鑲裝式機械密封端面變形加速方法的數值研究*

張志慧，馬潤梅，李雙喜，馮瑞鵬，付光衛

(北京化工大學 機電工程學院，北京 100029)

0 引 言

因節約貴重金屬材料，簡化制造工藝，鑲裝式機械密封被廣泛應用于各種密封場合。鑲裝式機械密封的動環或靜環采用石墨、碳化鎢和氧化鋁等材料做密封環，采用金屬(碳鋼、不銹鋼、鈦等)做密封環座，依靠環和環座線膨脹系數不同，采用過盈聯接裝配，配合后接觸面上將產生互相壓緊的裝配應力，形成緊固的靜配合。當聯接承受軸向力或轉矩時，配合面上便產生摩擦阻力或摩擦阻力矩以傳遞外載荷[1]。

某些鑲裝式機械密封長期處于貯存狀態，在此過程中，密封常出現隨貯存時間增長而泄漏異常的狀況，可能帶來嚴重的安全隱患[2]。鑲裝式機械密封靜環組件端面沿圓周方向會出現馬鞍形變形，徑向為內高外低。靜環組件的變形將引起較大的介質泄漏率，還會影響密封的動力學性能，會給設備安全使用造成隱患，嚴重制約機械密封的貯存壽命[3-5]。

隨著可靠性水平的不斷提高，壽命評估面臨著一個長壽命高可靠試樣的評估課題。如果按照傳統的壽命試驗技術進行評估，則往往難于在可行的時間內完成。因此，加速試驗的研究在可靠性試驗工程領域受到了廣泛重視[6-7]。而加速試驗加速應力一般分為溫度應力(低溫、高溫)、溫度循環、隨機振動、溫度和振動綜合應力[8]。

傳統方法研究機械密封的端面變形，大部分選擇的是自然貯存狀態下正常的密封環，對于存在缺陷的密封環研究較少。

為研究存在缺陷的密封環對機械密封端面變形的影響，探究溫度循環加速方法加速端面變形的效果，以某一鑲裝式機械密封靜環組件為研究對象，分別建立正常和存在偏心缺陷的靜環組件有限元模型，在自然貯存和溫度循環兩種條件下，分析正常和存在缺陷的靜環組件端面變形規律以及加速方法的效果，為相關密封貯存變形理論和試驗研究提供參考。

1 鑲裝式機械密封結構及偏心缺陷

鑲裝式機械密封由動環座、動環、靜環、靜環座、彈簧和殼體等組成，如圖1所示。

圖1 鑲裝式機械密封結構示意圖

圖1中，靜環材料為石墨，靜環座材料為S30408不銹鋼，靜環和靜環座通過過盈配合聯接，共同組成靜環組件。

靜環組件可能存在的缺陷有：靜環底面和靜環座出現空隙、過盈量不同、靜環內外圓偏心、靜環材質不均等。

因偏心缺陷易于實現，可建立該缺陷模型，進行有限元分析。其中，靜環組件的偏心缺陷是以外徑為基準，內徑軸線沿徑向偏移一定距離，偏心設定為0.10 mm、0.20 mm、0.30 mm 3種。

2 自然貯存過程有限元分析

渦輪泵機械密封裝配完成后，經過長期自然貯存后，靜環端面易發生變形現象。李瑩等人[9]認為端面變形是由靜環座的室溫蠕變造成的。分析金屬材料的蠕變過程，廣泛采用的是Bailey-Norton方程，它能模擬蠕變過程的第一階段和第二階段，如下所示：

εcr=Aσntm

(1)

式中：εcr—蠕變應變；σ—應力；t—時間；A—與溫度相關的材料常數；n—Norton應力指數；m—小于1的常數。

目前關于S30408不銹鋼室溫蠕變方程參數擬合的文獻較少，筆者采用與其相近的材料擬合參數。韓寧寧[10]根據316L不銹鋼室溫拉伸試驗數據，擬合出A=3.375 27×10-9，n=3.344 25，m=0.140 35，則S30408不銹鋼近似蠕變方程如下：

εcr=3.375 27×10-9σ3.344 25t0.140 35

(2)

ANSYS Workbench軟件的Bailey-Norton模型如下：

(3)

2.1 數值模型

在整個周向上，具有偏心缺陷的靜環不具有軸對稱結構，但沿過軸線某一平面具有對稱結構，故須建立1/2靜環組件三維有限元模型。正常靜環組件有限元模型與其相似，但不具有偏心。

2.2 材料參數

靜環的材料是石墨，靜環座的材料是S30408不銹鋼。石墨、S30408不銹鋼材料各項物理參數如表1所示。

表1 材料物理參數

2.3 接觸設置

靜環和靜環座之間為過盈配合聯接，過盈配合的過盈量是基于幾何尺寸的概念，ANSYS Workbench設置過盈量有兩種方式：

(1)幾何尺寸過盈，即在建模過程中考慮實際過盈量；

(2)施加過盈偏移量，即在有限元模型接觸方式中設置偏移量，不考慮建模過盈量[11-13]。

筆者采用方式(2)建立靜環和靜環座之間的過盈配合聯接，在ANSYS Workbench中選擇非對稱接觸方式，因靜環為石墨，剛度小，選擇靜環外側配合面為接觸表面，靜環座內側配合面為目標表面，接觸公式選擇增強拉格朗日方法，過盈量設為0.123 mm。

