机械密封环温度场/应力场的数值模拟及实验研究

【摘要】：在机械密封装置中,机械密封动静环接触面上的摩擦热容易造成干摩擦或产生较大的温度梯度,从而使密封环内产生过大的热应力并出现热裂纹。本文针对机械密封环的温度场进行了研究,建立了密封动静环的轴对称模型并对其传热规律进行了探讨;与此同时,对密封静环的稳态、瞬态温度场进行测量。 首先本文基于有限元模型,将机械密封动静环简化为两个独立的轴对称模型,用有限单元法求解其稳态、瞬态温度场及热应力场的数值结果。在建立了计算机械密封环的物理模型之后,介绍了用轴对称问题的有限单元法求解温度场及应力场的具体过程,并指出了在计算中需要注意的问题。给出了密封动静环的温度场分布和热应力分布规律。同时给出了密封动静环在系统启动阶段,密封端面上某点不同时刻的温度、应力分布图,得到系统达到稳态所需要的时间。 其次,本文利用自行设计的试验台,对密封静环进行多点温度测量,得到静环在轴向和径向温度分布规律,将它和数值模拟值进行比较分析;此外,还测量了密封静环在启动阶段某测点的温度曲线图,得到达到稳态所需要的时间。经过比较,测试结果与数值计算结果取得了较好的一致性。 经过计算与测试表明,影响密封环温度场、应力场的主要因素:材料的导热性能、密封环所处的工作状态(PcV)、密封环的结构以及密封环与介质之间的对流换热系数等,为实现机械密封端面温度等热信息提取的状态监测和控制提供依据。 本文建立的计算和测试机械密封环稳态、瞬态温度场的方法,以及由此产生的热应力的模拟计算,对机械密封环的设计、制造、使用及密封环热状态的进一步研究具有十分重要的意义。