机械密封的端面温度

一、序言机械密封属接触式端面密封,不仅摩擦副端面因摩擦生热,而且旋转元件因摩擦也会生热;使端面温度升高。密封环端面温度过高会导致密封工作不正常,例如:端面间液膜汽化造成液膜失稳;密封面热裂或热变形造成热弹失稳;温度升高促使磨损和腐蚀加剧。因此,为了保证机械密封正常运转,必须控制其端面温度使之处于正常工作范围内。这样首先就要确定机械密封的端面温度。现有的端面温度计算方法有精确计算的分析法、有限元法、数值方法和热电模拟法,还有平均温度的简单计算方法等。     

螺旋槽机械密封摩擦副界面热力耦合变形分析

基于热力单向耦合理论,对螺旋槽机械密封摩擦副界面的热流体进行Fluent数值模拟,得到密封环的温度场分布规律;将得到的温度场作为边界条件之一导入到密封环端面中进行耦合力变形分析,并研究密封环的转速以及介质压力对动静环最大变形影响。结果表明:动静环的最高温度都出现在液膜和环的接触处,且温度由密封端面开始向两端逐渐降低;密封环的变形量相对于液膜厚度较大,其中静环的变形梯度较动环大,其更容易失效;动静环端面最大变形量随转速和介质压力的升高而增大,在选择工况条件时可适当降低转速和介质压力来减少端面变形量。     

渣浆泵双端面机械密封密封环热力耦合分析

针对磷酸厂渣浆泵机械密封因端面变形而导致的使用寿命缩短问题,以渣浆泵背对背型双端面机械密封密封环为研究对象,采用整体法,根据实际工况建立密封环热力耦合三维计算模型,研究密封环温度场分布及端面变形情况,分析不同工况下密封环热力变形对机械密封正常工作的影响.结果表明:密封环最高温度出现在静环内侧,且温度沿径向朝静环外侧逐渐...     

船舶艉轴机械密封温度场与热变形分析

船舶艉轴机械密封在运转时,密封环端面温度的分布及热变形对密封的泄漏有重要的影响。为了提高机械密封的密封性,采用有限元分析方法,运用整体法和分离法对机械密封的动、静环的温度场、热变形进行分析,研究在不同主轴转速下端面温度的变化情况。分析表明:机械密封端面的最高温度出现在接触区域的中间,并向内、外两侧递减;端面摩擦热与主轴的转速有密切的关系,转速越大,产生热量越多,温度越高;密封环的导热系数也对端面温度也有影响,导热系数越高,端面最高温度会越低;端面热变形量内径处大于外径处。     

机械端面密封计算技术

本文综述了机械密封密封环温度场,密封环变形和密封端面摩擦润滑计算技术的国内外研究现状,介绍了常用的计算方法,并比较了它们的优缺点,指出采用有限元法计算机械密封密封环温度场和变形效果较好,机械密封端面摩擦润滑问题计算的关键是建立合理机械密封摩擦特性模型。     

干摩擦工况下机械密封端面温度数值模拟

该文采用有限元的方法,研究接触式机械密封在乏油工况下,密封端面处于极端干摩擦状态时密封环的温度分布,探索了密封环材质、弹簧比压、端面宽度以及密封环结构变化对端面温度的影响规律。研究结果表明,选取低摩擦系数的摩擦副、减小密封环端面宽度、保持低的弹簧比压以及增大密封环强制对流换热面积都有助于降低密封环端面温度。     

变工况机械密封热力耦合特性分析

基于已设计的变工况机械密封为研究对象,建立机械密封二维轴对称模型,采用有限元的方法对变工况下接触式机械密封的动环、静止环进行热力耦合计算,分析密封环端面温度以及密封环端面轴向变形随介质压力和转速的变化规律,并进行试验验证结构设计合理性.结果表明:密封环端面的温度和最大温差,随着介质压力和转速的增大而增大;该结构的密封在...     

