螺旋槽干气密封动环模态分析及其模态特性试验

　　针对大型核电设备的干气密封装置的振动特性的研究，利用ANSYS软件对螺旋槽干气密封动环模型进行自由模态分析和约束模态分析，计算得到其固有频率和振型，为动环的动态响应分析提供参考；通过LMS振动试验测试动环自由状态下的固有频率，将其结果与软件计算结果相比较，通过其误差大小可验证软件模态分析的可靠性。通过得到的固有频率和振型结果对比分析，可知AN⁃SYS有限元分析结果是可信的，可根据分析结果对密封结构进行改善。

　　前言

　　干气密封是最常用的一种非接触式密封方式之一，动环和静环是这种密封结构的主要组成部分。当动环高速旋转时，因流体静压和动压作用，动静环之间的密封环端面间会形成一层气膜，同时产生一个开启力使密封动静环分离开来。非接触式密封减少了密封环之间的摩擦，且气膜相对比较稳定，可以减少泄漏量，减少磨损，提高密封性能和延长密封使用寿命，可靠性较高。

　　近年来，干气密封被广泛运用于多种压缩机、泵及其他某些高速高压设备中。目前，在该领域国内外都已经做了很多的研究，其中很多以密封端面的螺旋槽型作为研究对象，虽然从理论上来讲，根据流体动力学知识，在干气密封端面的沟槽无论是什么形状，动环高速旋转时，端面都会产生动压效应，但蔡文新、王玉明等的理论研究表明，相比于其他槽型，螺旋槽密封工作时流体动压效应更明显，密封性能更好。

　　模态分析是动力学分析的基础部分，它为动力学分析中的谐响应分析、谱分析以及瞬态动力学等分析打下了基础，提供最基本的数据。需要分析的零件或结构的固有频率和振型是模态分析计算的主要研究内容， 应用此分析得到所设计零部件的固有频率和振型之后，就可以在工作中避开固有频率值，预防由外界激励而引起的共振，避免造成密封失效或者设备损害等后果。

　　基于此，本文以日机密封公司指定的一套螺旋槽干气密封为研究对象，对其密封动环进行振动模态分析，并通过LMS振动试验验证分析的可靠性。

　　1、有限元模态分析

　　1)建立有限元模型

　　本文以日机密封的一个具体动环作为研究对象，首先利用SolidWorks对其进行三维建模，然后利用AN⁃SYS对其进行模态分析。其端面几何尺寸为：内径r1=101.25mm，外径r2=131.5mm，螺旋槽底半径r3=117mm。本文所用动环是一个轴对称零件，用有限元方法分析计算时通常选择四节点或八节点轴对称单元。综合考虑计算精度和效率等因素，最终选择八节点六面体单元solid45来对此动环进行描述。动环的材料为SSiC，材料属性为：弹性模量E=430 GPa；密度ρ=3240kg/m3；泊松比μ=0.26。利用有限元分析前处理专业软件hypermesh 对动环三维模型进行网格划分，生成103 858个单元和24 012个节点。螺旋槽动环模型如图1所示。

图1 螺旋槽动环模型

　　2)确定边界条件和求解方法

　　动环固定在轴套上，对动环外缘的3个约束面进行约束，同时受轴套、动环座、介质压力和气膜压力的作用，工作时跟随轴一起转动。本文先对其进行自由模态分析，再进行约束模态分析。高速旋转的零部件在工作时会受到离心力的作用，其固有频率值与静止时的值相比会存在一定的差异。因此，对动环进行模态分析时，设置边界条件需要将离心力的影响列入考虑，故用ANSYS对其进行加预应力的模态分析，即在分析前加上动环527.52 rad/s的旋转角速度。同时对动环的外部进行自由度约束。

　　在ANSYS将分析类型定义为模态分析后，需设置本次分析所关注的模态阶数，并确定矩阵值求解方法。ANSYS常用的矩阵值求解法包括分块兰索斯法、子空间法、PowerDynamics法、缩减法等模态提取方法。对于对称特征值求解问题，运用分块兰索斯法计算的收敛速度比其他的模态提取方法更快。为了计算速度比较快，且得到的结果也比较准确，本文采用分块兰索斯法。

　　3)模态分析结果

　　机械密封动环在运行过程中的振动会引起密封件磨损、变形等，从而导致密封效果不理想，若振动过大还会对整个机械密封结构的工作性能造成影响，甚至引起密封失效。模态是机械结构的固有特性，每一个模态对应相应的固有频率、模态振型和阻尼比。然而不同的模态对结构频率响应的贡献是不同的，例如对本文中动环的低频响应来说，高阶模态的贡献就较小。根据振动理论，此密封结构的动力学特性主要受低阶模态的影响。故在实际应用中，只需研究结构的前几阶或十几阶模态，这样工作量就大为减少。

　　2、结论

　　本文运用ANSYS对干起密封重要零件动环进行了有限元自由模态分析和约束模态分析，得到其前几阶固有频率和振型。并对自由状态下的动环进行了LMS动态特性试验，得出了自由状态下的前几阶固有频率和振型，与之前的ANSYS计算结果相比较，可以看出误差并不大，故ANSYS的计算结果是可信的。

　　通过ANSYS软件对动环进行了加预应力的约束模态分析，选取了前8阶固有频率和振型作为研究对象，可以看出，此动环的前8 阶固有频率值在2661.3～10763HZ之间，在实际工作情况下，外界给予其振动频率很难达到如此高的值，故可以认为动环在正常工作情况下不会发生共振，在以后的设计或优化过程中可以不用重点考虑振动对密封性能的影响，不过观察动环振型可以看出，在约束位置上的变形最大，故为了使动环的振动对密封性能的影响更小，可以考虑在动环上多添加几个约束面。