深海機(jī)械密封端面摩擦及變形特性研究*

樊智敏 哈振騫 李 龍 李慶黨

(青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 山東青島 266061)

機(jī)械密封因其泄漏量少、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)設(shè)備密封中。對(duì)于海洋設(shè)備，機(jī)械密封是重要的基礎(chǔ)部件，密封一旦泄漏失效，會(huì)直接影響到海洋設(shè)備的正常工作，甚至威脅到操作人員的生命安全。與普通機(jī)械密封工作環(huán)境不同，深海推進(jìn)器用機(jī)械密封工作環(huán)境有高壓、低溫且工況多變等特點(diǎn)，對(duì)機(jī)械密封的密封性能及壽命有較大的挑戰(zhàn)。深海推進(jìn)器等水下設(shè)備用機(jī)械密封在旋轉(zhuǎn)過程中，動(dòng)環(huán)與靜環(huán)的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生大量熱，而溫度的升高會(huì)使端面產(chǎn)生變形，可能增加泄漏量甚至造成密封副撓動(dòng)；當(dāng)溫度高于密封介質(zhì)沸點(diǎn)時(shí)，還會(huì)造成介質(zhì)氣化，產(chǎn)生氣蝕，造成密封端面損傷[1]。深海環(huán)境高壓、低溫、工況多變等因素對(duì)機(jī)械密封的密封性能影響較大，因此準(zhǔn)確分析深海環(huán)境下機(jī)械密封端面變形情況，避免因過大的端面變形導(dǎo)致機(jī)械密封泄漏失效，對(duì)海洋密封的發(fā)展和延長機(jī)械密封使用壽命具有重要意義。

關(guān)于機(jī)械密封端面變形，國內(nèi)外學(xué)者提出多種研究方法。LEBECK[2]通過分析各個(gè)載荷對(duì)端面變形的影響，對(duì)幾種計(jì)算端面變形的方法進(jìn)行比較。ROBINSON和BUNTON[3]通過有限差分方法對(duì)動(dòng)、靜環(huán)溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。魏龍等人[4]將機(jī)械密封環(huán)簡化成等截面的當(dāng)量筒體，推導(dǎo)出接觸式機(jī)械密封端面平均溫度的計(jì)算公式。周劍鋒和顧伯勤[5]借助有限元方法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，研究機(jī)械密封環(huán)端面間液膜摩擦熱與端面熱變形的耦合過程。高斌超等[6]采用有限元與數(shù)值迭代技術(shù)研究密封端面熱力變形規(guī)律。宋亞東等[7]通過有限單元方法計(jì)算機(jī)械密封環(huán)的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)。陳匯龍等[8]用整體耦合法進(jìn)行密封環(huán)熱力耦合的計(jì)算和分析。姚翠翠[9]建立機(jī)械密封動(dòng)、靜環(huán)有限元模型，利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算密封環(huán)表面對(duì)流換熱系數(shù)并對(duì)端面間摩擦熱量進(jìn)行分配，得到密封環(huán)溫度場(chǎng)分布規(guī)律，并對(duì)端面變形及泄漏量進(jìn)行理論分析。李雙喜等[10]利用ANSYS軟件建立機(jī)械密封環(huán)熱-結(jié)構(gòu)耦合模型，綜合考慮端面變形、液膜反壓和密封環(huán)溫度之間的相互作用，并試驗(yàn)驗(yàn)證了分析模型的正確性。鄒波[11]通過ANSYS軟件對(duì)深海電機(jī)承壓型與補(bǔ)償型旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封研究，強(qiáng)調(diào)了設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)密封性能的影響。張毅[12]對(duì)深海油壓動(dòng)力源中的靜密封進(jìn)行研究，研究不同深度的環(huán)境壓力對(duì)密封性能的影響。

