针对机械密封温度场的有限元信息化分析
摘 要 对机械密封温度场进行研究，可以看作为热力分析的基础，对机械密封性能以及寿命有着重要影响。采用有限元模型来对机械密封温度场进行分析，掌握密封环温度分布规律，并确认各影响因素，作为后续工艺调整的依据。
关键词 机械密封；温度场；有限元分析
机械密封为现在旋转机械所应用的主要轴封装置，在介质存在腐蚀性、易燃易爆、毒性等特点时，机械密封是影响整个装置可靠性的关键因素。为避免机械密封失效，需要确定会对其产生影响的各因素，尤其是接触式密封中，受到端面温度影响密封环会发生变形。因此为提高机械密封稳定性，需要对其温度场进行研究，本文以有限元法作为对象进行分析。
1 机械密封温度场分析重要性
机械密封作为现在常用的一种转轴密封装置，基本功能的实现主要是通过旋转环与浮动环端面之间的滑动摩擦。由此便可确定持续工作过程中，动静环之间相互摩擦产热，便会造成密封环温度升高。总结以往实践经验可知，当密封环温度升高到一定程度后，会因为导热不均造成密封环间产生较大温度梯度，加速接触面向锥形表面发展，导致断面接触与润滑状态降低，端面之间摩擦加剧，最终还会出现泄露问题[1]。同时，密封环热应力也会持续增大，使得断面产生热应力裂纹，缩短密封件服务寿命。基于温度升高对机械密封带来的影响，对其温度场进行分析对提高构件运行可靠性具有重要意义。
2 确定边界条件
非稳定传热问题初始条件，即刚开始传热阶段（t=0），密封环内温度所呈现出的分布规律。在密封环达到稳定传热边界条件时，可以直接反映出导热物体边界的温度分布特点，能够明确外界因素对物体内部温度场产生的影响。一般可以从三个角度来进行分析：
任何时刻物体边界温度分布，公式为：
t>0，Tw=f（x，y，z，t）
其中，Tw表示物体边界温度，其中最简单的分布状态即物体表面温度均匀分布，且保持一定量，即为Tw=常量。
任何时刻物体边界上热流密度分布，公式为：
qw=f（x，y，z，t）
其中，qw表示物体边界面法向热流密度，其中物体表面热流密度分布均匀并且为定值时，可得qw=常量。
第三，与物体边界面直接接触介质温度Tf和边界面与基质温度Tw间对流换热系数为α时，可得密封环面与介质间对流换热量，公式为：
q=α（Tw-Tf）
3 机械密封温度场有限元分析
3.1 机械密封技术经济指标
在ANSYS环境，建立有限元分析轴对称模型，确定单元类型，然后将材料属性输入其中，以机械密封边界条件作为基础，进行求解计算，根据最终得到的有限元分析结果来对机械密封进行适当优化。以脱硫泵作为对象，对其机械密封温度场进行有限元分析。其中运行参数为：最高压力≤0.8-1.0MPa，温度-25～80℃，线速度≤25m/s，且烟气脱硫浆液为介质[2]。脱硫泵处于正常运行状态时，泵轴直径为0～φ50mm，泄漏量≤3mL；当直径超过φ50mm后，则泄露≤5mL。
3.2 建立有限元模型
机械密封运行工况复杂度较高，在建立有限元模型时，不仅要结合其结构特点与运行原理进行分析，还需要确定各项因素可能产生的干扰。进行初步假设：
（1）机械密封所受荷载可看作为轴对称，将模型简化为轴对称。
（2）两接触端面达到平面标准，可保持良好贴合效果。
（3）密封材料各向同性，以及各向导热系数相等。
（4）不计因磨损因素使得密封环面产生轴向移动对弹簧力产生的影响。
（5）不计空气、轴套以及弹簧等分散的人量，将摩擦热看作为由密封环带走。
将动静环作为研究对象，基于ANSYS轴对称方法，根据其纵截面实体模型进行有限元分析。
3.3 模型详细划分
基于ANSYS环境选择相应热分析单元进行轴对称分析，一般可选择四节点四边形单元Plan55，可保证计算结果的高精度。另外，机械密封动静环材料全部为SiC。在泵进入运行状态后，机械密封端面动静环之间相对运动，将会产生摩擦热，因此两环存在较大温度梯度，在划分网格单元时，应基于实际情况来控制单元边长，尽量不得超过1mm。
3.4 加载
为确保每节点热平衡方程存在唯一解，则应选择第三类边界条件，即动静环接触产生摩擦热与密封介质间存在对流换热现象，且对流换热公式为：
q=α（Tw-Tf）
其中，α表示对流换热系数，单位W/（㎡℃）；Tw表示密封环面温度；Tf表示介质温度。
对流换热系数α受流体介质流速、物理性能以及密封环热面形状、大小以及位置等因素影响，求解难度较大，可根据密封环结构特点，应用环状空间水平旋转圆柱强制单向流动换热公式计算：
Nu=0.195Re0.5·Pr0.25
其中，Nu表示努赛尔特数，可反映对流换热强度；Re表示雷诺准则，Re=（w△R2/vl）（R/△R），可反映介质流动时所受黏滞力与惯性力相对大小；Pr表示普朗克准则，Pr=ηCp/λl，可反映流体速度大小与温度分布内在联系；△R表示两圆柱间间隙；w表示相对旋转角速度；vl表示介质运动粘度；λl表示介质导热系数；Cp表示介质比热[3]。
当密封介质温度在-25℃～80℃范围内时，端面摩擦热由密封介质全部带走，此时密封环温度高于密封介质温度，基于热传导公式与摩擦热计算公式，可得密封环温度计算公式：
Q=λA’（T1-T2）
其中，λ表示密封环导热系数，且SiC作为导热材料已知其导热系数；A’表示密封面面积；T1表示密封介质温度；T2表示密封环温度。
4 结束语
对机械密封温度场进行有限元分析，可确定动动静环对比中，以动换平均温度更小，而静环温度梯度大，由此可知动环要比静环散熱效果更好。为提高机械密封稳定性，可以对静环对流换热系数进行改变，来达到降低表面温度梯度的效果。
参考文献
[1] 张光华.基于温度场分析的水泵机械密封性能优化研究[D].青岛：青岛理工大学，2016.
[2] 唐亚辉.VX金属密封圈热力耦合分析及密封特性研究[D].北京：中国石油大学（北京），2016.
[3] 阿斯耶姆·肖开提，刘焕海，买买提江·马木提.焊接金属波纹管机械密封温度场及热变形有限元分析研究[J].科技视界，2016，（04）：25-26.
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