鑲裝式機(jī)械密封端面變形加速方法的數(shù)值研究*

張志慧，馬潤梅，李雙喜，馮瑞鵬，付光衛(wèi)

(北京化工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029)

0 引 言

因節(jié)約貴重金屬材料，簡化制造工藝，鑲裝式機(jī)械密封被廣泛應(yīng)用于各種密封場(chǎng)合。鑲裝式機(jī)械密封的動(dòng)環(huán)或靜環(huán)采用石墨、碳化鎢和氧化鋁等材料做密封環(huán)，采用金屬(碳鋼、不銹鋼、鈦等)做密封環(huán)座，依靠環(huán)和環(huán)座線膨脹系數(shù)不同，采用過盈聯(lián)接裝配，配合后接觸面上將產(chǎn)生互相壓緊的裝配應(yīng)力，形成緊固的靜配合。當(dāng)聯(lián)接承受軸向力或轉(zhuǎn)矩時(shí)，配合面上便產(chǎn)生摩擦阻力或摩擦阻力矩以傳遞外載荷[1]。

某些鑲裝式機(jī)械密封長期處于貯存狀態(tài)，在此過程中，密封常出現(xiàn)隨貯存時(shí)間增長而泄漏異常的狀況，可能帶來嚴(yán)重的安全隱患[2]。鑲裝式機(jī)械密封靜環(huán)組件端面沿圓周方向會(huì)出現(xiàn)馬鞍形變形，徑向?yàn)閮?nèi)高外低。靜環(huán)組件的變形將引起較大的介質(zhì)泄漏率，還會(huì)影響密封的動(dòng)力學(xué)性能，會(huì)給設(shè)備安全使用造成隱患，嚴(yán)重制約機(jī)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(píng)估面臨著一個(gè)長壽命高可靠試樣的評(píng)估課題。如果按照傳統(tǒng)的壽命試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行評(píng)估，則往往難于在可行的時(shí)間內(nèi)完成。因此，加速試驗(yàn)的研究在可靠性試驗(yàn)工程領(lǐng)域受到了廣泛重視[6-7]。而加速試驗(yàn)加速應(yīng)力一般分為溫度應(yīng)力(低溫、高溫)、溫度循環(huán)、隨機(jī)振動(dòng)、溫度和振動(dòng)綜合應(yīng)力[8]。

傳統(tǒng)方法研究機(jī)械密封的端面變形，大部分選擇的是自然貯存狀態(tài)下正常的密封環(huán)，對(duì)于存在缺陷的密封環(huán)研究較少。

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

1 鑲裝式機(jī)械密封結(jié)構(gòu)及偏心缺陷

鑲裝式機(jī)械密封由動(dòng)環(huán)座、動(dòng)環(huán)、靜環(huán)、靜環(huán)座、彈簧和殼體等組成，如圖1所示。

圖1 鑲裝式機(jī)械密封結(jié)構(gòu)示意圖

圖1中，靜環(huán)材料為石墨，靜環(huán)座材料為S30408不銹鋼，靜環(huán)和靜環(huán)座通過過盈配合聯(lián)接，共同組成靜環(huán)組件。

靜環(huán)組件可能存在的缺陷有：靜環(huán)底面和靜環(huán)座出現(xiàn)空隙、過盈量不同、靜環(huán)內(nèi)外圓偏心、靜環(huán)材質(zhì)不均等。

因偏心缺陷易于實(shí)現(xiàn)，可建立該缺陷模型，進(jìn)行有限元分析。其中，靜環(huán)組件的偏心缺陷是以外徑為基準(zhǔn)，內(nèi)徑軸線沿徑向偏移一定距離，偏心設(shè)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(jī)械密封裝配完成后，經(jīng)過長期自然貯存后，靜環(huán)端面易發(fā)生變形現(xiàn)象。李瑩等人[9]認(rèn)為端面變形是由靜環(huán)座的室溫蠕變?cè)斐傻?。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(yīng)變；σ—應(yīng)力；t—時(shí)間；A—與溫度相關(guān)的材料常數(shù)；n—Norton應(yīng)力指數(shù)；m—小于1的常數(shù)。

目前關(guān)于S30408不銹鋼室溫蠕變方程參數(shù)擬合的文獻(xiàn)較少，筆者采用與其相近的材料擬合參數(shù)。韓寧寧[10]根據(jù)316L不銹鋼室溫拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)，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(shù)值模型

在整個(gè)周向上，具有偏心缺陷的靜環(huán)不具有軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，但沿過軸線某一平面具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故須建立1/2靜環(huán)組件三維有限元模型。正常靜環(huán)組件有限元模型與其相似，但不具有偏心。

2.2 材料參數(shù)

靜環(huán)的材料是石墨，靜環(huán)座的材料是S30408不銹鋼。石墨、S30408不銹鋼材料各項(xiàng)物理參數(shù)如表1所示。

表1 材料物理參數(shù)

2.3 接觸設(shè)置

靜環(huán)和靜環(huán)座之間為過盈配合聯(lián)接，過盈配合的過盈量是基于幾何尺寸的概念，ANSYS Workbench設(shè)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(shí)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(shè)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(huán)和靜環(huán)座之間的過盈配合聯(lián)接，在ANSYS Workbench中選擇非對(duì)稱接觸方式，因靜環(huán)為石墨，剛度小，選擇靜環(huán)外側(cè)配合面為接觸表面，靜環(huán)座內(nèi)側(cè)配合面為目標(biāo)表面，接觸公式選擇增強(qiáng)拉格朗日方法，過盈量設(shè)為0.123 mm。

