王 建，孟祥坤，鄒 力，劉正林

(武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063)

水下航行器中間旋轉(zhuǎn)環(huán)式機(jī)械密封性能分析

王 建，孟祥坤，鄒 力，劉正林

(武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063)

根據(jù)水下航行器的不同工況，借助Ansys對中間旋轉(zhuǎn)環(huán)式機(jī)械密封進(jìn)行仿真分析其密封性能，為該密封裝置在水下航行器上的應(yīng)用提供理論支持。

中間環(huán)式機(jī)械密封；有限元；熱-結(jié)構(gòu)耦合分析

機(jī)械密封具有泄漏量少、壽命長、摩擦耗功小、無磨損、密封參數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。隨著水下航行器大型化、現(xiàn)代化的發(fā)展，其艉軸直徑及艉軸機(jī)械密封尺寸較大，線速度較高，加之海水介質(zhì)壓力較大，易出現(xiàn)局部溫升過高，甚至出現(xiàn)汽化和密封環(huán)開啟現(xiàn)象，導(dǎo)致密封失效[3-6]。應(yīng)用更好的機(jī)械密封方式來減小密封環(huán)間的相對速度，降低密封環(huán)溫度，保證機(jī)械密封穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。國內(nèi)外目前機(jī)械密封的研究仍存在不足，比如潛艇艉軸機(jī)械密封通常采用平面動靜環(huán)結(jié)構(gòu)形式，中間旋轉(zhuǎn)環(huán)式機(jī)械密封在潛艇的應(yīng)用仍存在問題。

1 建立中間旋轉(zhuǎn)環(huán)式機(jī)械密封有限元模型

中間旋轉(zhuǎn)環(huán)式機(jī)械密封結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1-艉軸；2-中間環(huán)驅(qū)動裝置；3-靜環(huán)座；4-彈簧座；5-彈簧；6-靜環(huán)；7-中間環(huán)；8-動環(huán)；9-動環(huán)座；10-密封圈；11-支撐軸承。圖1 中間旋轉(zhuǎn)環(huán)式機(jī)械密封示意圖

動環(huán)、中間環(huán)、靜環(huán)以及動環(huán)座和靜環(huán)座是中間旋轉(zhuǎn)環(huán)式機(jī)械密封系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其在各種載荷的作用下產(chǎn)生變形等現(xiàn)象將直接影響密封的性能。因此主要對3個密封環(huán)、動環(huán)座和靜環(huán)座以及各部件周圍介質(zhì)(空氣、海水)組成的密封系統(tǒng)進(jìn)行力學(xué)性能方面的研究。根據(jù)中間旋轉(zhuǎn)環(huán)式機(jī)械密封示意圖，建模時動環(huán)與中間環(huán)、靜環(huán)與中間環(huán)間采用整體接觸法，柔體-柔體接觸類型和面-面接觸方式符合實(shí)際情況。機(jī)械密封環(huán)是軸對稱的，即結(jié)構(gòu)尺寸和其各載荷都是軸對稱的，故可用一軸向截面來代替三維模型進(jìn)行分析。

2 中間旋轉(zhuǎn)環(huán)式機(jī)械密封穩(wěn)態(tài)熱-結(jié)構(gòu)耦合分析

艉軸機(jī)械密封是在一定的外部海水壓力及轉(zhuǎn)速下工作的，旋轉(zhuǎn)體與固定體之間的受力比較復(fù)雜。中間環(huán)與靜環(huán)和動環(huán)分別形成2個密封副，摩擦?xí)?dǎo)致密封環(huán)溫度升高，產(chǎn)生熱變形與熱應(yīng)力，使得接觸區(qū)域發(fā)生變化，此變化又會影響到滑動摩擦生熱問題。因此，對機(jī)械密封裝置進(jìn)行穩(wěn)態(tài)工況(正常工況)的熱-結(jié)構(gòu)耦合分析很有必要。

動環(huán)和中間環(huán)分以轉(zhuǎn)速200 r/min、100 r/min同向轉(zhuǎn)動，對中間旋轉(zhuǎn)環(huán)式機(jī)械密封和普通型機(jī)械密封進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱-結(jié)構(gòu)耦合分析計(jì)算，同時對中間旋轉(zhuǎn)環(huán)式機(jī)械密封進(jìn)行求解，分析不同水深100～600 m(外部介質(zhì)壓力1～6 MPa)對密封端面溫度、接觸壓力、間隙及等效應(yīng)力等結(jié)果的影響。

