程翰博

（寧波市鎮(zhèn)海蛟川書院，浙江寧波，315000）

1 軸承密封概述

起密封作用的零、部件稱為密封件或密封裝置，簡稱密封。密封技術是一門結(jié)合多個學科應用的綜合技術,具體涉及了流體力學、材料力學和彈性力學、摩擦學、化學、物理化學以及熱力學等學科，有著高度的集成性。對密封技術進行研究和應用是，當密封介質(zhì)為流體時，需要對流體的運動學及動力學狀況進行分析，研究密封介質(zhì)在密封區(qū)域內(nèi)的流體流動狀況，包括壓力分布、速度分布及密度等基本物理參數(shù)。密封區(qū)域內(nèi)流體的壓力會導致密封系統(tǒng)固體部分的變形從而對密封區(qū)域的狀況產(chǎn)生影響，這種變形的分布是材料力學及彈性力學所研究的內(nèi)容。密封區(qū)域的非接觸形式廣泛應用于降低系統(tǒng)磨損的密封系統(tǒng)中，其密封間隙內(nèi)的力學效應及熱場分布等也是密封系統(tǒng)的研究目標和方向。

密封技術被廣泛應用于航空航天、核能發(fā)電等高新技術領域，以及石油、化工等國民經(jīng)濟各行業(yè)。對于航空發(fā)動機的密封設計和研究，對于發(fā)動機整體的效率和動力尤為關鍵。航空發(fā)動機工作在高溫、高壓及高相對界面滑速的環(huán)境中，在這種惡劣的工況條件下，密封系統(tǒng)的優(yōu)劣對于其密封系統(tǒng)的泄露量尤為敏感，而系統(tǒng)泄漏量會導致能量的耗散，同時密封系統(tǒng)與轉(zhuǎn)子間的磨損及熱場分布也對其整體性能有著較大的影響。

密封技術雖然不是尖端的領先性技術, 但往往卻是整個機械系統(tǒng)運行的決定性關鍵技術, 它決定了機器設備運行的安全性、可靠性和耐久性，對實現(xiàn)機械的高效率，長壽命有著十分重要的意義。對于一個軸承，在旋轉(zhuǎn)軸和靜止的內(nèi)部腔體之間，往往有液體或者氣體存在，因為軸承的轉(zhuǎn)動，必定會使其中的流體泄漏出去，而密封的目的就在于，盡最大可能防止其中的介質(zhì)泄漏到大氣中去。密封分為接觸式密封與非接觸式密封。其中接觸式密封在動靜接合面間安放減磨材料以填充及利用其彈性變形來實現(xiàn)減小接合面之間間隙，如氈圈密封等。接觸式密封由于擠壓與相對滑動，存在磨損與發(fā)熱，需要注意冷卻與潤滑。非接觸式密封中動靜接合面之間有間隙存在，但設法盡可能增大液體介質(zhì)通過此間隙時的阻力，或使液體介質(zhì)通過隙縫時產(chǎn)生壓力降，使介質(zhì)難以流出，如開發(fā)年代早，使用相當廣泛的迷宮密封[1-4]。

優(yōu)秀的密封部件應具有不易滲透工作介質(zhì)，對工作介質(zhì)有良好的適應性和穩(wěn)定性，有適當?shù)臋C械強度、硬度，受工作介質(zhì)影響小、永久變形小、溫度適應性好，摩擦系數(shù)小、磨損小，磨損后在一定程度上能夠自動補償，工作壽命長等特性。近百年來，前人在密封裝置領域有了豐碩的成果，計算機作為一種高效的工具，極大地推動了對密封部件性能的研究與設計。計算機技術目前廣泛運用于各種仿真計算領域，利用計算機輔助分析軸承密封性能是當下的主要手段，計算機可以承擔大量且繁瑣的運算，增加了分析的準確性與速度。

2 密封研究方法

本課題對軸承密封進行仿真分析，利用三維建模軟件Solidworks建立密封區(qū)域的流體模型，并在有限元分析軟件Ansys進行流體仿真分析，研究密封區(qū)域內(nèi)流體流動狀況及不同參數(shù)下密封泄漏量的大小。

