)端面的滑動(dòng)摩擦而實(shí)現(xiàn)其轉(zhuǎn)軸密封功能。當(dāng)機(jī)械密封實(shí)際工作中，摩擦熱是由于動(dòng)靜環(huán)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的。而摩擦熱是導(dǎo)致密封環(huán)的溫度升高。一系列密封失效的問(wèn)題就因?yàn)槊芊猸h(huán)的溫度升高而產(chǎn)生的。主要是以下幾個(gè)：（1）端面間的磨損加劇就產(chǎn)生液膜汽化失穩(wěn)這降低密封件的使用壽命；（2）產(chǎn)生密封環(huán)間形成較大的溫度梯度是因?yàn)槊芊猸h(huán)間的導(dǎo)熱不均，從而產(chǎn)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(rùn)滑狀態(tài)；（3）端面熱裂產(chǎn)生的主要原因是密封環(huán)的熱應(yīng)力過(guò)大。為了確保機(jī)械密封長(zhǎng)期穩(wěn)定的工作，對(duì)波紋管性機(jī)械密封環(huán)進(jìn)行溫度場(chǎng)及熱應(yīng)力分析是非常有科學(xué)價(jià)值的[1]。圖1為波紋管性機(jī)械密封的基本結(jié)構(gòu)。

1.密封腔；2.緊固螺釘；3.前環(huán)；4.波紋管座密封圈；5.波紋管；6.后環(huán)；7.動(dòng)環(huán)；8.靜環(huán)；9.靜環(huán)輔助密封圈；10.靜止壓蓋；11.防轉(zhuǎn)銷；12.旋轉(zhuǎn)軸.

圖1 焊接金屬波紋管機(jī)械密封基本結(jié)構(gòu)

1 密封環(huán)溫度場(chǎng)及熱變形分析

本研究過(guò)程中為了精確計(jì)算溫度場(chǎng)變化應(yīng)用了以下基本假設(shè)及推論：

（1）波紋管性機(jī)械密封的幾何特點(diǎn)是軸對(duì)稱的，其受外載荷也是軸對(duì)稱的。所以我們可以直觀的確定分析計(jì)算當(dāng)中密封環(huán)溫度場(chǎng)同樣是軸對(duì)稱的。

（2）在我國(guó)機(jī)械密封設(shè)計(jì)及制造還處于發(fā)展當(dāng)中，機(jī)械密封溫度場(chǎng)是剛開(kāi)始工作時(shí)變化速度快，但是工作到一段時(shí)間之后其溫度場(chǎng)慢慢穩(wěn)定下來(lái)并且達(dá)到熱平衡條件。所以我們研究過(guò)程當(dāng)中忽略前面的不穩(wěn)定情況而假設(shè)其溫度場(chǎng)時(shí)穩(wěn)定的，之后進(jìn)行有限元計(jì)算。

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

（4）忽略機(jī)械密封端面產(chǎn)生的摩擦熱，分析計(jì)算密封環(huán)溫度場(chǎng)時(shí)有一定的關(guān)系。

（5）忽略端面之間液膜厚度的變化同時(shí)也要忽略端面之間也耦合系數(shù)。

（6）在工作當(dāng)中，密封腔內(nèi)介質(zhì)是不斷的循環(huán)工作，可以假設(shè)密封介質(zhì)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?yàn)槊芊猸h(huán)中的溫度變化范圍不怎么大。[2-3]

2 溫度場(chǎng)和熱變形有限元分析計(jì)算

2.1 主要參數(shù)

本課題進(jìn)行溫度場(chǎng)計(jì)算的部件是靜環(huán)材料是石磨，被密封介質(zhì)為丙烯，密封環(huán)轉(zhuǎn)速n=2960r/min。石磨和丙烯熱物理性質(zhì)如圖表1和2 所示。

表1 機(jī)械密封部件的材料穩(wěn)態(tài)熱參數(shù)

表2 流體介質(zhì)的熱物理性能參數(shù)

2.2 機(jī)械密封環(huán)溫度場(chǎng)和熱變形計(jì)算結(jié)果分析過(guò)程

2.2.1 數(shù)值建模及網(wǎng)格劃分

本文研究對(duì)象是具有圓柱形特征，幾何模型軸對(duì)成特征的波紋管性機(jī)械密封的動(dòng)環(huán)以及靜環(huán)。之所以有這種特征密封環(huán)其載荷及初始邊界條件同樣是軸對(duì)稱的。因此解決此問(wèn)題是我么不采用的是軸對(duì)稱方法來(lái)進(jìn)行求解分析。