2.1 密封端面溫度分布

密封端面溫度是機(jī)械密封的一個重要參數(shù)，若溫度超過密封介質(zhì)在相應(yīng)壓力下的汽化點(diǎn)，會使得密封開啟或失效。為和中間旋轉(zhuǎn)環(huán)式機(jī)械密封的動環(huán)和靜環(huán)有所區(qū)別，普通型機(jī)械密封的動環(huán)和靜環(huán)分別稱作普通-動環(huán)和普通-靜環(huán)，中間A和中間B分別表示中間環(huán)與動環(huán)、中間環(huán)與靜環(huán)所接觸的密封端面。外部介質(zhì)壓力為6 MPa時，中間旋轉(zhuǎn)環(huán)式機(jī)械密封和普通型機(jī)械密封各節(jié)點(diǎn)上的溫度分布如圖2所示。

圖2 6 MPa時密封端面節(jié)點(diǎn)溫度

由計(jì)算結(jié)果可知：2種機(jī)械密封的最高溫度都出現(xiàn)在密封端面的內(nèi)側(cè)，因?yàn)閮?nèi)側(cè)接觸壓力大，產(chǎn)生熱量也大，同時內(nèi)側(cè)的對流換熱條件較外側(cè)差很多，易出現(xiàn)高溫區(qū)；中間環(huán)使得密封端面最高溫度比普通型降低了13%；隨節(jié)點(diǎn)半徑增大，普通型機(jī)械密封動環(huán)和靜環(huán)密封端面的節(jié)點(diǎn)溫度呈現(xiàn)先少許增大然后減小的趨勢，在第3個節(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)最大值；中間旋轉(zhuǎn)環(huán)式機(jī)械密封的4個密封端面上的節(jié)點(diǎn)溫度呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，第7個節(jié)點(diǎn)前溫度基本一致，之后動環(huán)密封端面溫度減小的趨勢大于靜環(huán)密封端面，這與動環(huán)座體和靜環(huán)座體的結(jié)構(gòu)有關(guān)，兩密封端面的摩擦熱主要通過對流方式擴(kuò)散，摩擦熱源與冷卻介質(zhì)的距離對溫度分布會產(chǎn)生影響。由圖3可以看出，外部介質(zhì)壓力增大時，密封端面摩擦功增加，具其最高溫度逐漸增大，且最高溫度與介質(zhì)壓力呈線性關(guān)系。

圖3 密封端面最高溫度

2.2 密封端面接觸壓力分析

熱流密度的大小對密封端面的溫度有很大影響，而熱流密度又和密封端面接觸壓力有關(guān)，故分別提取外部介質(zhì)壓力6 MPa時2種機(jī)械密封端面各節(jié)點(diǎn)上對應(yīng)的接觸壓力如圖4所示。

圖4 6 MPa時密封端面各節(jié)點(diǎn)接觸壓力

由計(jì)算結(jié)果可知，中間旋轉(zhuǎn)環(huán)式機(jī)械密封的最大接觸壓力大于普通型機(jī)械密封；普通型機(jī)械密封密封端面的平均接觸壓力為0.75 MPa，中間旋轉(zhuǎn)環(huán)式機(jī)械密封中密封面A和密封面B的平均接觸壓力分別為0.89 MPa和0.90 MPa，比理論計(jì)算0.76 MPa的接觸壓力稍大。隨節(jié)點(diǎn)半徑增大，中間旋轉(zhuǎn)環(huán)式機(jī)械密封兩密封端面的接觸壓力驟減，而普通型機(jī)械密封端面的接觸壓力先增大后減小，在第3個節(jié)點(diǎn)處達(dá)到最大值，在第6個節(jié)點(diǎn)后密封端面呈現(xiàn)開口狀態(tài)，無接觸。由圖5可見，在各介質(zhì)壓力下，由于動環(huán)和靜環(huán)的結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致兩密封端面的變形有一定差異，使得密封端面B的最大接觸壓力始終比密封端面A大，隨外端部介質(zhì)壓力增加，密封端面間的最大接觸壓力逐步增大，二者呈線性關(guān)系。

