渣漿泵雙端面機(jī)械密封密封環(huán)熱力耦合分析*

殷潤(rùn)生 穆塔里夫·阿赫邁德 耿 軍

(新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 新疆烏魯木齊 830047)

渣漿泵多用于輸送固液混合漿體，固液兩相流體中的硬質(zhì)顆粒會(huì)對(duì)渣漿泵關(guān)鍵零部件機(jī)械密封造成損傷，從而導(dǎo)致機(jī)械密封失效，使用壽命縮短。據(jù)調(diào)研，當(dāng)渣漿泵的揚(yáng)程大于40 m，轉(zhuǎn)速大于1 000 r/min時(shí)，機(jī)械密封使用壽命低于半年[1]。同時(shí)，機(jī)械密封價(jià)格昂貴，占泵成本20%左右，頻繁檢修與更換機(jī)械密封，不僅造成額外的維護(hù)成本，而且會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染[2-3]。以某磷酸廠為例，40%的渣漿泵失效源于機(jī)械密封失效，機(jī)械密封失效中又有40%的失效源于端面失效。該廠機(jī)械密封使用壽命為2 000 h，而GB/T 33509—2017規(guī)定使用壽命不少于4 000 h[4]。因此研究渣漿泵機(jī)械密封端面失效機(jī)制從而有效延長(zhǎng)其使用壽命，對(duì)于提升生產(chǎn)效率，提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

關(guān)于渣漿泵雙端面機(jī)械密封，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行了相關(guān)研究。胡昌良[5]對(duì)氧化鋁兩相流渣漿泵進(jìn)行了改造，將填料密封改為機(jī)械密封，并為此設(shè)計(jì)了一套機(jī)械密封ZJ75。鄒強(qiáng)[6]以乳液混合器雙端面機(jī)械密封為對(duì)象，研究了沖洗對(duì)密封熱特性及熱力變形特性的影響規(guī)律。于蒙蒙等[7]以外圓弧槽機(jī)械密封為研究對(duì)象，分析密封環(huán)在熱-力耦合作用下，工況參數(shù)、端面槽區(qū)的尺寸參數(shù)對(duì)密封環(huán)端面溫度、變形的影響。樊智敏等[8]以深海推進(jìn)器等水下設(shè)備用機(jī)械密封為對(duì)象,研究了深海變工況下機(jī)械密封動(dòng)、靜環(huán)端面熱-力耦合變形情況。劉進(jìn)祥等[9]采用結(jié)構(gòu)-熱多場(chǎng)耦合分析方法,分析金屬波紋管在不同溫差工況下的變形場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和疲勞壽命變化規(guī)律。BAILLS[10]用2個(gè)實(shí)際案例對(duì)比了雙端面機(jī)械密封在渣漿泵中對(duì)填料密封的優(yōu)勢(shì)。目前國(guó)內(nèi)針對(duì)礦山環(huán)境下渣漿泵機(jī)械密封端面變形的研究較少。

本文作者針對(duì)磷酸廠渣漿泵機(jī)械密封因端面變形而導(dǎo)致的使用壽命縮短問題，以渣漿泵背對(duì)背型雙端面機(jī)械密封摩擦副密封環(huán)為研究對(duì)象，采用整體法，根據(jù)實(shí)際工況，建立了摩擦副密封環(huán)熱力耦合三維計(jì)算模型，得到了密封環(huán)溫度場(chǎng)分布及端面變形情況，分析了不同工況下密封環(huán)熱力變形對(duì)機(jī)械密封正常工作的影響。

1 摩擦副密封環(huán)數(shù)字化建模

某渣漿泵雙端面機(jī)械密封采用鑲嵌式摩擦副密封環(huán)，尺寸見表1。建模時(shí)，為防止結(jié)果出現(xiàn)應(yīng)力奇異，將摩擦副端面倒角改為倒圓角，三維模型見圖1。密封件材料參數(shù)見表2。

表1 摩擦副密封環(huán)尺寸

表2 密封件材料參數(shù)

進(jìn)行仿真前，為減少計(jì)算量同時(shí)保證精度，需進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。

