配合面公差對機械密封環(huán)密封性能的影響

安曉衛(wèi)，李 衡，徐萬孚

(沈陽理工大學 機械工程學院,沈陽 110159)

配合面公差對機械密封環(huán)密封性能的影響

安曉衛(wèi)，李 衡，徐萬孚

(沈陽理工大學 機械工程學院,沈陽 110159)

某鑲裝式機械密封裝置在常溫、非工作狀態(tài)下貯存一段時間后，部分產(chǎn)品出現(xiàn)密封失效。針對此問題，采用有限元法，計算分析裝配后密封環(huán)上的位移分布情況，研究密封環(huán)配合面上尺寸公差和形位公差對裝配后密封環(huán)密封性能的影響。結(jié)果表明，配合面上的尺寸和形位公差，均會引起配合面產(chǎn)生不同程度的變形，從而影響機械密封裝置的密封性能。

機械密封；有限元法；尺寸公差；形位公差；變形

機械密封有著工作可靠、泄漏量少、使用壽命長、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點，在石油化工企業(yè)中廣泛應(yīng)用。端面密封副是決定機械密封摩擦、磨損和密封性能的關(guān)鍵，同時也決定機械密封的壽命。據(jù)統(tǒng)計，機械密封約有80%～95%的泄漏是由于密封副失效造成[1]。

在引起機械密封失效的原因中，主要原因有兩個：機械力和熱。文獻[2]采用有限元法對機械密封的熱變形進行了分析，發(fā)現(xiàn)熱變形使原本平直的密封端面沿徑向產(chǎn)生變形。文獻[3]采用有限元法計算了高壓離心壓縮機活動軸封的力變形，發(fā)現(xiàn)力變形主要由介質(zhì)壓差引起，且壓力越高，壓差引起力變形對密封性能的影響越明顯，最終導(dǎo)致密封性能降低。文獻[4]采用有限元法與邊界元法相結(jié)合，分析計算了204型小彈簧平衡型大直徑釜用接觸式機械密封的變形，發(fā)現(xiàn)靜環(huán)的軸向變形主要由壓力載荷引起，動環(huán)端面的軸向變形主要由溫升引起。文獻[5-7]將動靜環(huán)合為一體，建立了密封環(huán)的軸對稱模型，在密封端面上采用只能受壓力不能承受拉力的虛擬桿元聯(lián)系動環(huán)與靜環(huán)，運用有限元法計算了不同結(jié)構(gòu)形式密封環(huán)的力變形與熱變形，從結(jié)構(gòu)改進角度為提高密封環(huán)的密封性能提供了參考依據(jù)。文獻[8]對內(nèi)置式機械密封環(huán)的變形進行了分析計算，指出影響機械密封性能的設(shè)計因素，提出從設(shè)計角度改進并提高機械密封性能的方法。文獻[9]提出采用石墨環(huán)與環(huán)座過盈裝配構(gòu)成的鑲裝式結(jié)構(gòu)，同時在密封環(huán)后部與底座之間加裝剛性支撐，改變了密封環(huán)安裝方式，以彌補整體石墨環(huán)彈性模量小，強度低，在工作壓力條件下密封端面會產(chǎn)生變形的缺點。文獻[10-11]認為鑲裝式密封環(huán)的過盈量過大導(dǎo)致環(huán)座產(chǎn)生變形或石墨環(huán)碎裂；過小導(dǎo)致石墨環(huán)與環(huán)座之間產(chǎn)生相對滑動，密封環(huán)起不到密封效果。文獻[12]通過對環(huán)座與環(huán)體結(jié)構(gòu)的重新設(shè)計，使整個密封環(huán)在斷面上的中心與等效配合接觸壓力作用點重合，解決了鑲裝式密封環(huán)材料線膨脹系數(shù)不同導(dǎo)致的熱變形問題?？傮w來看，對于機械密封的變形分析大多集中于投入生產(chǎn)之后的工作過程，并沒有涉及到機械密封裝置加工完之后在存儲過程中產(chǎn)生的變形對密封性能影響；同時，密封環(huán)的公差配合將如何影響密封性能尚未見過研究。

某鑲裝式機械密封裝置，在加工裝配完畢之初，動環(huán)組件經(jīng)檢測為合格狀態(tài)，但在常溫、非工作狀態(tài)下存儲一段時間后，再次進行檢測時，發(fā)現(xiàn)部分動環(huán)組件出現(xiàn)泄露，導(dǎo)致密封環(huán)無法正常使用。為此，本文采用有限元法，分析裝配接觸面上幾何公差與圓柱度公差分布狀態(tài)所引起的變形對機械密封環(huán)密封性能的影響。

