第33卷第3期2007年6月兰 州 理 工 大 学 学 报 Journal of Lanzhou University of Technology Vol. 33No. 3 J un. 2007
文章编号:167325196(2007 0320072203 机械密封温度场及其热应力的有限元计算 何燕慧1, 陈德林2
(1. 兰州理工大学人事处, 甘肃兰州 730050; 2. 兰州理工大学石油化工学院, 甘肃兰州 730050
摘要:用有限元法分析机械密封稳态温度场, 根据假设条件创建有限元模型. 利用ANSYS 8. 0软件进行温度场计算分析, 并用热2结构耦合法计算密封环的热应力. 通过应力分析得到其最大值的位置及大小, 计算结果表明, 这与实际生产中所见热裂失效破坏是相吻合的, 为机械密封环的设计及变形分析提供理论依据. 关键词:机械密封; 温度场; 热应力; 有限元中图分类号:TQ015 文献标识码:A
Finite seal
H E Yan 2hui 1, C H EN De 2lin 2
(1. Personnel Depart ment , Lanzhou Univ. of Tech. , Lanzhou 730050, China ; 2. College of Petrochemical Technology , Lanzhou Univ. of
Tech. , Lanzhou 730050, China
Abstract :U sing finite element met hod , t he stable temperat ure field in mechanical seal was analyzed , and
a finite element model was built up according to an assumed condition. U sing ANSYS ’sfinite element p ro 2gram , t he temperat ure field was calculated and t hen using heat 2st ruct ure coupling met hod t he t hermal st resses were calculated. The positions and magnit ude of maximum st ress were obtained by means of st ress analysis , which kept consistent wit h t he p henomenon of dest ruction due to t hermal failure found in engi 2neering practice , and it could lay a t heoretical basis for seal ring designing and it s deformation analysis.
K ey w ords :mechanical seal ; temperat ure field ; t hermal st ress ; finite element 机械密封是石油化工及旋转机械常用的转轴密
封装置, 其转轴密封功能是通过旋转环(动环 与浮动环(静环 端面的滑动摩擦实现的. 机械密封在工作中, 由于动静环的相对运动而产生摩擦热, 导致密封环的温度升高. 密封环的温度升高会产生一系列的问题:1 端面间的液膜汽化失稳, 磨损加剧, 降低密封件的使用寿命;2 密封环间的导热不均, 易使密封环间形成较大的温度梯度, 而产生热变形, 使接触面形成锥形表面, 改变端面的接触和润滑状态, 增加端面间的磨损和泄漏;3 当密封环的热应力过大时会导致端面热裂(热应力裂纹 .
为了确保长期稳定的工作, 对机械密封环的温度场和热应力分析是非常必要的. 为此国内外学者做了大量的研究工作:文献[1]用M FSCAD 软件计算温度场; 文献[2]利用矩形理论分析温度场; 文献
收稿日期:2006207218 作者简介:何燕慧(19752 , 女, 上海人, 工程师. [3]和[4]利用有限元法计算温度场, 对于热应力没
有进一步研究; 文献[5]利用电算法计算环的平均温度; 文献[6]分析高温引起机械密封的失效因素及防
止热裂的措施; 文献[7]通过试验分析研究密封环的热力行为. 本文利用ANS YS 软件不仅计算密封环的温度场, 而且采用热应力耦合单元进一步分析热应力.
1 基本假设
1 由于机械密封环都具有或近似具有轴对称
结构, 边界条件也是对称的, 因此, 温度场的分布也是对称的; 2 系统在运行一段时间后处于热平衡状态, 温度场的分布是稳态的; 3 密封环材料性质和介质的性质不随温度变化; 4 不考虑密封环力, 热变形对温度分布的影
?73?第3期 何燕慧等:机械密封温度场及其热应力的有限元计算
响.
根据以上所做的假设, 密封环的传热问题简化 为二维问题, 导热微分方程式为
22(1 =02+2+r r z r 式中:T 为温度函数, T =T (z , r ; z 为轴向; r 为径 向.
求解, 并将结果保存在文件中. 在本例中分析的类型为稳态温度场, 添加载荷数据后系统将自动求解