2.4 邊界條件及求解設置

靜環座底部設為軸向位移約束，打開大變形。求解分為兩個載荷步：(1)初始過盈配合的計算，設為100 s；(2)長期貯存靜環組件的蠕變變形計算，時間設為貯存年限。

2.5 模擬結果分析

在ANSYS Workbench軟件中，輸入貯存時間0年、1年、3年、5年，分析正常和不同偏心的靜環組件的蠕變變形規律；在靜環組件端面上設置路徑，分析端面周向和徑向變形規律。

路徑如圖2所示。

圖2 靜環組件端面路徑示意圖

圖2中，Path1、Path2、Path3為周向路徑，Path4、Path5、Path6為徑向路徑。

經比較發現：Path1、Path2、Path3 3條路徑顯示的周向變形趨勢一致，選擇Path3分析靜環組件周向變形隨時間變化規律；Path4、Path5、Path6 3條路徑顯示的徑向變形趨勢也一致，選擇Path4分析靜環組件徑向變形規律。

隨自然貯存時間的增加，正常和偏心缺陷的靜環組件的端面周向變形的變化規律，如圖3所示。

圖3 不同靜環組件端面周向變形

正常和偏心缺陷的靜環組件徑向變形的變化規律，如圖4所示。

圖4 不同靜環組件端面徑向變形

由圖(3，4)可知，隨著自然貯存時間的增加，靜環組件的蠕變不斷累積，導致端面變形增加。

(1)在周向方向，正常靜環組件端面呈現出馬鞍型變形，并不斷增大。而存在偏心缺陷的靜環組件端面變形也是馬鞍型，由向上凸起變為向下凹陷，峰谷差值大于正常靜環組件。所有靜環組件峰谷差值有所增加，但增速放緩；

(2)在徑向方向，各種靜環組件徑向變形為斜線型，且隨著貯存時間的增加，斜率進一步增大，但增速放緩。

3 溫度循環加速過程有限元分析

3.1 前處理設置

溫度循環應力會導致金屬材料隨時間的累積發生變形，因此，在ANSYS Workbench溫度循環分析中，需要添加材料的本構模型。金屬材料經常采用的本構模型是Anand模型，即一種粘塑性模型。當材料的溫度(絕對溫度)高于本身熔點的一半時，就必須考慮粘塑性行為。這種材料行為和蠕變類似，但比蠕變復雜[14]。

而304不銹鋼溫度循環加速過程數值分析的最高溫度遠低于S30408不銹鋼熔點(1 398 ℃ ～1 454 ℃)的一半，因此，此時Anand模型不再適用，研究人員須采用上述蠕變方程，來分析溫度循環應力載荷下S30408不銹鋼材料的熱變形[15-17]。

模擬溫度循環加速過程，需要考慮整個時間歷程的熱應力對靜環組件的影響，須選擇ANSYS workbench瞬態動力學模塊進行熱-結構直接耦合分析；要在瞬態動力學模塊實現熱-結構直接耦合分析，需要插入命令流，修改實體單元和為耦合單元，選用solid226單元，設置接觸單元包含位移和溫度自由度，設置求解算法。設置載荷步，分別求解初始過盈配合狀態、溫度循環熱應力。瞬態分析需要設置合適的載荷子步，否則得不到收斂解。

為使求解更加精確，筆者輸入隨溫度變化的S30408不銹鋼的彈性模量，如表2所示。

表2 S30408不銹鋼的彈性模量

隨溫度變化的S30408不銹鋼的線膨脹系數，如表3所示。

表3 S30408不銹鋼的線膨脹系數

參考GB/T 2423.22-2012《環境試驗 第2部分：試驗方法 試驗N：溫度變化》標準，筆者選擇溫度循環區間為-20 ℃～60 ℃、-40 ℃～80 ℃、-60 ℃～100 ℃，高低溫暴露持續時間為0.5 h，溫度變化速率為1 ℃/min,循環次數2次。

3.2 模擬結果分析

正常和偏心缺陷的靜環組件端面周向變形，隨溫度循環區間的變化規律，如圖5所示。

正常和偏心缺陷的靜環組件端面徑向變形，隨溫度循環區間的變化規律，如圖6所示。

圖5 不同靜環組件端面周向變形

圖6 不同靜環組件端面徑向變形

由圖(5，6)可知，隨著溫度循環區間跨度的增加，加速靜環組件的蠕變效果更加明顯。

(1)在周向上，正常靜環組件端面呈現出馬鞍型，向下凹陷，且不斷增大。存在偏心的靜環組件端面馬鞍型由向上凸起變為向下凹陷，也是不斷增大。所有靜環組件峰谷差值有所增加，且比自然貯存的差值大，但仍然是增速放緩；

(2)在徑向上，所有靜環組件端面仍然是斜線型，且隨著溫度循環區間跨度的增加，斜率進一步增大，但增速放緩。

4 結束語

為研究存在缺陷的密封環對機械密封端面變形的影響，探究溫度循環加速方法加速端面變形的效果，筆者針對某一鑲裝式機械密封靜環組件，分別建立了正常和存在偏心缺陷的靜環組件有限元模型，通過對自然貯存過程、溫度循環加速過程進行了有限元分析，結果表明：

(1)各種靜環組件沿周向呈現出馬鞍型，沿徑向呈現出斜線型，且內高外低；

(2)存在偏心缺陷的靜環組件端面馬鞍型變形比正常的明顯，即峰谷差值大于正常靜環組件；

(3)隨著偏心的增加，靜環組件的端面變形有所增加，但峰谷差值變化不大；

(4)溫度循環加速過程中，靜環組件端面變形有所增加，且比自然貯存的變形要大，說明溫度循環加速方法加速效果較好；

上述結論可為機械密封貯存變形的試驗研究提供參考。