綜上，國內(nèi)外對(duì)機(jī)械密封端面變形的研究主要集中在由摩擦引起的熱變形方面，而針對(duì)海洋特殊環(huán)境下設(shè)備工作特點(diǎn)的機(jī)械密封端面變形研究較少，因?yàn)樵诤Ｑ蟓h(huán)境下需充分考慮不同工況端面摩擦因數(shù)變化情況；另外，目前的分析大多在穩(wěn)態(tài)工況下進(jìn)行，而瞬態(tài)工況下端面變形規(guī)律及端面溫升情況的研究不足。本文作者采用耦合分析方法，考慮海洋環(huán)境下接觸端面摩擦因數(shù)的差異性，對(duì)穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)工況下機(jī)械密封端面變形進(jìn)行研究。

1 邊界條件及載荷確定

考慮到機(jī)械密封實(shí)際工況的復(fù)雜性，對(duì)機(jī)械密封端面變形分析做如下假設(shè)：

(1)密封環(huán)模型為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其溫度場(chǎng)及施加的載荷也呈軸對(duì)稱分布；

(2)彈簧力、介質(zhì)壓力簡化為均勻分布的面載荷；

(3)端面比壓在密封端面上呈均勻分布；

(4)忽略密封環(huán)因泄漏帶走的熱量；

(5)熱流密度在密封端面呈均勻分布，且摩擦所產(chǎn)生的熱量全部由密封環(huán)散失；

(6)深海推進(jìn)器等水下設(shè)備工作環(huán)境溫度為4 ℃。

1.1 主要參數(shù)

機(jī)械密封相關(guān)參數(shù)及運(yùn)行工況對(duì)機(jī)械密封環(huán)溫度場(chǎng)的分布及端面變形有重要影響[13]。針對(duì)深海推進(jìn)器等水下設(shè)備用機(jī)械密封實(shí)際情況，結(jié)合海洋環(huán)境低溫、腐蝕性等特點(diǎn)，確定機(jī)械密封相關(guān)參數(shù)及運(yùn)行工況見表1。

表1 機(jī)械密封相關(guān)參數(shù)及運(yùn)行工況

1.2 密封環(huán)幾何模型與受力情況

針對(duì)深海推進(jìn)器等水下設(shè)備用機(jī)械密封實(shí)體模型，對(duì)所研究機(jī)械密封環(huán)部分進(jìn)行簡化，如圖1所示。該模型動(dòng)環(huán)在介質(zhì)壓力與彈簧力作用下與固定的靜環(huán)端面接觸，運(yùn)行過程中，動(dòng)環(huán)的旋轉(zhuǎn)使動(dòng)環(huán)與靜環(huán)相貼合端面處存在微米級(jí)液膜，液膜的存在不僅減小端面摩擦，也是實(shí)現(xiàn)密封的關(guān)鍵。密封環(huán)外側(cè)部分主要受密封介質(zhì)壓力作用，內(nèi)側(cè)狹小腔內(nèi)為補(bǔ)償液壓力或大氣壓力作用。分析時(shí)忽略密封圈變形對(duì)密封環(huán)產(chǎn)生的影響，并假設(shè)在密封環(huán)與密封圈接觸的整個(gè)區(qū)域上，密封圈產(chǎn)生的壓力等效于流體壓力。

1.3 對(duì)流換熱系數(shù)計(jì)算

機(jī)械密封環(huán)與介質(zhì)之間的對(duì)流換熱過程對(duì)動(dòng)、靜環(huán)熱量的傳遞和溫度場(chǎng)的分布有重要的影響，因此對(duì)流換熱系數(shù)的求解是關(guān)鍵。對(duì)流換熱系數(shù)的確定方法一般有計(jì)算法、數(shù)學(xué)模型法、經(jīng)驗(yàn)公式法3種。其中經(jīng)驗(yàn)公式法是通過實(shí)驗(yàn)方法獲得符合實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式，是一種應(yīng)用最為廣泛的方法[14]。

