研究了機械密封副的穩(wěn)態(tài)溫度場，在合理的假設(shè)條件下，建立了機械密封場的溫度數(shù)學(xué)模型。通過計算，求得相關(guān)的熱流密度與對流換熱系數(shù)，然后利用ANSYS13.0 軟件進行運算。著重考慮了介質(zhì)流量和彈簧比壓對溫度場的影響，為機械密封的設(shè)計提供了理論依據(jù)。

前言

　　端面溫度是機械密封實際工作時的一個重要參數(shù)。端面溫度過高會產(chǎn)生一系列的問題。研究機械密封的溫度場具有重要的意義。已有一些學(xué)者利用有限元軟件對密封副的溫度場進行了研究， 得到了密封副溫度場的分布及變化規(guī)律， 并對介質(zhì)壓力， 動靜環(huán)材料， 主軸轉(zhuǎn)速液膜厚度等因素對溫度的影響進行了分析。然而，介質(zhì)流量和彈簧比壓對端面溫度的影響的研究則不多見。本文利用ANSYS 軟件對機械密封環(huán)進行模擬分析， 主要探討了介質(zhì)流量和彈簧比壓對端面溫度的影響。

1、密封環(huán)熱分析的基本假設(shè)

　　(1)由于動、靜環(huán)均具有軸對稱結(jié)構(gòu)，邊界條件也是軸對稱的，所以溫度場的分布也是軸對稱的;

　　(2)認為密封端面是平行的，不考慮密封環(huán)力、熱變形對溫度分布的影響;

　　(3)密封副材料性質(zhì)和密封介質(zhì)的性質(zhì)不隨溫度變化，密封介質(zhì)的溫度是恒定的;

　　(4)密封面上的熱流密度在每個單元面上是均勻分布的，但整個端面分布并不均勻;

　　(5)在機械密封系統(tǒng)運行一段時間后，機械密封副的溫度場處于熱平衡狀態(tài)，是穩(wěn)態(tài)的;

　　(6)裸露于空氣或背靠輔助密封圈的密封環(huán)表面視為絕熱。

　　根據(jù)以上假設(shè)， 機械密封副的軸對稱穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程為：

　　式中T———密封環(huán)的溫度函數(shù)，其中T=T(x，r);x———軸向;r———徑向。

　　為了求解方程(1)，得到微分方程的唯一解必須附加邊界條件。密封環(huán)與密封介質(zhì)接觸處按第二類邊界條件考慮;其余邊界上為第三類邊界條件。

2、邊界條件的確定

　　1)相關(guān)參數(shù)的設(shè)定

　　本文所采用的機械密封設(shè)計方案中， 動環(huán)材料為不銹鋼，靜環(huán)為錫青銅，其物理性質(zhì)如表1。密封副內(nèi)徑為φ161mm，外徑為φ175mm，主軸軸徑φ130，轉(zhuǎn)速600r/min。

3、ANSYS 有限元模型的分析過程

　　1)前處理：有限元建模和網(wǎng)格劃分選擇PLANE55 單元，它是軸對稱四節(jié)點四邊形等參單元，具有二維熱傳導(dǎo)分析能力。為動、靜環(huán)定義料，分別輸入材料的密度、熱傳導(dǎo)系數(shù)這2 個參數(shù)。采用自下向上的建模方法建立幾何模型后，將動、靜環(huán)的幾何模型與相應(yīng)的材料關(guān)聯(lián)起來，自動進行網(wǎng)格劃分，得到圖2 所示的有限元模型。

圖2 密封副有限元模型

　　2)加載和求解

　　在前處理階段完成建模后， 用戶可在求解階段通過求解器獲得分析的結(jié)果。在該階段用戶可以定義分析類型、分析選向、載荷數(shù)據(jù)和載荷步選項，然后開始有限元求解。ANSYS 軟件將自動求解，并將結(jié)果保存在文件中。由于分析的類型為穩(wěn)態(tài)溫度場，添加載荷數(shù)據(jù)后系統(tǒng)將自動求解。

　　3)后處理

　　ANSYS 提供了2 個后處理器： 通用后處理器POST1 和時間歷程后處理器POST26。前者用于查看某度，減少了備件材料的耗用，減少空氣環(huán)境的污染和資源的浪費。

4、結(jié)束語

　　P-3200C 燃料油泵機械密封改造后， 已連續(xù)運轉(zhuǎn)超過3000h，其運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，機封無泄漏，確保了熱電鍋爐燃料的正常供應(yīng)。這說明對P-3200C 燃料油泵機械密封的改造是成功的，解決了機械密封頻繁泄漏的問題，提高了機械密封的使用性能和使用周期， 降低了員工勞動強度，降低了設(shè)備維護和維修費用。