針對(duì)大型核電設(shè)備的干氣密封裝置的振動(dòng)特性的研究，利用ANSYS軟件對(duì)螺旋槽干氣密封動(dòng)環(huán)模型進(jìn)行自由模態(tài)分析和約束模態(tài)分析，計(jì)算得到其固有頻率和振型，為動(dòng)環(huán)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析提供參考；通過LMS振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試動(dòng)環(huán)自由狀態(tài)下的固有頻率，將其結(jié)果與軟件計(jì)算結(jié)果相比較，通過其誤差大小可驗(yàn)證軟件模態(tài)分析的可靠性。通過得到的固有頻率和振型結(jié)果對(duì)比分析，可知AN⁃SYS有限元分析結(jié)果是可信的，可根據(jù)分析結(jié)果對(duì)密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善。

　　前言

　　干氣密封是最常用的一種非接觸式密封方式之一，動(dòng)環(huán)和靜環(huán)是這種密封結(jié)構(gòu)的主要組成部分。當(dāng)動(dòng)環(huán)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，因流體靜壓和動(dòng)壓作用，動(dòng)靜環(huán)之間的密封環(huán)端面間會(huì)形成一層氣膜，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)開啟力使密封動(dòng)靜環(huán)分離開來。非接觸式密封減少了密封環(huán)之間的摩擦，且氣膜相對(duì)比較穩(wěn)定，可以減少泄漏量，減少磨損，提高密封性能和延長(zhǎng)密封使用壽命，可靠性較高。

　　近年來，干氣密封被廣泛運(yùn)用于多種壓縮機(jī)、泵及其他某些高速高壓設(shè)備中。目前，在該領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外都已經(jīng)做了很多的研究，其中很多以密封端面的螺旋槽型作為研究對(duì)象，雖然從理論上來講，根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)知識(shí)，在干氣密封端面的溝槽無論是什么形狀，動(dòng)環(huán)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，端面都會(huì)產(chǎn)生動(dòng)壓效應(yīng)，但蔡文新、王玉明等的理論研究表明，相比于其他槽型，螺旋槽密封工作時(shí)流體動(dòng)壓效應(yīng)更明顯，密封性能更好。

　　模態(tài)分析是動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)部分，它為動(dòng)力學(xué)分析中的諧響應(yīng)分析、譜分析以及瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)等分析打下了基礎(chǔ)，提供最基本的數(shù)據(jù)。需要分析的零件或結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型是模態(tài)分析計(jì)算的主要研究?jī)?nèi)容， 應(yīng)用此分析得到所設(shè)計(jì)零部件的固有頻率和振型之后，就可以在工作中避開固有頻率值，預(yù)防由外界激勵(lì)而引起的共振，避免造成密封失效或者設(shè)備損害等后果。

　　基于此，本文以日機(jī)密封公司指定的一套螺旋槽干氣密封為研究對(duì)象，對(duì)其密封動(dòng)環(huán)進(jìn)行振動(dòng)模態(tài)分析，并通過LMS振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證分析的可靠性。

　　1、有限元模態(tài)分析

　　1)建立有限元模型

　　本文以日機(jī)密封的一個(gè)具體動(dòng)環(huán)作為研究對(duì)象，首先利用SolidWorks對(duì)其進(jìn)行三維建模，然后利用AN⁃SYS對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析。其端面幾何尺寸為：內(nèi)徑r1=101.25mm，外徑r2=131.5mm，螺旋槽底半徑r3=117mm。本文所用動(dòng)環(huán)是一個(gè)軸對(duì)稱零件，用有限元方法分析計(jì)算時(shí)通常選擇四節(jié)點(diǎn)或八節(jié)點(diǎn)軸對(duì)稱單元。綜合考慮計(jì)算精度和效率等因素，最終選擇八節(jié)點(diǎn)六面體單元solid45來對(duì)此動(dòng)環(huán)進(jìn)行描述。動(dòng)環(huán)的材料為SSiC，材料屬性為：彈性模量E=430 GPa；密度ρ=3240kg/m3；泊松比μ=0.26。利用有限元分析前處理專業(yè)軟件hypermesh 對(duì)動(dòng)環(huán)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成103 858個(gè)單元和24 012個(gè)節(jié)點(diǎn)。螺旋槽動(dòng)環(huán)模型如圖1所示。