1 理想過盈動環(huán)組件的分析

動環(huán)組件由石墨環(huán)與動環(huán)座組成，二者之間采用過盈連接裝配在一起。其結(jié)構(gòu)尺寸見圖1，各尺寸值列于表1。

圖1 動環(huán)組件結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 動環(huán)組件有限元模型表1 動環(huán)組件各部分的尺寸參數(shù)

R1R2R3R4R5R6L1L2L35985535660564+00175+071510120564+0083+0072

根據(jù)機械密封環(huán)的結(jié)構(gòu)特點，采用軸對稱單元模擬密封環(huán)動環(huán)組件，用柔體-柔體接觸單元模擬動環(huán)座與石墨環(huán)之間的過盈接觸。動環(huán)組件各部分的材料參數(shù)列于表2。動環(huán)組件的有限元模型如圖2所示。因動環(huán)組件為過盈配合，對應(yīng)有最大和最小過盈兩種理想狀態(tài)，故首先分別按最大和最小過盈配合對其進行有限元分析計算。

表2 動環(huán)組件的材料參數(shù) MPa

對于最大過盈配合狀態(tài)，石墨環(huán)與動環(huán)座的徑向位移云圖分別如圖3a、3b所示。圖4為石墨環(huán)與動環(huán)座在配合面上各對應(yīng)節(jié)點的徑向位移差值曲線，其中橫坐標表示動環(huán)組件配合面上各節(jié)點的軸向坐標值；縱坐標表示變形后，石墨環(huán)與動環(huán)座在配合面上相同軸向位置節(jié)點的徑向坐標之差。當其值小于等于零時，表示配合面處于貼合狀態(tài)；當其值大于零時，表示石墨環(huán)與動環(huán)座在配合面上出現(xiàn)間隙。由計算結(jié)果可見，此時動環(huán)組件在配合面上各節(jié)點徑向坐標之差均小于零，說明配合面上石墨環(huán)與動環(huán)座在軸向配合面上保持貼合狀態(tài)，沒有間隙。

圖3 最大過盈狀態(tài)下石墨環(huán)與動環(huán)座徑向位移云圖

圖4 最大過盈狀態(tài)配合面上位移差值曲線

圖5表示石墨環(huán)密封端面上的軸向位移曲線，橫坐標表示石墨環(huán)密封端面各節(jié)點徑向坐標值，縱坐標表示密封端面各節(jié)點的軸向位移值?？梢钥闯?，整個密封端面上的變形沿徑向呈斜坡狀分布，內(nèi)高外低，最大高度差為1.079μm。

圖5 最大過盈狀態(tài)密封端面軸向位移曲線

圖6 最小過盈狀態(tài)配合面上位移差值曲線

圖7 最小過盈狀態(tài)密封端面軸向位移曲線

同理，對于最小過盈狀態(tài)，石墨環(huán)與動環(huán)座在軸向配合面上的徑向位移差值曲線如圖6所示。整個配合面上的位移差值同樣均小于零，說明配合面上動環(huán)組件在軸向配合面上保持貼合狀態(tài)，無間隙。

石墨環(huán)密封端面上的軸向位移曲線如圖7所示。整個密封端面變形分布與最大過盈狀態(tài)類似，沿徑向內(nèi)高外低，最大高度差為0.851μm。

2 尺寸公差對密封影響分析

由于制造水平與加工精度等原因，石墨環(huán)與動環(huán)座在配合面上的尺寸均隨機分布在各自極限尺寸范圍內(nèi)，這就使得動環(huán)組件在配合面上的變形結(jié)果與上述理想最大或最小過盈狀態(tài)存在差異。為此，以動環(huán)組件在配合面上的四種極限尺寸狀態(tài)(如圖8所示)為例，分析尺寸公差分布狀態(tài)對動環(huán)組件密封性能的影響。

對于工況1，動環(huán)組件軸向配合面上各節(jié)點徑向位移差值曲線如圖9a所示。橫縱坐標含義如之前所述，圖9a中水平虛線表示配合面上各節(jié)點徑向位移差值等于零。由結(jié)構(gòu)尺寸知，配合面的軸向長度5mm，從配合面下端向上2.2mm處開始，石墨環(huán)與動環(huán)座之間出現(xiàn)間隙，并且逐漸增大，最大值為1.8×10-4mm，產(chǎn)生間隙的軸向配合面長度占整個配合面長度的56%。石墨環(huán)密封端面的變形曲線如圖9b所示，因石墨環(huán)與動環(huán)座之間裝配的相互擠壓，導(dǎo)致其端面軸向位移內(nèi)外高度差值達7.31μm。