2.2.2 加載和求解

1）溫度場(chǎng)

本課題實(shí)例：靜環(huán)，寬度12mm，內(nèi)徑：57mm，外徑72mm。其他熱物理性質(zhì)如表1所示。密封介質(zhì)為丙烯，密封介質(zhì)溫度45℃，大氣壓力20℃，密封介質(zhì)壓力為1.87Mpa。其他熱物理性質(zhì)如表2所示。先給個(gè)邊界條件，然后求出機(jī)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(jù)有限元分析計(jì)算出溫度分布變化情況。此變化曲線可以看出來(lái)，靠近內(nèi)徑處是密封端面溫度最高，這表明波紋管機(jī)械密封與介質(zhì)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(nèi)徑，對(duì)流換系數(shù)較小，其散熱性就差，溫度較高。所以波紋管機(jī)械密封工作當(dāng)中加大其散熱及冷卻效果，會(huì)有利于減小內(nèi)經(jīng)處的溫度。這樣會(huì)提高波紋管機(jī)械密封的使用壽命也可以避免機(jī)械密工作過(guò)程中的不穩(wěn)定而失效的狀況。

這個(gè)研究結(jié)果可以有效地證明：

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

（2）隨著軸向尺寸的增大可以減小機(jī)械密封內(nèi)測(cè)的溫度，制造過(guò)程選擇軸向尺寸大一點(diǎn)的密封環(huán)會(huì)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(dǎo)熱系數(shù)的密封材料。

2）熱應(yīng)力和熱應(yīng)變

當(dāng)創(chuàng)建了集合模型、劃分了有限元網(wǎng)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(shù)值模型，既可以提交運(yùn)算方法進(jìn)行分析。本研究中應(yīng)用的解算器為Ansys Workbench，對(duì)焊接金屬波紋管機(jī)械密封靜環(huán)進(jìn)行熱結(jié)構(gòu)分析。把建好的有限元分析模型提交給Ansys Workbench 進(jìn)行計(jì)算，得到機(jī)械密封靜環(huán)熱應(yīng)力分布圖以及熱應(yīng)變圖。如圖3、圖4所示。

通過(guò)以上分析結(jié)果表明，在動(dòng)靜環(huán)的接觸區(qū)域中，繞曲變形變化出現(xiàn)在靜環(huán)端面上，所以密封環(huán)外徑臺(tái)階的附近處溫度變化比較明顯，溫度梯度比較大，所以該點(diǎn)出現(xiàn)最大的熱應(yīng)力。由研究結(jié)果可知，外徑臺(tái)階的附近就是危險(xiǎn)應(yīng)力點(diǎn)，這跟實(shí)際工作生產(chǎn)中所遇到的熱裂失效破壞是一致的。從研究分析結(jié)果可以證明機(jī)械密封環(huán)外徑臺(tái)階處容易變形是因?yàn)樵撎幍淖冃瘟看?，端面靠?jī)?nèi)經(jīng)處的變形量較小。

3 小結(jié)

通過(guò)熱-結(jié)構(gòu)分析的整體方法，并對(duì)溫度，應(yīng)力，應(yīng)變?nèi)笠蛩剡M(jìn)行了以下研究?jī)?nèi)容：

（1）通過(guò)理論分析，明確了熱-結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)分析的基本思路；

（2）分析了摩擦熱和對(duì)流換熱系數(shù)的計(jì)算方法；

（3）確定了密封環(huán)端面溫度熱量分配原則；

（4）分析了機(jī)械密封環(huán)熱-結(jié)構(gòu)分析的建模過(guò)程；

（5）確定機(jī)械密封靜環(huán)熱應(yīng)力和熱變形計(jì)算。

【參考文獻(xiàn)】

[1]林元達(dá).焊接金屬波紋管機(jī)械密封的設(shè)計(jì)和典型結(jié)構(gòu)[J].四川：技術(shù)綜合，1999，8.

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[3]楊寶亮，王汝美.焊接金屬波紋管機(jī)械密封的應(yīng)用與存在的問(wèn)題[J].石油化工設(shè)備技術(shù)，2002，23（5）：4.

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]