基于ANSYS的机械密封副的温度分析

　　研究了机械密封副的稳态温度场，在合理的假设条件下，建立了机械密封场的温度数学模型。通过计算，求得相关的热流密度与对流换热系数，然后利用ANSYS13.0 软件进行运算。着重考虑了介质流量和弹簧比压对温度场的影响，为机械密封的设计提供了理论依据。

前言

　　端面温度是机械密封实际工作时的一个重要参数。端面温度过高会产生一系列的问题。研究机械密封的温度场具有重要的意义。已有一些学者利用有限元软件对密封副的温度场进行了研究， 得到了密封副温度场的分布及变化规律， 并对介质压力， 动静环材料， 主轴转速液膜厚度等因素对温度的影响进行了分析。然而，介质流量和弹簧比压对端面温度的影响的研究则不多见。本文利用ANSYS 软件对机械密封环进行模拟分析， 主要探讨了介质流量和弹簧比压对端面温度的影响。

1、密封环热分析的基本假设

　　(1)由于动、静环均具有轴对称结构，边界条件也是轴对称的，所以温度场的分布也是轴对称的;

　　(2)认为密封端面是平行的，不考虑密封环力、热变形对温度分布的影响;

　　(3)密封副材料性质和密封介质的性质不随温度变化，密封介质的温度是恒定的;

　　(4)密封面上的热流密度在每个单元面上是均匀分布的，但整个端面分布并不均匀;

　　(5)在机械密封系统运行一段时间后，机械密封副的温度场处于热平衡状态，是稳态的;

　　(6)裸露于空气或背靠辅助密封圈的密封环表面视为绝热。

　　根据以上假设， 机械密封副的轴对称稳态热传导方程为：

　　式中T———密封环的温度函数，其中T=T(x，r);x———轴向;r———径向。

　　为了求解方程(1)，得到微分方程的唯一解必须附加边界条件。密封环与密封介质接触处按第二类边界条件考虑;其余边界上为第三类边界条件。

2、边界条件的确定

　　1)相关参数的设定

　　本文所采用的机械密封设计方案中， 动环材料为不锈钢，静环为锡青铜，其物理性质如表1。密封副内径为φ161mm，外径为φ175mm，主轴轴径φ130，转速600r/min。

3、ANSYS 有限元模型的分析过程

　　1)前处理：有限元建模和网格划分选择PLANE55 单元，它是轴对称四节点四边形等参单元，具有二维热传导分析能力。为动、静环定义料，分别输入材料的密度、热传导系数这2 个参数。采用自下向上的建模方法建立几何模型后，将动、静环的几何模型与相应的材料关联起来，自动进行网格划分，得到图2 所示的有限元模型。

图2 密封副有限元模型

　　2)加载和求解

　　在前处理阶段完成建模后， 用户可在求解阶段通过求解器获得分析的结果。在该阶段用户可以定义分析类型、分析选向、载荷数据和载荷步选项，然后开始有限元求解。ANSYS 软件将自动求解，并将结果保存在文件中。由于分析的类型为稳态温度场，添加载荷数据后系统将自动求解。

　　3)后处理

　　ANSYS 提供了2 个后处理器： 通用后处理器POST1 和时间历程后处理器POST26。前者用于查看某度，减少了备件材料的耗用，减少空气环境的污染和资源的浪费。

4、结束语

　　P-3200C 燃料油泵机械密封改造后， 已连续运转超过3000h，其运转平稳，机封无泄漏，确保了热电锅炉燃料的正常供应。这说明对P-3200C 燃料油泵机械密封的改造是成功的，解决了机械密封频繁泄漏的问题，提高了机械密封的使用性能和使用周期， 降低了员工劳动强度，降低了设备维护和维修费用。