對(duì)于動(dòng)環(huán)表面與介質(zhì)的對(duì)流換熱系數(shù)計(jì)算，文中采用Becker公式[15]，如式(1)所示。

(1)

式中：kf為介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)；D為動(dòng)環(huán)直徑；ReD為基于D的雷諾數(shù)；Pr為普朗特?cái)?shù)；h為端面液膜厚度。

對(duì)于靜環(huán)端面與介質(zhì)接觸部分的對(duì)流換熱系數(shù)因受動(dòng)環(huán)旋轉(zhuǎn)而誘導(dǎo)的介質(zhì)流動(dòng)影響較大，所以對(duì)流換熱系數(shù)的計(jì)算采用與動(dòng)環(huán)相同的方法，而靜環(huán)遠(yuǎn)離端面的外表面與介質(zhì)的對(duì)流換熱系數(shù)計(jì)算，采用被廣泛使用的靜環(huán)換熱系數(shù)計(jì)算公式[16]，如式(2)所示。

(2)

式中：Re為雷諾數(shù)；ε為修正系數(shù)，一般可取1.2～2.0；De為套管間隙當(dāng)量直徑。

由于動(dòng)、靜環(huán)與空氣接觸表面對(duì)流換熱系數(shù)非常小，可直接處理成絕熱表面。

2 變工況接觸端面摩擦因數(shù)分析

機(jī)械密封工作過程中，端面摩擦因數(shù)對(duì)端面摩擦熱大小及分布有直接影響，是研究機(jī)械密封端面熱變形的重要影響因素，故針對(duì)深海推進(jìn)器等水下設(shè)備航速及工作水深不斷的變化情況，需充分考慮機(jī)械密封接觸端面摩擦因數(shù)的變化。機(jī)械密封摩擦系統(tǒng)中，摩擦因數(shù)的大小及其穩(wěn)定性受多種因素的影響，體現(xiàn)了摩擦副的綜合特性[17]，摩擦因數(shù)的大小不僅與機(jī)械密封環(huán)材料選擇有關(guān)，還與密封介質(zhì)壓力大小、動(dòng)靜環(huán)相對(duì)滑動(dòng)速度、摩擦副表面狀況(表面粗糙度及接觸特性、表面的溫度狀況、表面層物理性質(zhì))、端面摩擦狀態(tài)、工作環(huán)境等因素有關(guān)。機(jī)械密封端面摩擦狀態(tài)通常有邊界摩擦、流體摩擦及混合摩擦3種。摩擦狀態(tài)一般用機(jī)械密封流體膜承載比來確定，如式(3)所示。

(3)

式中：Kf為流體膜承載比；Wf為流體靜膜壓承載能力;W為端面總承載力；Km為流體膜壓系數(shù)；Kg為機(jī)械密封載荷系數(shù)；pm為流體膜平均膜壓力；pg為機(jī)械密封端面比載荷。

正常穩(wěn)態(tài)工況下，接觸式機(jī)械密封處于混合摩擦狀態(tài)，通過加權(quán)平均法[18]可以得到混合摩擦狀態(tài)下摩擦因數(shù)與承載比的關(guān)系式如式(4)所示。

(4)

式中：F為端面總摩擦力；Ff為端面流體摩擦力；Fb為端面邊界摩擦力；Fd為端面干摩擦力；xf為流體膜承載比；xb為分子膜承載比；xd為接觸承載比；ff為流體膜摩擦因數(shù)；fb為分子膜摩擦因數(shù)；fd為接觸摩擦因數(shù)。

對(duì)于機(jī)械密封而言，因?yàn)槠涠嗣婺Σ翣顟B(tài)一般認(rèn)為是流體靜壓潤滑與接觸摩擦組合成的混合摩擦狀態(tài)，故其邊界摩擦力Fb和分子膜承載比xb的值為0，因此將式(3)、(4)聯(lián)立可得機(jī)械密封端面摩擦因數(shù)的求解公式如式(5)所示。

(5)