牙轮钻头Ti(C,N)基金属陶瓷密封配副磨损研究

目前牙轮钻头金属密封环通常采用相同的金属材料,其磨损性能不佳,易造成金属密封因磨损严重而失效。为提高金属密封的磨损性能,提出采用Ti(C,N)基金属陶瓷作为牙轮钻头密封副,并开展其与不同材料配副的磨损试验,研究不同摩擦副的摩擦磨损性能和磨损形式;建立适用于牙轮钻头金属密封材料的数值磨损模型,开展Ti(C,N)基金属陶瓷与不同材料配副的双金属密封性能的数值模拟,基于磨损模型预测使用30 h后不同双金属密封的磨损体积。试验结果表明：当Ti(C,N)基金属陶瓷作为动摩擦副,9CrSi作为静摩擦副时,金属环表面平均磨损体积最小,同时摩擦因数较小,磨损性能更佳。通过试验与仿真数据对比,验证了建立的数值磨损模型适用于双金属密封。仿真结果表明：当Ti(C,N)基金属陶瓷作为动金属环,9CrSi作为静金属环时密封端面磨损体积最小,金属密封磨损性能显著提高,其接触应力最大值为23.243 MPa,能够满足密封要求。     

炼油厂高温油泵机械密封泄漏原因分析及对策

当前石油化工炼油厂使用的高温介质泵大部分使用的是金属波纹管机械密封,机械密封的动、静环接触面上的摩擦热容易造成干摩擦或产生较大的温度梯度,从而使密封环产生过大的热应力导致密封端面磨损变形,严重时会出现热裂纹,造成机械密封的严重泄漏。本文结合具体实例详细介绍了金属波纹管机械密封的结构原理,并对金属波纹管机械密封端面温度及应力场进行了模拟分析研究,提出了改进措施,对于机械密封的设计和制造及其应用具有理论指导和现实意义。     

核电泵用机械密封摩擦有限元分析

以不同工况下的机械密封环为研究对象,依据接触表面的温度,对各种工况时密封端面的接触状况及温度变化趋势进行了分析。结果表明:在极端工况下,机械密封环温度远低于相应材料的允许使用上限;在正常工况下,密封环由于摩擦生热引起的温升较小,由密封介质传导入密封环的热量引起的温升较大。机械密封在不同介质温度和不同密封压力下均可保证较好的运行性能。在极端工况下,密封动静环等效M ises应力均在较低的水平,不会导致密封环的失效破坏。由于密封压力作用引起的密封端面变形,密封端面液膜厚度沿压降方向呈发散分布;在端面外径处动静环将会产生局部接触磨损,密封介质温度对端面液膜厚度影响较小。     

基于Pro/E平台下的机械密封热变形分析

利用Pro/E的热力学分析对机械密封的动环进行有限元分析,通过对密封环摩擦热、搅拌热等因素的分析计算,分析密封环端面温度对密封环结构变形的影响。结果表明:内流式机械密封端面温度径向呈近似抛物线分布;密封环内的温度梯度使密封环产生热变形,导致形成圆锥型的端面;热变形会使密封环产生内应力。     

高速动压式胀圈密封温升变形及试验研究

针对高速旋转机械的高转速、低磨损和长寿命的要求，研制出非接触且磨损小的动压式胀圈密封，但是当密封设计不当时，密封环变形会严重影响其密封性能和稳定性，因此，本文针对动压式胀圈密封结构参数对温升、变形的影响展开分析。利用有限元分析软件建立流固热耦合分析模型，通过数值模拟和试验相结合的方法分析胀圈动静环主要结构参数对密封环温升、变形的影响规律，基于响应面法对密封进行多参数结构优化。研制出动压式胀圈密封的试验样机及试验系统，并进行实际运转试验。结果发现，动压式胀圈密封可大幅降低密封温升和摩擦磨损，从而提高其密封性能和稳定性；减小螺旋角、选择合适的槽坝比可降低密封环的温度峰值和变形峰值；减小轴向厚度可降低密封环端面温度和变形，减弱端面温度分布和变形分布不均的程度；增大压差可降低切口间隙端面的最大变形和变形不均的程度，增加转速可降低主密封面变形峰值。研究结果为解决旋转设备轴承腔的高速密封难题提供了新思路和新方法，为动压式胀圈密封的结构设计提供参考，并促进其性能提升和工程应用。     

