阿斯耶姆·肖开提　刘焕海　买买提江·马木提

【摘 要】本研究是通过利用Solis Edge，ANSYS Workbench等三维有限元分析软件来分析波纹管性机械密封环的温度场变化和应力场变化，根据所分析出来的温度场分析图以及应力分析图中，可以明确的地看出来温度的变化状况和热应力的位置。通过研究证明，导致密封失效的最主要原因是密封环出现较大的热变形。所以进行密封环的热变形，热应力分析是非常有价值的。研究结果对于设计以及制造焊接金属波纹管机械密封，提高密封特征有很重要的科学依据。

【关键词】焊接金属波纹管；静环；有限元分析；ANSYS

0 引言

石油化工以及旋转机械常用的转轴密封装置之一是波纹管性机械密封。通过动环与静环端面的滑动摩擦而实现其转轴密封功能。当机械密封实际工作中，摩擦热是由于动静环的相对运动而产生的。而摩擦热是导致密封环的温度升高。一系列密封失效的问题就因为密封环的温度升高而产生的。主要是以下几个：（1）端面间的磨损加剧就产生液膜汽化失稳这降低密封件的使用寿命；（2）产生密封环间形成较大的温度梯度是因为密封环间的导热不均，从而产生热变形，较大的热变形使接触面形成锥形表面。所以减少端面间的磨损和泄露就要改善端面的接触和润滑状态；（3）端面热裂产生的主要原因是密封环的热应力过大。为了确保机械密封长期稳定的工作，对波纹管性机械密封环进行温度场及热应力分析是非常有科学价值的[1]。图1为波纹管性机械密封的基本结构。

1.密封腔；2.紧固螺钉；3.前环；4.波纹管座密封圈；5.波纹管；6.后环；7.动环；8.静环；9.静环辅助密封圈；10.静止压盖；11.防转销；12.旋转轴.

图1 焊接金属波纹管机械密封基本结构

1 密封环温度场及热变形分析

本研究过程中为了精确计算温度场变化应用了以下基本假设及推论：

（1）波纹管性机械密封的几何特点是轴对称的，其受外载荷也是轴对称的。所以我们可以直观的确定分析计算当中密封环温度场同样是轴对称的。

（2）在我国机械密封设计及制造还处于发展当中，机械密封温度场是刚开始工作时变化速度快，但是工作到一段时间之后其温度场慢慢稳定下来并且达到热平衡条件。所以我们研究过程当中忽略前面的不稳定情况而假设其温度场时稳定的，之后进行有限元计算。

（3）由于机械密封环的密封效果良好，其液体的泄漏量极小，所以端面之间产生的摩擦热液小，所以可以假设定位密封环端面的热偶和密度是均匀分布的。

（4）忽略机械密封端面产生的摩擦热，分析计算密封环温度场时有一定的关系。

（5）忽略端面之间液膜厚度的变化同时也要忽略端面之间也耦合系数。

（6）在工作当中，密封腔内介质是不断的循环工作，可以假设密封介质温度与油箱中的温度是一致的。

（7）材料的热物理性能不随温度变化而改变是因为密封环中的温度变化范围不怎么大。[2-3]

2 温度场和热变形有限元分析计算

2.1 主要参数

本课题进行温度场计算的部件是静环材料是石磨，被密封介质为丙烯，密封环转速n=2960r/min。石磨和丙烯热物理性质如图表1和2 所示。

表1 机械密封部件的材料稳态热参数

表2 流体介质的热物理性能参数

2.2 机械密封环温度场和热变形计算结果分析过程

2.2.1 数值建模及网格划分

本文研究对象是具有圆柱形特征，几何模型轴对成特征的波纹管性机械密封的动环以及静环。之所以有这种特征密封环其载荷及初始边界条件同样是轴对称的。因此解决此问题是我么不采用的是轴对称方法来进行求解分析。

2.2.2 加载和求解

1）温度场

本课题实例：静环，宽度12mm，内径：57mm，外径72mm。其他热物理性质如表1所示。密封介质为丙烯，密封介质温度45℃，大气压力20℃，密封介质压力为1.87Mpa。其他热物理性质如表2所示。先给个边界条件，然后求出机械密封端面温度情况。

图2 密封端面温度变化分布曲线

图2的变化曲线是根据有限元分析计算出温度分布变化情况。此变化曲线可以看出来，靠近内径处是密封端面温度最高，这表明波纹管机械密封与介质直接接触的是其外径，所以外径的散热效果良好，温度较低。而与空气直接接触的是内径，对流换系数较小，其散热性就差，温度较高。所以波纹管机械密封工作当中加大其散热及冷却效果，会有利于减小内经处的温度。这样会提高波纹管机械密封的使用寿命也可以避免机械密工作过程中的不稳定而失效的状况。

这个研究结果可以有效地证明：

（1）随着半径的增大机械密封端面的温度增高。改善内径处的撒热效果以及加强冷却装置会减少内径处的最高温度以及避免密封环的失效。

（2）随着轴向尺寸的增大可以减小机械密封内测的温度，制造过程选择轴向尺寸大一点的密封环会有利于避免其容易损坏。

（3）有效减小端面温度的方法是选择较高的导热系数的密封材料。

2）热应力和热应变

当创建了集合模型、划分了有限元网格、定义了材料、施加了边界条件、赋予了单元物理属性之后，就建立了有限元数值模型，既可以提交运算方法进行分析。本研究中应用的解算器为Ansys Workbench，对焊接金属波纹管机械密封静环进行热结构分析。把建好的有限元分析模型提交给Ansys Workbench 进行计算，得到机械密封静环热应力分布图以及热应变图。如图3、图4所示。

通过以上分析结果表明，在动静环的接触区域中，绕曲变形变化出现在静环端面上，所以密封环外径台阶的附近处温度变化比较明显，温度梯度比较大，所以该点出现最大的热应力。由研究结果可知，外径台阶的附近就是危险应力点，这跟实际工作生产中所遇到的热裂失效破坏是一致的。从研究分析结果可以证明机械密封环外径台阶处容易变形是因为该处的变形量大，端面靠内经处的变形量较小。

3 小结

通过热-结构分析的整体方法，并对温度，应力，应变三大因素进行了以下研究内容：

（1）通过理论分析，明确了热-结构稳态分析的基本思路；

（2）分析了摩擦热和对流换热系数的计算方法；

（3）确定了密封环端面温度热量分配原则；

（4）分析了机械密封环热-结构分析的建模过程；

（5）确定机械密封静环热应力和热变形计算。

【参考文献】

[1]林元达.焊接金属波纹管机械密封的设计和典型结构[J].四川：技术综合，1999，8.

[2]刘建华.焊接金属波纹管机械密封的特点及应用[J].机械，2000.

[3]杨宝亮，王汝美.焊接金属波纹管机械密封的应用与存在的问题[J].石油化工设备技术，2002，23（5）：4.

[4]深锡华.波纹管型机械密封[M].北京：烃加工工业出版社，1987，5.

[5]夏德伟，张俊生.UG NX4.0 机械设计典型范例教程[M].北京：电子工业出版社，2006，9：215.

[6]何燕慧，陈德林.机械密封温度场及其热应力的有限元计算[J].兰州理工大学学报，2007：72-74.

[责任编辑：杨玉洁]