摩擦狀態(tài)為流體摩擦?xí)r摩擦力Ff與流體靜膜壓承載能力Wf的表達(dá)式如式(6)、式(7)所示。

(6)

(7)

式中：μ為流體動(dòng)力黏度；V為動(dòng)環(huán)平均線速度；Af為密封端面面積；h為端面液膜厚度。

故可得到最終機(jī)械密封端面摩擦因數(shù)計(jì)算公式，如式(8)所示。

(8)

由式(8)可知,機(jī)械密封端面實(shí)際摩擦因數(shù)與軸的轉(zhuǎn)速成正比，與端面間液膜厚度成反比，摩擦因數(shù)大小與端面寬度也有直接關(guān)系。為直觀表現(xiàn)不同工況對(duì)機(jī)械密封接觸端面摩擦因數(shù)的影響，假設(shè)端面間液膜厚度不變，得到不同轉(zhuǎn)速及不同介質(zhì)壓力時(shí)密封端面間的摩擦因數(shù)，如圖2所示。

從圖2可看到，隨密封介質(zhì)壓力增大，機(jī)械密封端面摩擦因數(shù)呈減小趨勢(shì)，這是因?yàn)槊芊饨橘|(zhì)壓力變大，密封端面間的流體靜壓作用加強(qiáng)，端面流體膜壓系數(shù)增大，接觸端面實(shí)際摩擦因數(shù)降低。此外，端面間摩擦因數(shù)與軸轉(zhuǎn)速呈正相關(guān)關(guān)系，即轉(zhuǎn)速增大，摩擦因數(shù)增大。

圖2所示曲線假設(shè)端面間液膜厚度不變，實(shí)際工況中，隨著密封環(huán)接觸端面的變形，其端面間液膜厚度也在不斷變化。為更準(zhǔn)確研究實(shí)際工況下，機(jī)械密封密封環(huán)端面摩擦因數(shù)，現(xiàn)將端面液膜厚度及動(dòng)環(huán)旋轉(zhuǎn)速度作為自變量同時(shí)進(jìn)行研究，并繪制端面液膜厚度、動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)速與端面間摩擦因數(shù)的關(guān)系曲線，如圖3所示。

從圖3中可看出，液膜厚度值越大，其端面摩擦因數(shù)越小;相對(duì)于液膜厚度，其轉(zhuǎn)速的增加對(duì)端面液膜厚度的影響較大，轉(zhuǎn)速越大，端面摩擦因數(shù)越大，因此端面摩擦產(chǎn)生的熱量也就越多。由此可見，機(jī)械密封工作過程中實(shí)際工況的改變對(duì)接觸端面摩擦因數(shù)影響較大，因此研究機(jī)械密封溫度場(chǎng)及端面變形時(shí)，應(yīng)該考慮不同工況下摩擦因數(shù)變化，才能更準(zhǔn)確地反映機(jī)械密封端面變形情況。

3 接觸端面變形研究

3.1 穩(wěn)態(tài)端面變形研究

由于深海環(huán)境工況復(fù)雜，其密封環(huán)變形存在熱-力交叉協(xié)同作用，如圖4所示。單一力變形與熱變形研究無法準(zhǔn)確反映機(jī)械密封環(huán)實(shí)際工作過程中的端面變形情況，文中結(jié)合不同工況下機(jī)械密封端面摩擦因數(shù)差異性，分別對(duì)動(dòng)、靜環(huán)端面變形進(jìn)行了研究，探索了穩(wěn)態(tài)工況下機(jī)械密封環(huán)接觸端面在熱-力耦合作用下的變形情況。

將深海推進(jìn)器等水下設(shè)備用機(jī)械密封作為研究對(duì)象，分析密封環(huán)在熱-力耦合作用下的端面變形，得到機(jī)械密封動(dòng)、靜環(huán)端面熱-力耦合變形結(jié)果。如圖5所示。

