机械密封动静环温度场及热应力场研究

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1、机械密封动静环温度场及热应力场研究廖和滨杨晓翔刘康林黄云云(福州大学福州350002)摘要讨论了影响密封温度场及热应力场的各个参数，采用科限单元法计算了密封静环的温度场与热成力场，可作为合理评估机械密封环性能的理论依据。关键词机械密封、有限元、温度场、应力场机械密封［1］是最重要的流体密封技术之一，这种密封由于具有密封性能良好。使用方而,主机磨损小、抗震性强等一系列优点，因而获得广泛应川。在工业发达国家，旋转机械的密封装置中90%以上都采用了机械密封。但机械密封也存在使用寿命短、可靠性差、造价昂贵等缺陷。兑服这些缺陷的吋靠方法是搞清机械密封的密封机理及影响K•密封性能

2、的主要因素。研究表明:机械密封的端面温度足影响其密封性能的主要因索。因此,研究机械密封端面温度異有熏要意义。本文依裾冇限元计算原理，推导丫用于机械密封环温度场计兑的冇限元方程，给出了计算温度场及热应力场计算中关键参数的确定方法，并给！HY其温度场及热应力场的分布情况。1.机械密封的几何形状及温度场计算的基本假设对于木次模拟的机械密封模型，做如卜假设：①由于密封环具有轴对称特征，因此温度场足轴对称，且稳态；②密封面间液体泄露很小，故假定摩擦产生热全部由密封环散失出去;③忽略搅拌热对机械密封温度场的影响；④假定材料的热物理性能不随温度变化而变化。2.密封环温度分布的有限元

3、建模2.1单元划分木次计算使用的104/50型机械密封密封环111的结构如阁I所示。图1密封环的结构及尺寸在计算过程屮，由于所研究的对象为密封环，具有圆柱形特征；沿环M受到相同的边界条件及温度载荷，即载尙和边界条件足轴对称的，因此该问题按照轴对称问题进行求解，取密封环纵截面，单71?划分采用四节点等参数单元，静环离散为526个节点、468个单元，见图2(a);动环为487个节点、434个单元，见图2(b)。a）密封静环网格划分b）密封动环网格划分图2单元划分2.2边界条件对于104/50型机械密封环，要测得在不同工况下的温度场分布情况，需对以下几个参数进行选取：2.2

4、.1初始参量材料的热物理性能、机械密封的尺寸及结构、弹簧比压、介质力、轴较速、扭矩及介质的性能参数等均足在实验的基础上确定的。各测定值如K:密封腔温度为32°C,外界人气温度20°C,介质压力Py=0.4MPa，轴转速《=2000rpm，弹簧比压〜=0.01414MPa，面积比万2=1.081,摩擦系数戶0.08。本实验104/50型机械密封的动环（见阁2）采用的是3Crl3不锈钢（KLTS部分）镶嵌WC碳化钙（MNOPQRST部分）即序擦端而是WC硬质合金YG6的材料，静环采用的是M106H石墨，沒渍环氧树脂，两者物理性质如表1所示Ul。密封介质为20#机油，介质温

5、度为32°C,周闸空气温度为20°C，其性能参数见表2。表1动、静环材料的性能参数密封环材料密度P[kg/m3]导热系数A[W/m•°C1热膨胀系数alio6/kj柏松比弹性模量£[GPa]密封动环3Crl3不诱钢78002610.2().3200WC碳化钨YG6146001054.50.3650密封静环M106H石里180073.3500.30.6衣2的性能参数温度［°C］密度［kg/n?l粘度fkg/m•si导热系数IW/m•°CJ普兰特常数匕20#机油32852.60.0341040.13810517.78空气201.2051.812.5930.72.2.2摩擦

6、热的计算121由于密封环温度升高的热源主要是摩擦热，所以木文采用下式计算摩擦功耗Qf=f，P,'V，Af⑴W、.⑵于是就可以得热流密度q=f.P^v=f.P‘,—•s60式屮，匕为机械密封端而比压，MPa；杏为密封而而积，m2;7为密封而平均线速度,m/s；/为摩擦系数；~为弹簧比压，MPa；B2为面积比；/>5为密封腔压力，MPa。2.2.3对流换热系数的计算131图3密封环对流换热系数方法示意图对于WP对流换热系数6Z由普兰特公式求将Ntt=0.135［(0.5-V+^?)^］033二(3)其巾=仍•人()2/匕为反映介质旋转搅拌影响的雷偌数；为反映介质横向绕流影

7、响的雷偌数；P,.=//•(?/么为普兰特常数；为动环外径Lmh么为流体的导热系数［W/m*°C］;6；为轴的角速度［弧度/秒］;v为动环周围介质的轴向平均流速［m/s］;//，匕分别为流体的动力粘度［N•s/m2］和运动粘度［m2/s］;C为流体的比热［J/kg•°C］。对于W2、W3,对流换热系数汉由以下公式求解Nu=0.023Re08Pr04=2aSs/k,(4)式中，雷偌准数Re=2VlSJvl普兰特数Pr=C^/k,又为静环与密封腔闪壁之间的间隙[m];%为静环周围介质的轴向流速[m/s]对于W4,对流换热系数汉由以下公式求解Nu=O.21