■2.1 密封區(qū)域的建模

針對所要仿真的對象外形的建立，使用機械建模軟件solidworks。Solidworks 是一款功能強大，應用廣泛，操作簡單的建模軟件，極大的便利了仿真模型的建立，且該軟件有一突出的亮點，即可以導出多種格式的文件，可以方便的將其導入至其他軟件中進行分析[5]。

在對密封區(qū)域進行流體建模時，由于密封間隙內(nèi)的流體結(jié)構(gòu)具有圓周方向的周期性，為方便計算，可選取特定角度的流體模型進行分析。因此，建模時的流體區(qū)域選為角度為2度的扇形區(qū)域。在利用solidworks進行建模時，可先在基準平面內(nèi)繪制流體區(qū)域截面的草圖，再進行拉伸操作，即可得到流體模型。在參數(shù)分析時，若要改變軸承寬度，只需將草圖拉伸長度進行改變；若要改變密封區(qū)域的厚度，則需要在草圖中改變扇形的尺寸。

■2.2 流體區(qū)域仿真分析

在軟件中完成建模后，將建好的模型導入到流體仿真分析軟件Ansys-fluent中，并對模型進行網(wǎng)格劃分。FLUENT軟件采用基于完全非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的有限體積法,而且具有基于網(wǎng)格節(jié)點和網(wǎng)格單元的梯度算法。Ansys-fluent軟件中的網(wǎng)格技術主要解決邊界運動的問題，用戶只需指定初始網(wǎng)格和運動壁面的邊界條件，余下的網(wǎng)格變化完全由解算器自動生成。這樣一來，我們只需設置軸承的尺寸參數(shù)與工控參數(shù)，就可以利用計算機進行求解得出數(shù)據(jù)[6-8]。

選取密封中的弧度為2°的一小段界面，選擇介質(zhì)為空氣，設置輸入端以及輸出端的平面，設置收斂條件并進行仿真求解。求解方法的核心思想為有限元分析，將所要分析的界面分成若干個區(qū)域，設置好軸承寬度，厚度，入口壓力參數(shù)，初始對每個網(wǎng)格分析仿真，求流體對固體的力，由于流體對固體產(chǎn)生影響，改變了相應的參數(shù)，再次進行對流體力的分析。如此遞推直到流體力收斂在一定范圍內(nèi)，將所有網(wǎng)格整合（偏微分），形成一個整體的數(shù)據(jù)。 除數(shù)據(jù)呈現(xiàn)以外還可以生成云圖，更加直觀的展現(xiàn)仿真結(jié)果。

在仿真分析中，我們需要設計流體模型，由于密封區(qū)域流體流動結(jié)構(gòu)相對單一，選用層流模型進行分析，層流模型相對于湍流模型，認為流體中的質(zhì)點的軌跡是光滑的曲線或者直線，因為本次仿真目標的模型外形較為規(guī)則，所以采用層流模型有利于運算效率的提高且計算結(jié)果不會有較大誤差。在邊界設計時，按照實際的工況條件設置進出口的壓力大小。由于截取的是密封區(qū)域的一部分，需要對模型兩側(cè)面進行周期性邊界設置，其他默認面設置為wall。對于仿真分析收斂標準的確定，選用系統(tǒng)默認的殘差標準即可。仿真結(jié)束后，對密封區(qū)域的流體壓場和速度場分別進行分析，在結(jié)果中可輸出入口及出口的質(zhì)量流率，即為密封系統(tǒng)的泄漏量，同時可通過比較進出口流量的大小來判斷密封區(qū)域是否“確實”收斂。

3 仿真分析

針對軸承密封的仿真分析，首先應確定仿真分析的思路，即對研究對象和研究內(nèi)容進行明確。仿真分析前確定研究對象的基本參數(shù)，進而針對其主要參數(shù)進行參數(shù)分析，研究各參數(shù)變化對密封系統(tǒng)的影響。

■3.1 仿真規(guī)劃

對于軸承密封系統(tǒng)的仿真分析需要以實際規(guī)格的密封圈為例，對于進行仿真后進而進行參數(shù)分析和研究。本文以某種尺寸型號的密封圈為基準，設置初始參數(shù)分別為：初始入口壓力=0.3MPa，內(nèi)徑=50mm 外=50.3 軸承寬=10mm。