從圖5所示的變形云圖可以看出，在熱應(yīng)力、機(jī)械力共同作用下，動(dòng)、靜環(huán)端面變形出現(xiàn)趨勢(shì)相反的情況。為直觀研究動(dòng)、靜環(huán)端面熱-力耦合變形情況，取端面關(guān)鍵點(diǎn)變形研究，繪制接觸端面軸向變形圖，如圖6所示。

由圖6可以看出，動(dòng)、靜環(huán)在熱、力耦合作用下整體呈現(xiàn)擴(kuò)張趨勢(shì)，動(dòng)環(huán)端面內(nèi)徑處變形量比外徑處變形量小，而靜環(huán)端面變形趨勢(shì)與之相反。分別將力變形分析、熱變形分析、熱-力耦合變形分析結(jié)果相比較，如圖7所示。

由圖7可以看出，動(dòng)環(huán)端面力變形、熱變形、熱-力耦合變形的分析結(jié)果有較大差異，單一力變形分析和單一熱變形分析不能準(zhǔn)確表達(dá)密封環(huán)在實(shí)際工況中端面變形情況。而靜環(huán)熱-力耦合分析下的端面變形趨勢(shì)與熱變形趨勢(shì)基本保持一致，這是因?yàn)槭懿牧闲阅苡绊?，介質(zhì)壓力引起的靜環(huán)端面變形相對(duì)熱變形而言非常小。

根據(jù)分析結(jié)果可以得到出結(jié)論：熱-力耦合作用下，動(dòng)、靜環(huán)端面變形整體均呈現(xiàn)軸向拉伸趨勢(shì);當(dāng)材料彈性模量較大時(shí)，熱變形是密封環(huán)變形的主導(dǎo)因素，彈性模量較小時(shí)，密封環(huán)在熱變形與力變形共同作用下，其變形結(jié)果比單一分析時(shí)大。

3.2 機(jī)械密封環(huán)端面瞬態(tài)特性研究

非穩(wěn)態(tài)時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)比穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)對(duì)機(jī)械密封的密封性能及壽命影響更大，而由于時(shí)間效應(yīng)的參與，對(duì)機(jī)械密封瞬態(tài)特性的研究并非是穩(wěn)態(tài)的簡單迭代[19-21]。為更好地反映機(jī)械密封在啟動(dòng)過程中動(dòng)、靜環(huán)受熱、力協(xié)同作用下的變形及溫度變化情況，文中采用直接耦合方法計(jì)算機(jī)械密封環(huán)瞬態(tài)熱-力耦合過程。直接耦合方法的優(yōu)點(diǎn)在于可準(zhǔn)確反映旋轉(zhuǎn)過程中動(dòng)、靜環(huán)力變形導(dǎo)致的密封環(huán)端面接觸不均從而影響摩擦熱分布，摩擦熱變形又反作用于端面變形的交叉作用。這種交叉作用相互影響，不斷疊加，直到機(jī)械密封達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行為止。建立機(jī)械密封環(huán)熱-力耦合分析有限元模型并劃分網(wǎng)格，如圖8所示。

深海推進(jìn)器等水下設(shè)備用機(jī)械密封啟動(dòng)時(shí)，其端面不同位置處變形受到機(jī)械力、熱應(yīng)力等綜合影響也會(huì)隨時(shí)間歷程的增加而變化，因此瞬態(tài)工況下不同時(shí)刻密封端面溫度分布也不同。文中模擬0～2 s內(nèi)動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)速由0上升到1 500 r/min，介質(zhì)壓力為1 MPa時(shí)密封環(huán)接觸端面在熱-力耦合作用下的溫度分布情況，其熱-力耦合分析結(jié)果如圖9所示。

由圖9可看出，0～2 s內(nèi)，隨動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)速增加，其接觸端面最高溫度逐漸增大，1.6 s后端面溫度增長速度加快，當(dāng)端面摩擦產(chǎn)生熱量與外界交換熱量平衡時(shí)，其增長趨勢(shì)將會(huì)停止，即為穩(wěn)態(tài)下的端面溫度場(chǎng)分布。

