.

式中:f 为端面摩擦系数; p 为端面比压; u 为圆周速度; A 为密封面面积. 3 有限元计算实例分析

本文实例:静环, 宽度:25mm , 内径:70mm , 外径:80mm ; 材料为石墨, 弹性模量:25GPa , 热膨胀系数:5×10K , 导热系数:10W/m ?K , 泊松比:0.28; 环境温度:39℃, 端面比压:0. 4M Pa , 轴的转速:1500r/min. 3. 1 建立几何模型

利用ANS YS 软件的前处理程序PREP7, 经过单元类型选择, 材料参数的确定, 几何建模, 单元生成等步骤, 建立密封环温度场的有限元分析模型, 并对有限元的模型进行网格划分. 本文采用plane 55四节点四边形轴对称单元自底向上的建模方法建立有限元模型, 共有974个节点,903个单元. 有限元模型网格图如图1所示. 3. 2 加载和求解

通过定义分析类型, 分析选向, 载荷数据和载荷步选项, 然后开始有限元求解. ANS YS 软件将自动

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图2 温度场云图

Fig. 2 Cloud chart of temperature f ield

从图2中可知最高温度在端面内径处, 外端面温度最低且变化不明显. 由于内径处散热不好, 因此

内径处的温度高于外径处的温度, 最高温度点在内径处, 在密封端面的外径处温度变化较大, 密封端面内径处温度变化不大. 因而在使用过程中, 外径处变形较大, 易发生泄漏. 3. 5 热应力分析

本文用热2结构耦合法, 采用plane 42轴对称单元进行热应力计算, 后处理采用一般后处理器po st 1. 分析结果包括环的径向应力, 轴向应力, 周向应

力, 等效应力. 应力场云图如图3～6所示. 从应力场云图3～6可得机械密封环热应力的

?74? 兰州理工大学学报 第33卷

外径台阶附近处, 这与实际生产中所见热裂失效破坏相吻合. 在端面靠近内径处虽然温度最高但由于

变化缓慢, 温度梯度较小, 因此热应力较小. 因而应该改进外径处的结构及改善密封腔内的冷却效果.

表1 机械密封环热应力的最大、最小值及位置

T ab. 1 Maximum and minimum values of therm al stress and their positions in a mechanical seal ring MPa

最小值

径向应力轴应力周应力等效应力 -25. 1-40. 3-10. 43. 6 图3 径向应力场云图

Fig. 3 Cloud chart of radial stress f

ield 位置

端面内径处外径台阶处端面内径处另端面外径处 最大值

14. 868. 938. 856. 4位置外径台阶附近外径台阶附近外径台阶附近外径台阶附近

, 可以得到应力的最大、最小值及其位置. 实例计算结果表明, 最大等效应力为56. 4M Pa ,

Fig. 4chart of axial stress f

ield

分布于外径的台阶变化处. 此计算结果可作为机械 密封设计和提高密封性能的理论依据.

为了保证机械密封长期有效的运行, 在设计机械密封时应设法控制变形和采取改进措施:1 通常在距密封面一段距离处开应力槽;2 选择弹性模量大, 热膨胀系数小