考虑粗糙度效应的微孔化机械密封摩擦副接触特性分析

针对机械密封装置在启停阶段或某些特定工况下出现高温以及摩擦磨损严重等问题，探究考虑粗糙度效应的微孔化机械密封端面接触压力及温升的变化规律，以揭示机械密封端面的真实接触状态。基于分形理论建立机械密封静环粗糙表面和动环微孔接触模型，采用数值计算方法，研究微孔对机械密封端面接触压力和温升的影响，以及表面粗糙度对机械密封端面接触面积、接触压力、温升的影响。结果表明：微凸体经过微孔时，微凸体嵌入微孔边缘使得接触压力峰值增大，导致切削发生；摩擦过程中，压力最高点位置因为微凸体的弹塑性变形而不固定，改善了微凸体的受力情况；微孔降低了密封端面的接触面积，从而使得微凸体的接触减少、压力极值点减少，降低了密封端面摩擦副的温度，改善了密封端面的磨损状况；表面粗糙度越小，接触面积越大，接触压力、端面温度更加均匀，表面粗糙度越大，端面磨损风险更加严重。     

浸酚醛树脂石墨与9Cr18不锈钢配副的摩擦磨损正交试验研究

机械密封是航空航天涡轮泵系统的核心基础元件,其密封性、可靠性和耐磨性不仅取决于密封的结构设计,而且取决于密封端面摩擦副材料的配对。为最大程度地实现密封摩擦副材料的国产化,开展国产典型石墨密封环的摩擦磨损特性研究具有重要意义。通过选取国内三大石墨生产商出品的空天领域常用典型石墨(编号分别为1~#、2~#和3~#)与9Cr18钢配副进行干磨条件下的试验测试,基于正交试验方法,通过改变线速度、端面比压和硬环表面粗糙度,使用UMT-Ⅲ摩擦磨损试验机对比分析了配对摩擦副的摩擦磨损特性。结果表明,该配对副适用于大PV值的工况条件,摩擦线速度是影响配对副综合摩擦学特性的主要因素。当材料选用1~#石墨,转速为750 r/min、端面比压为1.77 MPa、钢盘表面粗糙度Ra=0.2μm时,配对副的综合摩擦学特性最佳。     

油泵用机械密封摩擦副界面热-结构耦合分析

以热-结构耦合数值计算理论为基础,同时施加温度和力载荷边界条件,对处于高速、高压等高参数极端工况热油泵用波纹管机械密封装置摩擦副界面进行了热-结构耦合数值建模与计算分析。研究了密封环摩擦副界面的温度场特点及温度、热应力分布规律,分析了密封环在温度载荷和力载荷耦合作用下密封环的变形情况。结果表明:最高温度产生在摩擦副内径处,最大热变形在摩擦副外径处;动静环配对材料的导热系数越大,产生的最高温度就越小;在摩擦副的外径侧产生的变形有利于形成收敛型间隙。     

高温蒸汽风机用机械密封的研制

风机输送介质为高温蒸汽,主机内高温通过热传导导入密封环的热量、密封运转过程中产生的摩擦热和搅拌热综合引起密封端面温度升高,避免密封端面出现闪蒸现象,采用水作为冲洗液进行冲洗以控制密封环温度分布。在力和热的作用下,密封环产生变形,对密封环端面受力和热引起的变形进行计算预估,减少密封泄漏量,延长密封使用寿命。通过理论分析与试验验证相结合的方法,设计出适用于该风机的集装式、双端面、平衡型结构机械密封,完全满足现场使用要求。     