取不同時(shí)刻動(dòng)環(huán)接觸端面關(guān)鍵點(diǎn)溫度進(jìn)行研究，結(jié)果如圖10所示?？煽闯觯瑱C(jī)械密封環(huán)旋轉(zhuǎn)初始階段，接觸端面最高溫度出現(xiàn)在外徑部分，隨旋轉(zhuǎn)時(shí)間變長，轉(zhuǎn)速加快，機(jī)械密封環(huán)外表面與介質(zhì)的對(duì)流換熱增強(qiáng)，接觸端面最高溫度逐漸移向密封環(huán)內(nèi)徑處。密封環(huán)接觸面內(nèi)側(cè)溫度高于外側(cè)溫度，將導(dǎo)致密封環(huán)內(nèi)側(cè)部分受熱變形嚴(yán)重，擠壓作用明顯，將再一步促進(jìn)密封環(huán)接觸面內(nèi)側(cè)溫度高于外側(cè)。因此隨轉(zhuǎn)速提高，機(jī)械密封環(huán)受熱變形影響將會(huì)變大。此外由圖10還可以看出，隨轉(zhuǎn)速增大，其端面內(nèi)、外徑溫差逐漸增大，這是造成端面變形的重要原因。

圖11所示為不同時(shí)刻密封環(huán)端面接觸應(yīng)力變化情況，可以看出由于接觸端面溫度分布隨時(shí)間變化，導(dǎo)致密封環(huán)最大接觸應(yīng)力由外向內(nèi)的變化。這也反映出隨端面摩擦熱分布變化，其端面接觸狀態(tài)受熱-力耦合作用的影響，由外徑接觸向內(nèi)徑接觸的變化過程。因此瞬態(tài)工況下，機(jī)械密封端面的接觸狀態(tài)受端面摩擦熱的影響較大。

4 結(jié)論

(1)針對(duì)深海推進(jìn)器等水下設(shè)備用機(jī)械密封工作特點(diǎn)，分析變工況下機(jī)械密封接觸端面摩擦因數(shù)的變化情況，結(jié)果表明，機(jī)械密封接觸端面摩擦因數(shù)大小與運(yùn)行工況有關(guān)，增大介質(zhì)壓力，端面間摩擦因數(shù)減小，這與端面間液膜的靜壓作用有關(guān)；增大轉(zhuǎn)速，端面摩擦因數(shù)相應(yīng)增大；端面實(shí)際摩擦因數(shù)隨接觸摩擦因數(shù)的增加而增加，膜壓系數(shù)與載荷系數(shù)的大小也會(huì)影響動(dòng)、靜環(huán)接觸端面的實(shí)際摩擦因數(shù)值。

(2)對(duì)于深海推進(jìn)器等水下設(shè)備用機(jī)械密封，對(duì)密封環(huán)端面變形進(jìn)行單一力變形及熱變形分析無法準(zhǔn)確表達(dá)實(shí)際工況下的端面變形趨勢(shì)，相對(duì)于單一變形分析，熱-力耦合分析結(jié)果更為準(zhǔn)確，更能體現(xiàn)端面在熱應(yīng)力與外界壓力交叉作用下的變形情況。

(3)瞬態(tài)工況下，接觸端面最高溫度由外側(cè)向內(nèi)側(cè)移動(dòng)，直至運(yùn)行穩(wěn)定后接觸端面內(nèi)徑處溫度達(dá)到最高，且隨轉(zhuǎn)速增大接觸端面內(nèi)、外徑溫差逐漸增大，這是造成端面熱變形的主要因素；瞬態(tài)工況下其端面接觸應(yīng)力分布隨端面溫度的變化而變化，端面溫度分布對(duì)端面接觸狀態(tài)有重要影響。