從圖2可知，網(wǎng)格超過152 519后，應(yīng)力值保持不變。此外因端面邊緣倒圓角，還應(yīng)觀察邊緣是否出現(xiàn)最大區(qū)域超過2層網(wǎng)格的赫茲應(yīng)力。

從圖3可知，網(wǎng)格數(shù)達(dá)到187 134時(shí)，滿足前述條件。

2 熱力耦合分析

2.1 密封環(huán)熱力耦合分析基本假設(shè)

機(jī)械密封實(shí)際工況十分復(fù)雜，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，作出如下假設(shè)：

(1)密封環(huán)結(jié)構(gòu)、溫度場(chǎng)、加載的邊界條件均為軸對(duì)稱；

(2)密封環(huán)材料和密封介質(zhì)、沖洗液的性質(zhì)不隨溫度變化，密封介質(zhì)以及沖洗液的溫度是恒定的；

(3)由于接觸式機(jī)械密封泄漏量較小，可以忽略泄漏所帶走的熱量；

(4)假設(shè)摩擦所產(chǎn)生熱量全部在密封環(huán)之間傳遞，忽略攪拌和熱輻射所產(chǎn)生的熱量損失，與空氣側(cè)接觸邊緣視為絕熱；

(5)密封環(huán)在工作時(shí)，假定密封環(huán)端面平行，不考慮熱力變形對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響。

2.2 熱力學(xué)參數(shù)計(jì)算

在密封狀態(tài)下，可將摩擦熱作為熱源，摩擦熱由端面沿軸向傳給動(dòng)靜環(huán)。同時(shí)動(dòng)靜環(huán)將與沖洗液，泵送介質(zhì)發(fā)生液體對(duì)流換熱。機(jī)械密封與密封腔接觸面發(fā)生固體界面接觸換熱。

2.2.1 熱流密度計(jì)算

機(jī)械密封動(dòng)靜環(huán)間的摩擦熱流密度計(jì)算公式[11]為

(1)

(2)

式中:G為工況參數(shù);h為密封面間隙，根據(jù)文獻(xiàn)[11]得h=0.344 μm;rm為密封面平均半徑;fd為干摩擦因數(shù);Kf為流體摩擦承載比。

YWN8材料的干摩擦因數(shù)為0.14[12]，因此可得混合摩擦因數(shù)為0.075。

得到熱流密度后需計(jì)算動(dòng)靜環(huán)熱量分配占比。用公式(3)計(jì)算：

(3)

式中：qj為靜環(huán)端面分配熱量;qd為動(dòng)環(huán)端面分配熱量;hd為動(dòng)環(huán)軸向厚度;hj為靜環(huán)軸向厚度;λd為動(dòng)環(huán)導(dǎo)熱系數(shù);λj為靜環(huán)導(dǎo)熱系數(shù)。

2.2.2 對(duì)流散熱系數(shù)計(jì)算

影響對(duì)流換熱系數(shù)α的因素很多，目前有多個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式用于計(jì)算α，應(yīng)按照密封環(huán)實(shí)際工作條件選取適當(dāng)公式進(jìn)行計(jì)算。

文中采用環(huán)狀有限空間內(nèi)水平旋轉(zhuǎn)圓柱強(qiáng)制單相流換熱公式[13]。

(4)

式中:Nu為努塞爾特?cái)?shù);Re為雷諾數(shù),

Re=(ωΔR2/νl)(R/ΔR)

(5)

Pr為普朗特?cái)?shù),

Pr=μCp/λl

(6)

式中：μ為動(dòng)力黏度；ω為相對(duì)旋轉(zhuǎn)角速度；ΔR為兩圓柱之間的間隙；R為內(nèi)圓柱半徑；νl為介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)黏度；λl為介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)；Cp為介質(zhì)的比熱容。

動(dòng)環(huán)座與動(dòng)環(huán)取相同的對(duì)流換熱系數(shù)，靜環(huán)表面旋轉(zhuǎn)角速度取動(dòng)環(huán)的1/2，靜環(huán)座取1/4。沖洗液(水)與泵送介質(zhì)(67%含固量磷礦漿)的物理參數(shù)見表3。

表3 沖洗液和泵送介質(zhì)物理參數(shù)