圖1 螺旋槽動(dòng)環(huán)模型

　　2)確定邊界條件和求解方法

　　動(dòng)環(huán)固定在軸套上，對(duì)動(dòng)環(huán)外緣的3個(gè)約束面進(jìn)行約束，同時(shí)受軸套、動(dòng)環(huán)座、介質(zhì)壓力和氣膜壓力的作用，工作時(shí)跟隨軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)。本文先對(duì)其進(jìn)行自由模態(tài)分析，再進(jìn)行約束模態(tài)分析。高速旋轉(zhuǎn)的零部件在工作時(shí)會(huì)受到離心力的作用，其固有頻率值與靜止時(shí)的值相比會(huì)存在一定的差異。因此，對(duì)動(dòng)環(huán)進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，設(shè)置邊界條件需要將離心力的影響列入考慮，故用ANSYS對(duì)其進(jìn)行加預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析，即在分析前加上動(dòng)環(huán)527.52 rad/s的旋轉(zhuǎn)角速度。同時(shí)對(duì)動(dòng)環(huán)的外部進(jìn)行自由度約束。

　　在ANSYS將分析類型定義為模態(tài)分析后，需設(shè)置本次分析所關(guān)注的模態(tài)階數(shù)，并確定矩陣值求解方法。ANSYS常用的矩陣值求解法包括分塊蘭索斯法、子空間法、PowerDynamics法、縮減法等模態(tài)提取方法。對(duì)于對(duì)稱特征值求解問題，運(yùn)用分塊蘭索斯法計(jì)算的收斂速度比其他的模態(tài)提取方法更快。為了計(jì)算速度比較快，且得到的結(jié)果也比較準(zhǔn)確，本文采用分塊蘭索斯法。

　　3)模態(tài)分析結(jié)果

　　機(jī)械密封動(dòng)環(huán)在運(yùn)行過程中的振動(dòng)會(huì)引起密封件磨損、變形等，從而導(dǎo)致密封效果不理想，若振動(dòng)過大還會(huì)對(duì)整個(gè)機(jī)械密封結(jié)構(gòu)的工作性能造成影響，甚至引起密封失效。模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有特性，每一個(gè)模態(tài)對(duì)應(yīng)相應(yīng)的固有頻率、模態(tài)振型和阻尼比。然而不同的模態(tài)對(duì)結(jié)構(gòu)頻率響應(yīng)的貢獻(xiàn)是不同的，例如對(duì)本文中動(dòng)環(huán)的低頻響應(yīng)來說，高階模態(tài)的貢獻(xiàn)就較小。根據(jù)振動(dòng)理論，此密封結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性主要受低階模態(tài)的影響。故在實(shí)際應(yīng)用中，只需研究結(jié)構(gòu)的前幾階或十幾階模態(tài)，這樣工作量就大為減少。

　　2、結(jié)論

　　本文運(yùn)用ANSYS對(duì)干起密封重要零件動(dòng)環(huán)進(jìn)行了有限元自由模態(tài)分析和約束模態(tài)分析，得到其前幾階固有頻率和振型。并對(duì)自由狀態(tài)下的動(dòng)環(huán)進(jìn)行了LMS動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)，得出了自由狀態(tài)下的前幾階固有頻率和振型，與之前的ANSYS計(jì)算結(jié)果相比較，可以看出誤差并不大，故ANSYS的計(jì)算結(jié)果是可信的。

　　通過ANSYS軟件對(duì)動(dòng)環(huán)進(jìn)行了加預(yù)應(yīng)力的約束模態(tài)分析，選取了前8階固有頻率和振型作為研究對(duì)象，可以看出，此動(dòng)環(huán)的前8 階固有頻率值在2661.3～10763HZ之間，在實(shí)際工作情況下，外界給予其振動(dòng)頻率很難達(dá)到如此高的值，故可以認(rèn)為動(dòng)環(huán)在正常工作情況下不會(huì)發(fā)生共振，在以后的設(shè)計(jì)或優(yōu)化過程中可以不用重點(diǎn)考慮振動(dòng)對(duì)密封性能的影響，不過觀察動(dòng)環(huán)振型可以看出，在約束位置上的變形最大，故為了使動(dòng)環(huán)的振動(dòng)對(duì)密封性能的影響更小，可以考慮在動(dòng)環(huán)上多添加幾個(gè)約束面。