參數(shù)化機(jī)械密封中靜環(huán)摩擦副相容性設(shè)計(jì)方法*

郭天麗 劉晨陽 胡文文 王建磊 賈 謙

(1.東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司電站服務(wù)事業(yè)部 四川德陽 618000；2.西安理工大學(xué)機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院 陜西西安 710048；3.西安交通大學(xué)城市學(xué)院機(jī)械工程系 陜西西安 710018)

目前，隨著旋轉(zhuǎn)機(jī)械的高速化、重載化，為保持較高的工作穩(wěn)定性和可靠性，機(jī)械密封的作用顯得越來越重要，特別是在帶有高溫、高壓等極端惡劣工況下使用的高參數(shù)機(jī)械密封[1-2]。高參數(shù)機(jī)械密封的典型應(yīng)用對(duì)象包括渦輪泵、壓縮機(jī)及反應(yīng)釜等，工作溫度最高可達(dá)500 ℃,壓力最高可達(dá)25 MPa，線速度最大可達(dá)250 m/s[3-5]。

近年來，在高參數(shù)機(jī)械密封的設(shè)計(jì)、仿真及制造方面，已有大量研究工作可供借鑒。MIGOUT等[6]建立了包括熱傳遞和變形的瞬態(tài)有限實(shí)體耦合模型，模擬了進(jìn)料溫度升高對(duì)機(jī)械密封作用的影響。彭旭東等[7]針對(duì)粗糙的機(jī)械密封表面采用分區(qū)域的方法建立考慮粗糙的有限元分析理論模型，研究了其對(duì)機(jī)械密封結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)的影響。趙偉剛等[8]提出了結(jié)構(gòu)與工藝的一體化設(shè)計(jì)方法，重點(diǎn)分析了靜環(huán)石墨的選型及其與基體材料的相容性問題。王建磊等[9]在研究中發(fā)現(xiàn)極端工況下機(jī)械密封會(huì)產(chǎn)生異常磨損，并針對(duì)此現(xiàn)象對(duì)高參數(shù)機(jī)械密封的磨損問題展開了宏觀和微觀相結(jié)合的試驗(yàn)研究。楊建峰[10]研究了機(jī)械密封的頻繁失效問題，通過改變?cè)O(shè)計(jì)和更換摩擦副材料的途徑有效緩解了失效問題。魏龍等人[11]對(duì)機(jī)械密封在邊界及混合潤滑狀態(tài)下的泄漏量進(jìn)行了相關(guān)研究，并在其研究中通過模型和經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)其泄漏量進(jìn)行了表征。符永宏等[12]研究了機(jī)械密封的激光加工工藝，通過對(duì)加工參數(shù)組合的優(yōu)化，提高了機(jī)械密封SiC表面織構(gòu)微觀幾何形貌的制備精度。CHEN和HSU[13]研究了電極材料、脈沖寬度等對(duì)碳化鎢-碳化硅機(jī)械密封加工工藝的影響規(guī)律。SU等[14]提出了一種多相微磨料噴射的金屬表面微細(xì)加工技術(shù)，用于機(jī)械密封表面微槽制作。

上述研究都推動(dòng)了機(jī)械密封的高參數(shù)化，但在高參數(shù)機(jī)械密封設(shè)計(jì)方法的研究方面還略顯薄弱。本文作者針對(duì)高參數(shù)機(jī)械密封石墨靜環(huán)的失效問題，從設(shè)計(jì)方法的層面研究了靜環(huán)在參數(shù)化過程中的相容性設(shè)計(jì)問題。

1 高參數(shù)機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)及使用工況

1.1 高參數(shù)機(jī)械密封的基本結(jié)構(gòu)