除液體對(duì)流換熱之外，密封件與密封腔接觸部分存在固體界面接觸換熱系數(shù)，其數(shù)值可從文獻(xiàn)[14]中查出。

3 密封環(huán)邊界條件

文中研究對(duì)象是背對(duì)背式雙端面機(jī)械密封,大氣側(cè)和介質(zhì)側(cè)的幾何結(jié)構(gòu)與邊界條件基本對(duì)稱，圖4所示為雙端面機(jī)械密封幾何結(jié)構(gòu)。以介質(zhì)側(cè)實(shí)際工況來(lái)闡述密封環(huán)邊界條件，力邊界條件見表4，熱邊界條件見表5。

表4 介質(zhì)側(cè)機(jī)械密封力邊界條件

表5 介質(zhì)側(cè)機(jī)械密封熱邊界情況

運(yùn)行工況參數(shù)：轉(zhuǎn)速1 450 r/min，沖洗液壓力1.6 MPa,泵送介質(zhì)壓力1.4 MPa,彈簧比壓0.2 MPa,大氣側(cè)端面比壓0.59 MPa，介質(zhì)側(cè)端面比壓0.25 MPa，工作溫度20 ℃(工廠年平均溫度)或35 ℃(工廠夏季平均溫度)。

4 結(jié)果與分析

4.1 密封環(huán)溫度場(chǎng)分布

渣漿泵雙端面機(jī)械密封結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工況多變，可從多種工況分析其端面溫度場(chǎng)分布。

文中采用6種工況，分別是：

A：20 ℃大氣側(cè)干摩擦；

B：35 ℃大氣側(cè)干摩擦(不存在介質(zhì)側(cè)干摩擦，泵軸轉(zhuǎn)動(dòng)，泵送介質(zhì)液體壓力產(chǎn)生的液膜反力將直接打開密封端面造成泄漏)；

C：20 ℃大氣側(cè)混合摩擦；

D：20 ℃介質(zhì)側(cè)混合摩擦；

E：35 ℃大氣側(cè)混合摩擦；

F：35 ℃介質(zhì)側(cè)混合摩擦。

從圖5得知：

(1)冷卻水或泵送介質(zhì)沖洗均能明顯降低機(jī)械密封溫度，因此在生產(chǎn)中機(jī)械密封必須有冷卻系統(tǒng)。有沖洗時(shí)，密封端面溫度沒有達(dá)到冷卻水沸點(diǎn)，因此該密封并不處于兩相密封狀態(tài)，運(yùn)行比較穩(wěn)定。

(2)工地氣溫對(duì)密封環(huán)溫度影響明顯。

(3)在沖洗下，靜環(huán)溫度高于動(dòng)環(huán)溫度。原因是該機(jī)械密封選用硬對(duì)硬相同材料摩擦副，摩擦副寬度相近，導(dǎo)致熱流分配相近；此外動(dòng)環(huán)表面對(duì)流換熱系數(shù)大于靜環(huán)，所以最高溫度出現(xiàn)在靜環(huán)。

以35 ℃大氣側(cè)混合摩擦工況展示靜環(huán)溫度場(chǎng)分布,如圖6所示。

如圖6所示，端面溫度最高點(diǎn)位于端面內(nèi)徑，并隨半徑增大逐漸降低，這和文獻(xiàn)[5,7-8]中密封端面溫度場(chǎng)分布結(jié)論一致。原因是：

(1)動(dòng)靜環(huán)端面相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生了摩擦熱而熱量不能及時(shí)散失出去。

(2)外側(cè)受沖洗產(chǎn)生對(duì)流換熱，降低了溫度，而內(nèi)側(cè)根據(jù)假設(shè)是絕熱，所以內(nèi)側(cè)熱量不能散出，溫度較高。

4.2 密封環(huán)變形分析

密封環(huán)的變形引起密封間隙的變化。對(duì)大氣側(cè)，密封間隙增大會(huì)導(dǎo)致二級(jí)密封失效及沖洗液泄漏；對(duì)介質(zhì)側(cè)，間隙增大將導(dǎo)致泵送介質(zhì)中的固體顆粒進(jìn)入密封面造成磨粒磨損。據(jù)調(diào)研這是該工廠機(jī)械密封失效的主要原因。