圖8 動環(huán)組件的四種極限配合狀態(tài)

對于工況2，動環(huán)組件配合面上各節(jié)點徑向位移差值曲線如圖10a所示。通過曲線得知，僅在配合面頂端約0.55mm范圍內(nèi)位移差值為負值，而其余的位移差值均為正值，說明配合面有間隙，最大值為1.5×10-2mm，間隙的軸向長度占整個配合長度的87%。石墨環(huán)密封端面上的變形曲線如圖10b所示，因動環(huán)組件的相互擠壓導(dǎo)致石墨環(huán)端面的內(nèi)外高度差為4.74μm。

對于工況3，配合面上各節(jié)點徑向位移差值曲線如圖11a所示。由曲線得知，在配合面下端向上2.3mm處開始，石墨環(huán)與動環(huán)座之間開始出現(xiàn)間隙，最大值為0.5×10-4mm，產(chǎn)生間隙的軸向配合面長度占整個配合長度的54%。石墨環(huán)密封端面上的變形曲線如圖11b所示，因石墨環(huán)與動環(huán)座之間裝配的相互擠壓，導(dǎo)致石墨環(huán)端面的內(nèi)外高度差為3.513μm。

對于工況4，配合面上各節(jié)點徑向位移差值曲線如圖12a所示。通過曲線得知，在配合面頂端3mm范圍內(nèi)位移差值為負，其余部分的位移差值均為正，產(chǎn)生間隙的軸向配合面長度占整個軸向配合長度的40%。石墨環(huán)密封端面上的變形曲線如圖12b所示，密封端面內(nèi)外高度差為1.344μm。

圖9 工況1軸向配合面位移差值曲線及密封端面變 形曲線

圖10 工況2軸向配合面位移差值曲線及密封端面 變形曲線

圖11 工況3軸向配合面位移差值曲線及密封端面 變形曲線

圖12 工況4軸向配合面位移差值曲線及密封端面 變形曲線

通過以上分析可知，配合面上的尺寸公差分布在不同程度上影響動環(huán)組件的軸向密封性能，尤其以工況2影響最為明顯。同時由于石墨環(huán)與動環(huán)座在裝配后的相互擠壓，導(dǎo)致石墨環(huán)密封端面上產(chǎn)生不均勻的軸向位移，沿徑向出現(xiàn)內(nèi)外位移差，最終影響密封端面的貼合，這以工況1影響最大。對比工況3、4在配合面上的尺寸分布狀態(tài)及分析結(jié)果，該兩種工況對動環(huán)組件的軸向密封性能及石墨環(huán)端面密封性能均有較大程度影響。

3 形位公差對密封影響分析

以上是在動環(huán)結(jié)構(gòu)的子午面上研究了尺寸公差分布狀態(tài)對動環(huán)組件密封性能的影響，但動環(huán)組件在過盈配合圓柱面上還存在圓柱度環(huán)向不均勻誤差的影響。因此，還要研究圓柱度對動環(huán)組件的密封影響。

按照公差標準，動環(huán)座與石墨環(huán)配合面上的圓柱度公差值分別為0.012mm，0.008mm。因配合圓柱面上，某一橫截面的尺寸可以是各自公差范圍內(nèi)的任一值，故采取石墨環(huán)與動環(huán)座在配合面上均為橢圓輪廓來模擬配合面上的圓柱度分布狀態(tài)，圖13為動環(huán)組件配合部分橫截面尺寸狀態(tài)示意圖。表3為石墨環(huán)與動環(huán)座配合面部分的尺寸值。根據(jù)動環(huán)組件結(jié)構(gòu)對稱性，取四分之一模型離散化，采用20節(jié)點六面體單元模擬動環(huán)組件，用柔體-柔體接觸單元模擬動環(huán)座與石墨環(huán)之間的過盈接觸。圖14為動環(huán)組件的有限元模型。