圖5 密封端面最大接觸壓力

2.3 密封端面應(yīng)力分析

密封裝置由密封環(huán)和座體等部分組成，各部分又有各自的材料屬性和結(jié)構(gòu)類型，因此在密封裝置運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，各部分的等效應(yīng)力應(yīng)不大于相應(yīng)的材料的許用應(yīng)力值。由計(jì)算結(jié)果可知，中間旋轉(zhuǎn)環(huán)式機(jī)械密封的最大等效應(yīng)力148 MPa出現(xiàn)在動環(huán)和靜環(huán)內(nèi)側(cè)處，普通型機(jī)械密封的最大等效應(yīng)力171 MPa出現(xiàn)在動環(huán)內(nèi)側(cè)處，其他位置的等效應(yīng)力都較小。提取中間旋轉(zhuǎn)環(huán)式機(jī)械密封中動環(huán)和靜環(huán)端面節(jié)點(diǎn)的等效應(yīng)力以及普通型機(jī)械密封中動環(huán)端面節(jié)點(diǎn)的等效應(yīng)力，如圖6所示。

由圖6可見，由于中間環(huán)兩側(cè)壓力和溫度分布基本對稱，可相應(yīng)減小力變形與熱變形的影響，使得中間旋轉(zhuǎn)環(huán)式機(jī)械密封中各節(jié)點(diǎn)的等效應(yīng)力均小于普通型機(jī)械密封。隨節(jié)點(diǎn)半徑增大，普通型機(jī)械密封端面相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的等效應(yīng)力先增加后減小，在第2個節(jié)點(diǎn)處達(dá)到最大；中間旋轉(zhuǎn)環(huán)式機(jī)械密封動環(huán)和靜環(huán)端面相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的等效應(yīng)力逐漸減小。由圖7可見，隨著外部介質(zhì)壓力的增加，密封裝置最大等效應(yīng)力增大，基本與介質(zhì)壓力呈線性關(guān)系。

圖6 6 MPa時密封端面各節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力

圖7 密封裝置最大等效應(yīng)力

2.4 密封端面泄漏量分析

當(dāng)外部介質(zhì)壓力為6 MPa時，由計(jì)算結(jié)果可知，中間旋轉(zhuǎn)環(huán)式機(jī)械密封存在兩個較小的密封間隙，而普通型機(jī)械密封中只有一個較大的密封間隙。2種機(jī)械密封密封端面各節(jié)點(diǎn)的密封間隙如圖8所示。

圖8 6 MPa時各節(jié)點(diǎn)密封間隙

圖8可見，1～6個節(jié)點(diǎn)上密封間隙為0，隨密封端面節(jié)點(diǎn)半徑增大，密封間隙增加。計(jì)算得出A處和B處的泄漏量分別為0.094 L/min、0.110 L/min，共計(jì)0.204 L/min；而普通型機(jī)械密封為0.414 L/min，為中間旋轉(zhuǎn)環(huán)式機(jī)械密封泄漏量的2.03倍，中間旋轉(zhuǎn)環(huán)式機(jī)械密封在減小泄漏量方面具有優(yōu)勢。如圖9所示，隨外部介質(zhì)壓力增大，兩密封面的開口都增加，泄漏量增大。且密封端面B的泄漏量比密封端面A稍大，這是因?yàn)槊芊舛嗣鍮處由于變形所產(chǎn)生的間隙較密封面A稍大，其泄漏量也較大。

圖9 密封裝置泄漏量變化

3 結(jié)束語

用Ansys對普通型機(jī)械密封和中間旋轉(zhuǎn)環(huán)式機(jī)械密封進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，在相同工況，兩種密封裝置的最高溫度均出現(xiàn)在密封環(huán)內(nèi)側(cè)，中間旋轉(zhuǎn)環(huán)式機(jī)械密封裝置的最高溫度相對于普通型機(jī)械密封降低了13%；密封裝置的最大接觸壓力出現(xiàn)在密封環(huán)靠內(nèi)側(cè)處，中間旋轉(zhuǎn)環(huán)式機(jī)械密封裝置的平均接觸壓力稍大于普通型機(jī)械密封；密封裝置的最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在密封環(huán)內(nèi)側(cè)，中間旋轉(zhuǎn)環(huán)

式機(jī)械密封裝置的最大等效應(yīng)力比普通型機(jī)械密封小；中間旋轉(zhuǎn)環(huán)式機(jī)械密封裝置的泄漏量只有普通型機(jī)械密封的0.49倍。綜上所述，中間旋轉(zhuǎn)環(huán)式機(jī)械密封更適于船舶或水下航行器。

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According to the different operating conditions of the underwater vehicle,the sealing performance of the intermediate rotary ring mechanical seal is simulated via Ansys,which provides theoretical support for the application of the seal on a ship.

intermediate rotary ring mechanical seal;finite element;coupling of thermal-structure analysis

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(51139005)

王 建(1992-)，男，河南洛陽人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)榇皠恿ρb置系統(tǒng)性能分析、載運(yùn)工具應(yīng)用工程。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.02.008

2015-12-07