圖7、圖8所示是不同工況下機(jī)械密封動(dòng)靜環(huán)總變形情況?？芍?/p>

(1)熱變形在熱力耦合變形中占主導(dǎo)地位。

(2)工廠溫度變化對(duì)摩擦副端面變形有明顯影響。

(3)動(dòng)環(huán)變形量隨著半徑的增大而增大，靜環(huán)變形量則隨半徑增大而減小，同時(shí)靜環(huán)變形比較平緩，這樣在變形后形成收斂面,這和文獻(xiàn)[8]中動(dòng)靜環(huán)端面熱力耦合變形趨勢(shì)一致。

(4)從20 ℃大氣側(cè)混合摩擦、35 ℃大氣側(cè)混合摩擦、20 ℃介質(zhì)側(cè)混合摩擦、35 ℃介質(zhì)側(cè)混合摩擦4組數(shù)據(jù)及20 ℃介質(zhì)側(cè)混合摩擦最大總變形在靜環(huán)可知，泵送介質(zhì)液體壓力對(duì)密封環(huán)變形起抑制作用，這能減小機(jī)械密封出現(xiàn)磨粒磨損的概率。

(5)從工廠調(diào)研中得知，泵送介質(zhì)磷礦漿中的粒度分布達(dá)到以74 μm為中心的正態(tài)分布[15]?？捎?jì)算出間隙未變時(shí)，有11%的顆粒能進(jìn)入介質(zhì)側(cè)密封面；變形后，在20 ℃有13%、在35 ℃有22%的顆粒能進(jìn)入介質(zhì)側(cè)密封面?？梢姰?dāng)工廠溫度處于或低于年平均溫度時(shí)，密封端面產(chǎn)生磨粒磨損的概率變動(dòng)較小，夏季時(shí)，環(huán)境溫度對(duì)密封面出現(xiàn)磨粒磨損影響顯著。

從圖9可知，熱力變形后摩擦副端面由平行面轉(zhuǎn)變?yōu)槭諗棵?，將?dǎo)致接觸面變小，固體接觸壓力增大，造成密封面迅速磨損，泄漏量增大，使用壽命縮短。

但收斂面適用于非接觸式機(jī)械密封，對(duì)該機(jī)械密封進(jìn)行改造優(yōu)化時(shí)可考慮將接觸式機(jī)械密封改造為非接觸式機(jī)械密封，從而提高使用壽命。

鑲嵌式機(jī)械密封由于環(huán)與環(huán)座材料的線膨脹系數(shù)存在偏差，因此在高溫工況中會(huì)出現(xiàn)掉環(huán)現(xiàn)象[16]。對(duì)于文中采用模型，環(huán)座與密封環(huán)相對(duì)變形量達(dá)到120 μm，就可能掉環(huán)。

從圖10可知，掉環(huán)不是該工廠機(jī)械密封的失效原因。

5 結(jié)論

(1)對(duì)渣漿泵背對(duì)背式雙端面機(jī)械密封，沖洗起到了明顯的冷卻作用。在沖洗條件下，外徑溫度明顯低于內(nèi)徑溫度。最高溫度位于靜環(huán)內(nèi)側(cè)，并沿徑向向環(huán)外側(cè)逐漸降低。

(2)工廠氣溫對(duì)密封環(huán)熱力變形有明顯的影響，20和35 ℃相比，不同工況下的密封面溫升在15～17 ℃，對(duì)于機(jī)械密封正常工作時(shí)，該溫升已接近或高于摩擦副旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的溫升，對(duì)端面溫度影響顯著。在熱力變形方面，35 ℃時(shí)的熱力最大變形比20 ℃時(shí)高出十幾微米，極大影響了密封間隙，增大了泄漏量以及端面產(chǎn)生磨粒磨損的可能性，可見熱力耦合變形是造成密封環(huán)失效的主要原因之一。

(3)密封端面受到熱力耦合的影響，從平行面變?yōu)槭諗棵?，造成密封面迅速磨損，泄漏量增大，使用壽命縮短。但收斂面適用于非接觸式機(jī)械密封，因此在對(duì)該機(jī)械密封進(jìn)行優(yōu)化時(shí)可考慮將接觸式機(jī)械密封改造為非接觸式機(jī)械密封，從而提高使用壽命。