眾所周知，機(jī)械密封是一種阻止密封介質(zhì)從相互運(yùn)動(dòng)的2個(gè)摩擦副之間泄漏的一種機(jī)械部件。在有些機(jī)械設(shè)備中機(jī)械密封也是磨損最為嚴(yán)重、最容易出現(xiàn)故障的組成部件。如今隨著旋轉(zhuǎn)機(jī)械朝著高參數(shù)化方向發(fā)展，相應(yīng)的密封技術(shù)已經(jīng)成為影響整個(gè)設(shè)備運(yùn)行壽命、安全性和工作效率的核心技術(shù)。文中以工作在苛刻環(huán)境下的典型高參數(shù)機(jī)械密封為研究對(duì)象，高參數(shù)機(jī)械密封的一般結(jié)構(gòu)如圖1所示?？梢钥闯觯邊?shù)機(jī)械密封主要由3個(gè)部分組成，分別是含有石墨的靜環(huán)、不銹鋼(3Cr13)動(dòng)環(huán)及波紋管。

從圖1中還可以看出，機(jī)械密封的靜環(huán)和動(dòng)環(huán)是以摩擦副的形式配對(duì)的，因此在工作中會(huì)出現(xiàn)摩擦磨損現(xiàn)象。另外，靜環(huán)由不銹鋼和石墨2種環(huán)狀材料共同組成，由于2種材料存在物理性能上的差異性，因此在工作中產(chǎn)生的高溫會(huì)導(dǎo)致2種材料產(chǎn)生不同的熱變形和熱應(yīng)力。這種變形量及熱應(yīng)力的不同，會(huì)導(dǎo)致組成機(jī)械密封靜環(huán)的不銹鋼基體和石墨環(huán)產(chǎn)生分離而脫落或者因?yàn)閿D壓而變形等現(xiàn)象，這些都是相容性不佳的表現(xiàn)?？梢?，相容性不佳會(huì)對(duì)機(jī)械密封的使用造成潛在的事故隱患，而最常見的表現(xiàn)就是機(jī)械密封的異常磨損、異常泄漏甚至失效。

圖1 高參數(shù)機(jī)械密封結(jié)構(gòu)示意

1.2 高參數(shù)機(jī)械密封的使用工況

除了工作的環(huán)境溫度，高參數(shù)機(jī)械密封靜環(huán)和動(dòng)環(huán)之間由于高速的相對(duì)運(yùn)動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生大量的摩擦熱量，有時(shí)會(huì)在瞬間高達(dá)上千度。在極端工況下工作時(shí)如果機(jī)械密封摩擦副表面的高熱量不能被及時(shí)帶走不僅會(huì)使得磨損加劇，更重要的就是前面提到的影響靜環(huán)不銹鋼和石墨之間的相容性，導(dǎo)致磨損缺陷的產(chǎn)生，這些缺陷會(huì)加大泄漏量，繼而使得機(jī)械密封在早期失效。

文中研究的這種高參數(shù)機(jī)械密封目前已經(jīng)被使用在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵、超臨界二氧化碳汽輪發(fā)電機(jī)組以及核主泵當(dāng)中，這些應(yīng)用背景無疑是存在極端工況的。這類極端工況最常見表現(xiàn)就是高速、高溫及高壓等，無疑對(duì)機(jī)械密封的可靠性要求更高。例如，液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵所采用的高參數(shù)機(jī)械密封需要適應(yīng)重載、低黏度介質(zhì)潤滑及大溫度梯度等極端工況。處在如此苛刻工作條件下的高參數(shù)機(jī)械密封極易失效，其常見的表現(xiàn)形式為過度磨損、泄漏量超標(biāo)等。表1列出了高參數(shù)機(jī)械密封的主要工況參數(shù)。

表1 高參數(shù)機(jī)械密封的工況參數(shù)

2 機(jī)械密封靜環(huán)摩擦副的相容性設(shè)計(jì)