介于研究方向為入口壓力、氣膜厚度、軸承寬度對密封性能的影響，有如下仿真規(guī)劃。針對入口壓力對泄露影響的研究，設立五組在基準參數(shù)上僅改變?nèi)肟趬毫Φ姆抡娼M，其中入口壓力發(fā)變化范圍為0.2～0.6MPa，相鄰兩組參數(shù)間隔大小為0.1Mpa；針對氣膜厚度對密封性能影響的研究，設立五組僅改變外徑的仿真組，其中外徑的變化范圍為50.1～50.5mm，相鄰兩組參數(shù)間隔大小為0.1mm。

針對軸承寬度對泄漏量影響的研究設立五組在基準參數(shù)上僅改變軸承寬度的仿真組，其中軸承發(fā)變化范圍8-12mm，相鄰兩組參數(shù)間隔大小為1mm。

在進行變量為尺寸參數(shù)的仿真中，需要改變模型的尺寸再進行仿真，且需要更新網(wǎng)格的劃分。

■3.2 參數(shù)分析

根據(jù)上述仿真目標設計，分別研究入口壓力、氣膜厚度及軸承寬度對密封系統(tǒng)泄漏量的影響。

3.2.1 密封泄漏量隨著入口壓力的變化

當其他工況參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，密封系統(tǒng)的入口壓力由0.2Mpa增長到0.6Mpa，密封泄漏量變化趨勢如圖1所示。

圖1 入口壓力對密封泄漏量的影響

當入口壓力在0.2MPa～0.5MPa的范圍內(nèi)變化時，入口壓力與泄漏量的變化規(guī)律如圖表所示。根據(jù)數(shù)據(jù)表與圖像不難得出，當其他參數(shù)不變時，入口壓力起初與流體泄露量成正相關關系，且近似成線性關系，但隨入口壓力增大，曲線變化率逐漸減小，并預計在壓力足夠大時，曲線變化率將變得很小。

3.2.2 密封泄漏量隨厚度的變化

圖2 氣膜厚度對密封泄漏量的影響

當其他工況參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，氣膜厚度由0.1mm增長到0.5mm時，密封泄漏量變化趨勢如圖2所示。

泄漏量與厚度在0.1mm～0.5mm范圍內(nèi)的變化規(guī)律如上圖所示。根據(jù)圖表可以得出，在其他參數(shù)不變的情況下，泄漏量與厚度同樣成正相關關系，并且是一條非常接近直線的曲線，可以理解為供流體泄出的通道寬度越大，泄漏量越大。

3.2.3 密封泄漏量隨著軸承寬度的變化

當其他工況參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，軸承寬度8mm增長到12mm時，密封泄漏量變化趨勢如圖3所示。

圖3 軸承寬度對密封泄漏量的影響

泄漏量與軸承寬度在8mm～12mm范圍內(nèi)變化的規(guī)律如圖3所示，可以看出，在該范圍內(nèi)，其他參數(shù)不改變的情況下，隨著軸承寬度的增加，泄漏量減少，且減少的量非常的小，甚至可近似認為是一條水平的直線。其原因可能是，供流體泄出的通道距離較長，且通道對流體有微小阻礙作用，導致泄漏量有十分細微的減小。

4 結(jié)論

在實際的密封設計時應設法合理的降低軸承的氣膜厚度與入口壓力，因為這兩個條件對減少泄漏量有著至關重要的作用，而對于軸承寬度則沒有必要刻意加大，因為軸承寬度對泄露量的影響甚微，加大軸承寬度所需要的經(jīng)濟成本遠高于其減少泄漏量的效益。本次仿真通過對改變軸承的尺寸參數(shù)以及工控參數(shù)，對密封泄漏量影響的分析研究，得到如下結(jié)論：

(1)隨著入口壓力的增大，泄漏量增大，且變化率不斷減?。?/p>

(2)隨著厚度的增大，泄漏量成近乎線性增長的趨勢，且相比其他兩個變量，氣膜厚度對泄漏量帶來的影響更為顯著；

(3)隨著軸承寬度的增加，泄露量有非常緩慢的減小趨勢，相比其他兩個變量，軸承寬度對泄露量的影響最小。