机械密封动静环温度场及热应力场研究.doc

机械密封动静环温度场及应力场研究图1 密封环的结构及尺寸 在计算过程中，由于所研究的对象为密封环，其具有圆柱形特征；沿环向受到相同的边界条件及温度载荷，即载荷和边界条件是轴对称的，因此该问题按照轴对称问题进行求解，取密封环纵截面，单元划分采用四节点等参数单元，静环离散为526个节点、468个单元，见图2（a）；动环为487个节点、434个单元，见图2（b）。 a）密封静环网格划分 b）密封动环网格划分 图2 单元划分 2.2 边界条件 对于104/50型机械密封环，要测得在不同工况下的温度场分布情况，需对以下几个参数进行选取： 2.2.1初始参量 材料的热物理性能、机械密封的尺寸及结构、弹簧比压、介质压力、轴转速、扭矩及介质的性能参数等均是在实验的基础上确定的。各测定值如下：密封腔温度为32℃，外界大气温度20℃，介质压力Ps=0.4MPa，轴转速n=2000rpm，弹簧比压Psp=0.01414MPa，面积比B2=1.081，摩擦系数f=0.08。 本实验104/50型机械密封的动环(见图2)采用的是3Cr13不锈钢（KLTS部分）镶嵌WC碳化钨（MNOPQRST部分）即摩擦端面是WC硬质合金YG6的材料，静环采用的是M106H石墨，浸渍环氧树脂，两者物理性质如表1所示[1]。密封介质为20#机油，介质温度为32℃，周围空气温度为20℃，其性能参数见表2。 表1 动、静环材料的性能参数 密封环 材料 密度[kg/m3] 导热系数[W/m·℃] 热膨胀系数[10-6/K] 柏松比 弹性模量E[GPa] 密封动环 3Cr13不锈钢 7800 26 10.2 0.3 200 WC碳化钨YG6 14600 105 4.5 0.3 650 密封静环 M106H石墨 1800 73.3 50 0.3 0.6 表2的性能参数 温度[℃] 密度[kg/m3] 粘度[kg/m·s] 导热系数[W/m·℃] 普兰特常数Pr 20#机油 32 852.6 0.034104 0.13810 517.78 空气 20 1.205 1.81 2.593 0.7 2.2.2 摩擦热的计算[2] 由于密封环温度升高的热源主要是摩擦热，所以本文采用下式计算摩擦功耗 （1） （2） 于是就可以得热流密度 式中，Pg为机械密封端面比压，MPa； Af为密封面面积，m2； 为密封面平均线速度，m/s； f为摩擦系数；Psp为弹簧比压，MPa； B2为面积比；Ps为密封腔压力，MPa。 2.2.3 对流换热系数的计算[3] 图3 密封环对流换热系数方法示意图 对于W1，对流换热系数由普兰特公式求得 （3） 其中为反映介质旋转搅拌影响的雷偌数；为反映介质横向绕流影响的雷偌数；为普兰特常数；为动环外径[m]；为流体的导热系数[W/m·℃]；为轴的角速度[弧度/秒]；v为动环周围介质的轴向平均流速[m/s]；分别为流体的动力粘度[N·s/m2]和运动粘度[m2/s]；C为流体的比热[J/kg·℃]。 对于W2、W3，对流换热系数由以下公式求解 （4） 式中， 雷偌准数 普兰特数 Ss为静环与密封腔内壁之间的间隙[m]；Vl为静环周围介质的轴向流速[m/s] 对于W4，对流换热系数由以下公式求解 （5） 式中 rzo为轴的外半径，其余物理量与上同。 2.2.4 热量分配问题[4] 用二维导热稳态温度计算式 来估算密封环传递能量比例 式中，h是环的轴向厚度。由于端面间两环温度相等，所以当y=0时有 （6） 另有,下标w代表动环，s代表静环，由以上两式可得 。从而可求得动环传走热量的比例qw/q。 按照以上理论可以计算出热流密度q=209480.84[W/m2],表3给出密封静环换热系数值，表4给出密封动环的换热系数值，表5为动静环热流分配数值， EF、FG、RQ边为绝热边界条件。 表3 静环换热系数值 边界 AJ JI IH GH DE BC CD 对流换热系数 [W/m·℃] 648.80 741.51 783.47 774.87 3.35 4.61 4.11 温度[℃] 32 32 32 20 20 20 20 表4 动环换热系数值 边界 LM MN NO OP PQ RK 对流换热系数 [W/m·℃] 800.86 679.83 706.66 681.13 346.43 5.414 温度[℃] 32