基于ANSYS的剖分式机械密封变形分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)南京林业大学机械电子工程学院 作者:陶凯

  运用ANSYS有限元软件对剖分式机械密封动环、静环3D模型进行数值模拟,研究不同螺钉预紧力、介质压力和弹簧比压下剖分式机械密封的分型面对整体机械密封的影响及分型面的连接紧密性。结果表明:连接螺钉应力分布符合螺钉实际受力情况,验证了利用有限元法模拟仿真的正确性;不同工况下,承载螺钉预紧力的剖分式机械密封动、静环端面变形均呈轴对称、连续性分布,且适当的螺钉预紧力能有效减小端面变形,降低分型面对密封环整体性的影响;螺钉预紧力是影响分型面变形的主要因素,且随着螺钉预紧力增大,可有效降低分型面的变形量,提高分型面连接的紧密性。

  国内外对剖分式机械密封的研究起步较晚,且少有应用。已有的研究解决了剖分式机械密封设计的可行性问题,为大型机器设备采用装拆方便的轴封提供了可能。但这些研究都还存在着一定的局限性,集中表现在动环、静环及辅助密封圈分型面的连接上,均未考虑端面摩擦热、外力、分型面结构等引起的形变对泄漏率、端面摩擦磨损及分型面连接紧密性的影响。所以剖分式机械密封至今未能得到更广泛的应用,或只能应用于工作参数较低的场合。随着机械密封逐步向高温、高压、高速方向发展,使得机械密封由变形带来的问题更加突出。因此,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为分型面对整体机械密封的影响(以下称为分型面效应)及分型面连接的紧密性成为剖分式机械密封重要的研究领域。

  目前,机械密封变形理论的研究方法主要有3种:圆环理论、边界元法和有限单元法。圆环理论在计算简单形状密封环时计算值与实验值差别较小,但计算复杂形状密封环时计算值与实验值差别很大。边界元法和有限元法计算所得的实验值与计算值都较相符,但边界元法处理边界条件时比有限元法要复杂。针对釜用剖分式机械密封,本文作者利用ANSYS有限元软件,采用有限单元法,开展螺钉预紧力、介质压力场和弹簧比压作用下剖分式机械密封的分型面效应研究和分型面连接紧密性分析,包括模型单元的正确选择、网格的合理划分、载荷的加载等,并根据计算结果对几个因素进行了讨论,为剖分式机械密封的设计、制造及试验研究提供重要参考依据。

1、基本假设及单元位移函数

  1.1、基本假设

  根据剖分式机械密封的结构特点及受载特点,参考文献作如下假设:

  (1)稳定工作时,密封环内的温度不随时间变化,即温度场是稳态的;

  (2)介质压力、弹簧比压、端面液膜反压为作用在密封环表面的均匀分布的面压力;

  (3)物体是完全弹性的且各向同性的;

  (4)物体的位移和变形是微小的,无原始应力。

4、结论

  (1)一对剖分环采用一对螺钉对称连接,避免了其他连接方式带来的剖分环受力不均匀,而剖分环受各力完全轴对称,使得剖分环产生均匀对称的变形,变形云图呈连续性分布,降低了分型面存在对密封环整体性的影响。

  (2)剖分动环密封端面变形呈轴对称分布,随着螺钉预紧力的增大,端面变形极大值曲线呈现内凹规律,螺钉预紧力增大对端面变形有明显的抑制作用,适当的螺钉预紧力对减小端面变形十分有效,且介质压力越大,增大螺钉预紧力对减小端面变形越有效。当介质压力为1MPa时,建议螺钉预紧力为750~1250N。

  (3)剖分动环分型面变形极值曲线随着螺钉预紧力增大先减小后增大,并且变形值曲线由发散到聚合。由此可知,当螺钉预紧力较小时,密封介质压力是影响分型面变形的主要因素;当螺钉预紧力增大,螺钉预紧力是影响分型面变形的主要因素,增大预紧力可增强分型面的连接紧密性。

  (4)剖分静环密封端面变形呈轴对称分布,同一介质压力作用下,密封端面变形极值呈减小—增大—减小的规律,可以针对不同的工作压力选择与其相对应的最佳螺钉预紧力来减小端面变形,例如当介质压力为1MPa时,最佳的螺钉预紧力为1500N。

  (5)介质压力一定,剖分静环分型面变形极大值呈先减小后增大的规律,变形值曲线随着螺钉预紧力增大由发散到聚合。由此可知,随着螺钉预紧力增大,螺钉预紧力能够有效地减小剖分静环分型面的变形,增加分型面的连接紧密性,可根据剖分环的工作压力选择合适的螺钉预紧力。

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