2.4 邊界條件及求解設(shè)置

靜環(huán)座底部設(shè)為軸向位移約束，打開大變形。求解分為兩個(gè)載荷步：(1)初始過盈配合的計(jì)算，設(shè)為100 s；(2)長期貯存靜環(huán)組件的蠕變變形計(jì)算，時(shí)間設(shè)為貯存年限。

2.5 模擬結(jié)果分析

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

路徑如圖2所示。

圖2 靜環(huán)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(jīng)比較發(fā)現(xiàn)：Path1、Path2、Path3 3條路徑顯示的周向變形趨勢(shì)一致，選擇Path3分析靜環(huán)組件周向變形隨時(shí)間變化規(guī)律；Path4、Path5、Path6 3條路徑顯示的徑向變形趨勢(shì)也一致，選擇Path4分析靜環(huán)組件徑向變形規(guī)律。

隨自然貯存時(shí)間的增加，正常和偏心缺陷的靜環(huán)組件的端面周向變形的變化規(guī)律，如圖3所示。

圖3 不同靜環(huán)組件端面周向變形

正常和偏心缺陷的靜環(huán)組件徑向變形的變化規(guī)律，如圖4所示。

圖4 不同靜環(huán)組件端面徑向變形

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

(1)在周向方向，正常靜環(huán)組件端面呈現(xiàn)出馬鞍型變形，并不斷增大。而存在偏心缺陷的靜環(huán)組件端面變形也是馬鞍型，由向上凸起變?yōu)橄蛳掳枷荩骞炔钪荡笥谡ｌo環(huán)組件。所有靜環(huán)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(huán)組件徑向變形為斜線型，且隨著貯存時(shí)間的增加，斜率進(jìn)一步增大，但增速放緩。

3 溫度循環(huán)加速過程有限元分析

3.1 前處理設(shè)置

溫度循環(huán)應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致金屬材料隨時(shí)間的累積發(fā)生變形，因此，在ANSYS Workbench溫度循環(huán)分析中，需要添加材料的本構(gòu)模型。金屬材料經(jīng)常采用的本構(gòu)模型是Anand模型，即一種粘塑性模型。當(dāng)材料的溫度(絕對(duì)溫度)高于本身熔點(diǎn)的一半時(shí)，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(fù)雜[14]。

而304不銹鋼溫度循環(huán)加速過程數(shù)值分析的最高溫度遠(yuǎn)低于S30408不銹鋼熔點(diǎn)(1 398 ℃ ～1 454 ℃)的一半，因此，此時(shí)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(huán)應(yīng)力載荷下S30408不銹鋼材料的熱變形[15-17]。

模擬溫度循環(huán)加速過程，需要考慮整個(gè)時(shí)間歷程的熱應(yīng)力對(duì)靜環(huán)組件的影響，須選擇ANSYS workbench瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)模塊進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)直接耦合分析；要在瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)模塊實(shí)現(xiàn)熱-結(jié)構(gòu)直接耦合分析，需要插入命令流，修改實(shí)體單元和為耦合單元，選用solid226單元，設(shè)置接觸單元包含位移和溫度自由度，設(shè)置求解算法。設(shè)置載荷步，分別求解初始過盈配合狀態(tài)、溫度循環(huán)熱應(yīng)力。瞬態(tài)分析需要設(shè)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(shù)，如表3所示。

表3 S30408不銹鋼的線膨脹系數(shù)

參考GB/T 2423.22-2012《環(huán)境試驗(yàn) 第2部分：試驗(yàn)方法 試驗(yàn)N：溫度變化》標(biāo)準(zhǔn)，筆者選擇溫度循環(huán)區(qū)間為-20 ℃～60 ℃、-40 ℃～80 ℃、-60 ℃～100 ℃，高低溫暴露持續(xù)時(shí)間為0.5 h，溫度變化速率為1 ℃/min,循環(huán)次數(shù)2次。

3.2 模擬結(jié)果分析

正常和偏心缺陷的靜環(huán)組件端面周向變形，隨溫度循環(huán)區(qū)間的變化規(guī)律，如圖5所示。

正常和偏心缺陷的靜環(huán)組件端面徑向變形，隨溫度循環(huán)區(qū)間的變化規(guī)律，如圖6所示。

圖5 不同靜環(huán)組件端面周向變形

圖6 不同靜環(huán)組件端面徑向變形

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

(1)在周向上，正常靜環(huán)組件端面呈現(xiàn)出馬鞍型，向下凹陷，且不斷增大。存在偏心的靜環(huán)組件端面馬鞍型由向上凸起變?yōu)橄蛳掳枷?，也是不斷增大。所有靜環(huán)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(huán)組件端面仍然是斜線型，且隨著溫度循環(huán)區(qū)間跨度的增加，斜率進(jìn)一步增大，但增速放緩。

4 結(jié)束語

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

(1)各種靜環(huán)組件沿周向呈現(xiàn)出馬鞍型，沿徑向呈現(xiàn)出斜線型，且內(nèi)高外低；

(2)存在偏心缺陷的靜環(huán)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(huán)組件；

(3)隨著偏心的增加，靜環(huán)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(huán)加速過程中，靜環(huán)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(huán)加速方法加速效果較好；

上述結(jié)論可為機(jī)械密封貯存變形的試驗(yàn)研究提供參考。