2.1 考慮相容性的機(jī)械密封設(shè)計(jì)流程

如前所述，為應(yīng)對(duì)極端工況，高參數(shù)機(jī)械密封的設(shè)計(jì)目標(biāo)是適應(yīng)較大的溫度梯度以及較高的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，這就勢(shì)必會(huì)造成機(jī)械密封本身存在于大的溫度梯度變化中。而由于機(jī)械密封的靜環(huán)本身由石墨和不銹鋼2種不同材料組合而成，2種材料因自身的熱物理性能不同勢(shì)必產(chǎn)生應(yīng)力與變形的不相匹配的問題。這種不相匹配會(huì)導(dǎo)致石墨的機(jī)械性能無法滿足極端工況的使用要求。雖然給靜環(huán)添加石墨材料的出發(fā)點(diǎn)是利用石墨的自潤滑性、耐高溫性以及耐化學(xué)腐蝕性，但由于石墨與不銹鋼不相容，極易導(dǎo)致機(jī)械密封在實(shí)際使用時(shí)石墨發(fā)生壓潰、斷裂甚至脫落等不良后果。通過對(duì)實(shí)際產(chǎn)品受損后的分析，可直觀地觀察到機(jī)械密封靜環(huán)因相容性不佳所造成的損害。圖2所示為一個(gè)石墨靜環(huán)受損件的實(shí)物圖，受損是因?yàn)槭軣嶙冃嗡鶎?dǎo)致的。從圖2中可以看出，在使用過程中由于熱變形產(chǎn)生的高應(yīng)力使得石墨環(huán)擠壓而開裂。

圖2 機(jī)械密封石墨環(huán)受損件

為了能在設(shè)計(jì)階段就有效地通過干預(yù)避免機(jī)械密封靜環(huán)石墨和不銹鋼在極端工況下產(chǎn)生的不相容現(xiàn)象，文中將相容性引入機(jī)械密封靜環(huán)的設(shè)計(jì)當(dāng)中，提出了考慮相容性的機(jī)械密封設(shè)計(jì)方法。圖3所示為高參數(shù)機(jī)械密封靜環(huán)的相容性設(shè)計(jì)流程?？梢钥闯?，該考慮相容性的設(shè)計(jì)方法可以分為5個(gè)設(shè)計(jì)階段，分別是設(shè)計(jì)需求確定階段、設(shè)計(jì)方案制定階段、設(shè)計(jì)方案分析階段、相容性判斷階段以及設(shè)計(jì)方案確定階段。

圖3 考慮相容性的機(jī)械密封設(shè)計(jì)流程

該設(shè)計(jì)流程和一般機(jī)械密封的設(shè)計(jì)過程相比，最大的區(qū)別就是在設(shè)計(jì)過程中考慮了相容性的問題，即將相容性作為一項(xiàng)判斷設(shè)計(jì)是否成立的必要條件加以考慮。

2.2 相容性設(shè)計(jì)的判斷條件

前文已經(jīng)對(duì)機(jī)械密封靜環(huán)的相容性在概念及設(shè)計(jì)流程上進(jìn)行了相關(guān)的描述，下文將對(duì)相容性判斷問題進(jìn)行相關(guān)的探討。高參數(shù)機(jī)械密封在進(jìn)行相容性設(shè)計(jì)時(shí)，判斷靜環(huán)不銹鋼3Cr13和石墨是否相容需要進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算分析，該類計(jì)算需要借助相關(guān)的三維建模及有限元分析軟件來完成。對(duì)于靜環(huán)的相容性判斷可以采用如下幾個(gè)步驟來實(shí)現(xiàn)，具體的實(shí)施流程如圖4所示。