浸渍石墨/38CrMoAlA (喷涂)配对密封摩擦副的干摩擦性能

针对干摩擦机械密封在高速运转工况下密封端面的摩擦磨损而导致密封失效问题,通过试验分析几种典型摩擦副材料组对在干摩擦下的摩擦磨损性能。选择浸锑石墨M106D和浸树脂石墨M106K分别与38CrMoAlA以及喷涂Cr2O3、Al2O3的38CrMoAlA硬环组对,采用Plint摩擦磨损试验机,监测摩擦副在高速干摩擦条件下的摩擦因数,分析轴向载荷及线速度对摩擦因数的影响,通过白光干涉仪观测试验前后端面形貌。结果表明：干摩擦下,喷涂的硬环表面石墨转移附着较少,其更耐磨、磨损程度小,浸锑石墨较浸树脂石墨磨损少;6组配对试验主要磨损形式为磨粒磨损,其中浸锑石墨/喷涂Al2O3的38CrMoAlA摩擦副摩擦因数最小;由于石墨的自润滑性,适当增加转速和轴向载荷均有利于降低端面摩擦因数。     

基于热-固耦合的船舶艉轴密封环材料对密封性能的影响研究

在采用螺旋桨推进的船舶中,为防止海水沿螺旋桨流入船内,在艉轴管中设置了密封。由于其工作于恶劣的深水环境中,因此选用可靠的艉轴密封环材料对船舶运行至关重要。本文根据不同船舶艉轴密封环材料对密封性能的影响,利用有限元软件建立热-固耦合数值分析模型,计算得到了不同材料密封环的温度场、变形场、应力场,分析了弹性模量、热膨胀系数、导热系数等材料参数对密封环变形、温升、摩擦磨损及泄漏量的影响,最终选取了最优的船舶艉轴机械密封动环材料。结果表明：SiC动环材料的密封环组合端面温升最小,S30408动环材料的端面变形最大,密封端面的热变形大于力变形,热膨胀系数对密封性能影响最大,综合考虑温升和材料参数对密封环变形和密封性能的影响,选择最优的动环材料为Cr₂O₃。     

船用机械密封环热-结构耦合有限元优化计算研究

以小锥度的收敛间隙为优化原则,以最大接触压力作为目标函数,以静环端面的磨损裕度为设计变量,采用一阶优化法进行机械密封环热-结构耦合有限元优化计算。优化结果表明:过大的磨损裕度使密封端面易产生外侧接触的倾向,密封系统稳定性差,外侧易出现严重磨损;过小的磨损裕度使密封端面内侧接触压力明显增大,易出现局部过度磨损现象。采用此优化方法,可以在保证内接触条件下提高密封端面接触均匀性和机械密封的热力学性能,对机械密封环的设计,制造及密封环热力状态的进一步研究具有重要的意义。     

基于流固耦合的接触式机械密封端面泄漏率的研究

由于没有考虑密封环端面变形的影响,采用经验公式计算接触式机械密封端面的泄漏率存在较大的误差。本文考虑了密封端面泄漏率受密封环端面变形的影响,采用ANSYS和MATLAB软件对密封端面泄漏率进行流固耦合数值求解。研究了密封介质压力pi、密封端面压差Δp、弹簧比压psp和密封端面综合粗糙度σ对接触式机械密封泄漏率Q的影响。通过试验,验证了不同密封介质压力下,密封端面泄漏率数值解的正确性。结果表明,考虑密封环端面变形的数值解比经验公式解更接近测量值。密封端面泄漏率随密封端面综合粗糙度和密封端面压差的增大而加速增大,随介质压力的增大而增大,随弹簧比压的增大而减速增大。本文通过对密封端面泄漏率数值求解,分析泄漏率的影响因素,以期为完善接触式机械密封失效机理起到一定的指导意义。