表3 動環(huán)組件在配合面上的尺寸狀態(tài) mm

圖13 動環(huán)組件在配合面上圓柱度公差示意圖

圖14 動環(huán)組件的三維有限元模型

圖15 圓柱度公差對動環(huán)組件密封性能影響

圖15a為配合面上石墨環(huán)與動環(huán)座最小間隙沿環(huán)向變化曲線。橫坐標表示配合面環(huán)向角度位置，縱坐標表示配合面上相同環(huán)向位置石墨環(huán)與動環(huán)座的節(jié)點徑向坐標之差，圖15a中水平虛線表示差值為零。差值小于等于零表示石墨環(huán)與動環(huán)座處于貼合狀態(tài)，無間隙產(chǎn)生；差值大于零表示石墨環(huán)與動環(huán)座之間出現(xiàn)間隙。由計算結(jié)果知，沿密封環(huán)的環(huán)向25°范圍內(nèi)，位移差值為正值，其最大值為0.3×10-4mm，說明在該角度范圍內(nèi)配合面上石墨環(huán)與動環(huán)座之間有間隙。

圖15b中橫坐標表示環(huán)向角度，縱坐標表示配合面上軸向間隙長度占整個軸向長度的比例。由圖15b可以看出，在密封環(huán)的環(huán)向25°范圍內(nèi)，軸向間隙長度所占比例在0%～16%之間。

圖15c表示沿環(huán)向方向，石墨環(huán)密封端面內(nèi)徑處各節(jié)點的軸向位移曲線。由圖15c可知，變形值在接近0°位置處為最大值0.148mm，石墨環(huán)密封端面的平整度受到嚴重影響，導(dǎo)致密封環(huán)的端面密封性能降低。

4 改進措施及效果

由前面的分析可知，因動環(huán)組件配合面上存在尺寸公差與圓柱度公差分布不均，在裝配后石墨環(huán)與動環(huán)座產(chǎn)生的變形會導(dǎo)致機械密封的密封性能降低。若提高公差等級，減小配合表面極限尺寸偏差軸向分布不均與圓柱度環(huán)向分布不均，將會對機械密封的密封性能產(chǎn)生何種影響，為此進行分析研究。

圖16 尺寸公差影響改進分析結(jié)果

由計算結(jié)果可知，配合面的最大間隙數(shù)值由之前的1.5×10-2mm 減小為0.5×10-4mm，間隙數(shù)值減少了99.5%；產(chǎn)生軸向間隙的配合面長度由之前的87%減小至52%，減小了35%。

圖17 圓柱度公差影響改進分析結(jié)果

由計算結(jié)果可知，動環(huán)組件在整個配合面上的位移均為負值，整個配合面上無間隙產(chǎn)生。

由以上分析可見，公差等級提高后，動環(huán)組件因尺寸公差與圓柱度公差帶來的變形影響大幅減小，整體密封性能得到提高。

5 結(jié)論

(1)經(jīng)計算分析可知，理想過盈狀態(tài)下的動環(huán)組件在過盈裝配的配合面上不會產(chǎn)生間隙，動環(huán)組件不會出現(xiàn)密封失效的情況。

(2)由于加工制造誤差等原因，造成動環(huán)組件在配合面上的尺寸沿軸向出現(xiàn)分布不均的情況，使得裝配之后動環(huán)組件在軸向配合面上出現(xiàn)大小不等的間隙。極端情況下動環(huán)組件有可能出現(xiàn)密封失效。

(3)公差等級提高后，動環(huán)組件的整體密封性

能有所提高，間隙長度最大的工況2在改進后間隙長度減小了35%。由此可見，在設(shè)計機械密封裝置時，應(yīng)綜合考慮，合理選取過盈配合公差等級，從而得到最佳的密封效果。

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(責任編輯：馬金發(fā))

The Influence ofthe Tolerance in Fitting Surface on Sealing Property of Mechanical Seal Ring

AN Xiaowei，LI Heng，XU Wanfu

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

Several products of the mosaic-type mechanical seal device fail in seal in normal temperature,non-work state after storage for a period of time.Aiming at this problem,the Finite Element Method is adopted to calculate and analyze the displacement distributionof the sealing ring after assembly and to investigate the influence of the dimensional and shape tolerance in fitting surface on sealing performance.The results show that the dimensional and shape tolerance in fitting surfacecan produce different degree of deformation,which affects the sealing performance of mechanical seal device.

mechanical seal;finite element method;dimensional tolerance;shape tolerance;deformation

2015-11-02

安曉衛(wèi)(1956—)，男，教授，研究方向：振動理論、有限元分析，現(xiàn)代設(shè)計方法。

1003-1251(2016)06-0092-07

TB42

A