圖4 相容性判斷流程

首先，需要通過流體潤滑理論的數(shù)值分析或試驗(yàn)實(shí)測獲得靜環(huán)表面的工作溫度；第二步是建立靜環(huán)的有限元仿真模型，根據(jù)對(duì)靜環(huán)表面數(shù)值計(jì)算的結(jié)果，通過ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行整個(gè)靜環(huán)的溫度分布仿真；第三步根據(jù)溫度場的仿真結(jié)果獲得靜環(huán)鑲嵌的石墨環(huán)的熱應(yīng)力分布；第四步從石墨環(huán)的熱應(yīng)力分布中獲取石墨環(huán)所受到的最大應(yīng)力；第五步是將石墨所受的最大應(yīng)力與其機(jī)械強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比。文中采用的是抗壓強(qiáng)度，選用抗壓強(qiáng)度是考慮到了其能夠體現(xiàn)石墨環(huán)在單位面積所能承受壓力的極限值。如果熱應(yīng)力的大小超出了石墨的抗壓強(qiáng)度則需調(diào)整石墨材料的配方或者調(diào)整靜環(huán)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

3 機(jī)械密封靜環(huán)摩擦副相容性分析實(shí)例

為了能更清楚地說明相容性分析的重要性，文中以某高參數(shù)機(jī)械密封設(shè)計(jì)為例，針對(duì)該機(jī)械密封的靜環(huán)摩擦副在設(shè)計(jì)中的相容性分析進(jìn)行實(shí)例說明，該實(shí)例選用的是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵高參數(shù)機(jī)械密封。

3.1 靜環(huán)石墨抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)用以評(píng)價(jià)浸漬石墨材料在承受正壓力時(shí)的變形和破壞程度,試驗(yàn)遵循的標(biāo)準(zhǔn)為JB/T 8133.8—1999《電碳制品物理化學(xué)試驗(yàn)方法 抗壓強(qiáng)度》,試件尺寸為8 mm×8 mm×8 mm?？箟涸囼?yàn)采用 Instron 5500R 萬用試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)過程如下：(1)將壓縮試驗(yàn)所用的模具固定在試驗(yàn)機(jī)的上下夾具上，調(diào)整試驗(yàn)機(jī)上下夾具使得壓縮試驗(yàn)?zāi)＞叩纳舷鹿ぷ髅嬷g的距離為10 mm,然后將試樣放置在壓縮試驗(yàn)?zāi)＞叩墓ぷ髋_(tái)上；(2)設(shè)置試驗(yàn)機(jī)的數(shù)據(jù)采集控制軟件，其中試驗(yàn)加載速度為 4 mm/min；(3)加壓直到試樣達(dá)到屈服階段或者被壓潰時(shí)停止試驗(yàn)。每組試樣試驗(yàn)測量3次求平均值。圖5為抗壓強(qiáng)度測試試樣。

圖5 抗壓強(qiáng)度試樣

試樣的抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式為

py=F/A

(1)

式中：py為試樣的抗壓強(qiáng)度，MPa；F為試樣最大破壞載荷，N；A為試樣承壓面積，mm2。

根據(jù)式(1)計(jì)算出石墨的抗壓強(qiáng)度如表2所示。

表2 石墨的抗壓強(qiáng)度

表3給出了該高參數(shù)機(jī)械密封靜環(huán)摩擦副的結(jié)構(gòu)尺寸和材料等的初步設(shè)計(jì)參數(shù)，其中石墨的抗壓強(qiáng)度取表2中1號(hào)試樣抗壓強(qiáng)度平均值216 MPa,該設(shè)計(jì)參數(shù)可以代表一般高參數(shù)機(jī)械密封的特點(diǎn)。

表3 靜環(huán)的初步設(shè)計(jì)參數(shù)

3.2 機(jī)械密封靜環(huán)摩擦副有限元仿真

在進(jìn)行相容性分析之前需要做以下幾點(diǎn)假設(shè)：(1)文中研究的機(jī)械密封的溫度場是呈軸對(duì)稱分布的；(2)機(jī)械密封的材料和密封介質(zhì)的基本屬性例如基本物性對(duì)溫度的變化不敏感；(3)機(jī)械密封在工作時(shí)其靜環(huán)和動(dòng)環(huán)的表面是相互平行的，并且因摩擦等產(chǎn)生的熱量是均勻分布在其表面的；(4)在分析時(shí)可以忽略因泄漏而產(chǎn)生的熱量損失；(5)機(jī)械密封因攪拌、輻射等產(chǎn)生的熱量可以忽略不計(jì)；(6)因機(jī)械密封變形而導(dǎo)致的溫度場變化可以忽略不計(jì)，并將機(jī)械密封看作是理想的彈性體。

