機(jī)械密封溫度場傳統(tǒng)分析方法不考慮初始力變形對溫度場影響，假設(shè)認(rèn)為密封端面平行，計(jì)算得到密封環(huán)溫度與實(shí)際溫度存在較大的偏差。建立考慮初始力變形的艉軸密封裝置的有限元模型，運(yùn)用ANSYS 分析軟件通過間接耦合法研究特定工況下船舶艉軸機(jī)械密封端面溫度的分布規(guī)律及密封環(huán)內(nèi)溫度沿軸向的變化規(guī)律，并與傳統(tǒng)方法結(jié)果進(jìn)行比較。結(jié)果表明：提出的數(shù)值分析方法考慮了初始力變形的作用，得到的密封端面徑向最高溫度發(fā)生在靠近端面變形后實(shí)際接觸的內(nèi)徑位置，而不是傳統(tǒng)方法的靠近內(nèi)徑處；相比傳統(tǒng)方法，提出的數(shù)值分析方法計(jì)算得到的端面比壓更大，端面溫度更高，尤其是在高溫高壓的工況以及采用彈性模量較小的密封材料時(shí)。

　　機(jī)械密封正常工作時(shí)，由于動(dòng)靜環(huán)的相互貼合并相對轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生摩擦熱，導(dǎo)致密封環(huán)特別是密封端面的溫度升高。密封環(huán)的溫度升高會(huì)產(chǎn)生一系列的問題，如端面溫度升高有可能使液膜汽化，導(dǎo)致密封工作的不穩(wěn)定； 密封端面磨損加劇，縮短密封使用壽命； 使密封環(huán)內(nèi)的溫度梯度增大，產(chǎn)生熱變形，改變端面的潤滑和接觸狀態(tài)，增加端面間的磨損和泄漏；當(dāng)密封端面間的熱應(yīng)力過大時(shí)還會(huì)導(dǎo)致端面熱裂。所以，研究機(jī)械密封的溫度場具有重要意義。許多學(xué)者對密封副的溫度場進(jìn)行了研究，但由于密封環(huán)的結(jié)構(gòu)和邊界條件以及變形情況復(fù)雜，傳統(tǒng)的間接耦合法往往假設(shè)密封端面平行，而實(shí)際機(jī)械密封在運(yùn)行前因受介質(zhì)壓力的影響始終存在力變形，忽略初始的力變形，雖然簡化了計(jì)算，但計(jì)算精度降低，尤其是在高溫、高壓工況下，計(jì)算結(jié)果偏差較大。

　　本文作者利用ANSYS13.0 對某大型船舶的艉軸密封裝置進(jìn)行溫度場分析，以應(yīng)力場的計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)建立了考慮初始力變形的具有收斂間隙的計(jì)算模型，得到了端面溫度的分布規(guī)律及密封環(huán)內(nèi)溫度沿軸向的變化規(guī)律，并將計(jì)算結(jié)果與傳統(tǒng)法結(jié)果進(jìn)行比較，得出考慮初始力變形的計(jì)算模型比傳統(tǒng)計(jì)算模型更加準(zhǔn)確。

1、幾何模型的建立

　　1.1、基本假設(shè)

　　由于機(jī)械密封溫度場以及邊界條件非常復(fù)雜，為了提高效率，作以下假設(shè):

　　(1) 密封環(huán)具有或近似具有軸對稱結(jié)構(gòu)，邊界條件也是軸對稱的，所以假設(shè)溫度場的分布也是軸對稱的；

　　(2) 環(huán)內(nèi)溫度分布不隨時(shí)間變化，即溫度場是穩(wěn)態(tài)的；

　　(3) 密封面間泄漏量很小，忽略泄漏所帶走的摩擦熱，假定摩擦熱全部由密封環(huán)傳遞；

　　(4) 忽略因熱輻射產(chǎn)生的熱損耗；

　　(5) 分析時(shí)將動(dòng)靜環(huán)作為整體考慮，避免密封環(huán)間的熱量分配比的計(jì)算。

　　1.2、計(jì)算模型的結(jié)構(gòu)

　　假設(shè)艉軸機(jī)械密封模型是軸對稱模型，因此取艉軸機(jī)械密封的橫截面進(jìn)行求解計(jì)算，其橫截面主要計(jì)算尺寸如圖1所示。

圖1 模型主要幾何尺寸(mm)

　　1.3、工況及物性參數(shù)

　　研究的密封為軟硬配對組合，動(dòng)環(huán)采用碳化硅，靜環(huán)選用碳石墨，密封環(huán)材料參數(shù)見表1。工作參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速100 r /min，面積比0.8，彈簧比壓0.15MPa，密封介質(zhì)壓力為0.1MPa，密封介質(zhì)為20 ℃的海水。根據(jù)相關(guān)船舶實(shí)際運(yùn)行情況和相關(guān)文獻(xiàn)資料，選取碳石墨作密封環(huán)時(shí)，因碳石墨具有自潤滑性，使其在與碳化硅配對進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后，摩擦因數(shù)很小且波動(dòng)很小，故取摩擦因數(shù)為0.1。密封介質(zhì)參數(shù)見表2。

表1 密封環(huán)材料參數(shù)

表2 密封介質(zhì)參數(shù)

2、結(jié)論

　　(1) 在考慮初始力變形的作用時(shí)，密封端面徑向最高溫度發(fā)生在靠近端面變形后實(shí)際接觸的內(nèi)徑位置，與傳統(tǒng)法計(jì)算得到的密封端面最高溫度發(fā)生在靠內(nèi)徑處，且沿徑向逐漸減小不同。

　　(2) 在考慮初始力變形的作用時(shí)，計(jì)算得到的端面比壓比傳統(tǒng)方法更大，端面溫度更高。

　　(3) 初始力變形改變了密封端面接觸寬度，尤其是在高溫高壓的工況環(huán)境下，對機(jī)械密封性能產(chǎn)生重大影響，在設(shè)計(jì)計(jì)算中是不容忽略的。在設(shè)法降低密封端面溫度的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)改變密封環(huán)結(jié)構(gòu)或采用端面預(yù)變形等方法，盡量使兩接觸端面在受到介質(zhì)壓力作用下達(dá)到平行。