在對(duì)機(jī)械密封靜環(huán)進(jìn)行熱應(yīng)力分析前首先需建立三維模型，文中利用Solidworks軟件進(jìn)行機(jī)械密封靜環(huán)摩擦副的實(shí)體建模。在建立機(jī)械密封靜環(huán)的模型時(shí)參照表3中所列出的機(jī)械密封尺寸。采用Solidworks軟件建立機(jī)械密封靜環(huán)的三維模型之后，利用ANSYS有限元分析計(jì)算軟件進(jìn)行后續(xù)的穩(wěn)態(tài)溫度場及應(yīng)力場計(jì)算。圖6給出了靜環(huán)和石墨環(huán)的網(wǎng)格劃分結(jié)果。對(duì)靜環(huán)進(jìn)行網(wǎng)格劃分所采用的工具是ANSYSWorkbench中的Mesh模塊，所有的網(wǎng)格均為四面體結(jié)構(gòu)，單個(gè)網(wǎng)格邊長為1 mm?？傮w統(tǒng)計(jì)，靜環(huán)所有的節(jié)點(diǎn)數(shù)之和為403 028個(gè)，所劃分的單元總數(shù)為276 425個(gè)。需要說明的是，文中在進(jìn)行溫度場分析時(shí)，所施加的機(jī)械密封工作溫度為500 ℃，靜環(huán)3Cr13和石墨的密度分別取7 800 kg/m3和1 920 kg/m3，二者的熱膨脹系數(shù)分別取1.02×10-5℃-1和6.5×10-6℃-1，彈性模量分別取200和20 GPa，比熱容分別取460和800 J/(kg·℃)，泊松比都取相同值0.3。

圖6 靜環(huán)和石墨環(huán)的網(wǎng)格劃分

利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)靜環(huán)及石墨環(huán)的溫度場和熱應(yīng)力進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果如圖7所示。其中，圖 7(a)所示為通過有限元仿真獲得的靜環(huán)的溫度分布圖，可以看出靜環(huán)的摩擦端面溫度為 299.83 ℃，因?yàn)槟Σ炼a(chǎn)生的熱量會(huì)沿著靜環(huán)的軸向傳遞，并且隨著軸向距離的增加而遞減。圖7(b)給出的是靜環(huán)的熱應(yīng)力分布情況，可以看出在熱載荷作用下，靜環(huán)所受到的最大熱應(yīng)力出現(xiàn)在不銹鋼的內(nèi)邊緣，最大熱應(yīng)力的數(shù)值為549.23 MPa。在圖7(c)中給出了靜環(huán)石墨的熱應(yīng)力分布情況，可以看出石墨環(huán)所受到的熱應(yīng)力主要出現(xiàn)在內(nèi)邊緣，受到的最大熱應(yīng)力數(shù)值為310.76 MPa。

圖7 靜環(huán)溫度和應(yīng)力有限元仿真結(jié)果

數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果在一定程度上會(huì)因網(wǎng)格數(shù)目的多少而存在偏差，為同時(shí)兼顧計(jì)算精度和成本，文中對(duì)靜環(huán)和石墨環(huán)進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)。選取上述工況條件，計(jì)算得到靜環(huán)摩擦端面溫度和熱應(yīng)力數(shù)值隨網(wǎng)格數(shù)量變化，如圖8所示。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到276 425個(gè)即網(wǎng)格尺寸達(dá)到1 mm后，摩擦端面溫度及熱應(yīng)力隨網(wǎng)格尺寸的變化已經(jīng)很小，故在計(jì)算時(shí)選擇網(wǎng)格尺寸為1 mm。

圖8 摩擦端面溫度和熱應(yīng)力隨網(wǎng)格數(shù)量的變化

根據(jù)初步設(shè)計(jì)參數(shù)經(jīng)相容性分析得到的結(jié)果，可知石墨環(huán)所受到的熱應(yīng)力已經(jīng)超過了其抗壓強(qiáng)度值210 MPa，所以石墨環(huán)有被壓碎或壓斷的危險(xiǎn)。因此，如果機(jī)械密封要在該工況下使用就需更改靜環(huán)的設(shè)計(jì)參數(shù)。根據(jù)前期的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，改變靜環(huán)材料研究周期較長，改變不銹鋼基體尺寸會(huì)影響裝配，而改變石墨環(huán)尺寸的方法是一種較為可行的技術(shù)路線。

根據(jù)以上對(duì)相容性的分析，文中采取改變石墨環(huán)尺寸的方式，即對(duì)石墨環(huán)的外形尺寸進(jìn)行調(diào)整。表4給出了石墨環(huán)寬度不變，外徑改變下所受的熱應(yīng)力計(jì)算值，可以看出隨著外徑的減小石墨環(huán)所受的熱應(yīng)力逐漸減小。因此，調(diào)整石墨環(huán)外徑尺寸改變了其與不銹鋼的相對(duì)裝配位置，減小了石墨環(huán)所受的熱應(yīng)力。

表4 石墨環(huán)不同外徑下的熱應(yīng)力值

文中調(diào)整石墨環(huán)的外徑為74 mm，以保證不處于不銹鋼熱應(yīng)力較大位置。采用同樣方法獲得了靜環(huán)和石墨環(huán)的溫度場和熱應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，如圖9所示。圖 9(a)給出了調(diào)整尺寸后的靜環(huán)溫度分布圖，可以看出端面最大溫度為273.02 ℃，溫度的分布規(guī)律和之前相同。圖9(b)所示為靜環(huán)的熱應(yīng)力分布圖，靜環(huán)最大熱應(yīng)力依然集中在不銹鋼的內(nèi)徑表面，熱應(yīng)力的最大值為453.98 MPa。圖9(c)所示為石墨環(huán)的熱應(yīng)力分布，可以看出，調(diào)整尺寸后石墨環(huán)熱應(yīng)力雖然依然集中在其內(nèi)徑附近，但是最大熱應(yīng)力降低為194.51 MPa，較之前的310.76 MPa降低了37.4%，并且最大應(yīng)力值小于其抗壓強(qiáng)度210 MPa。

圖9 調(diào)整尺寸后靜環(huán)溫度和應(yīng)力有限元仿真結(jié)果

調(diào)整前后石墨環(huán)的位置如圖10所示。由于調(diào)整了石墨環(huán)的外徑尺寸，因而改變了石墨環(huán)在不銹鋼基體上的安裝位置，而相對(duì)位置的改變使得石墨環(huán)所受的熱應(yīng)力比先前的設(shè)計(jì)有所降低，降低后的應(yīng)力值小于石墨材料的抗壓強(qiáng)度值。因此，在設(shè)計(jì)上就實(shí)現(xiàn)了機(jī)械密封靜環(huán)摩擦副的相容性。

圖10 石墨環(huán)調(diào)整前后的位置(mm)

4 結(jié)論

(1)分析高參數(shù)機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)、使用工況及受損件的特征，提出在設(shè)計(jì)過程中考慮石墨和不銹鋼相容性的高參數(shù)機(jī)械密封靜環(huán)摩擦副相容性設(shè)計(jì)方法。

(2)建立考慮相容性的機(jī)械密封設(shè)計(jì)流程及相容性判斷流程，從理論和方法上對(duì)高參數(shù)機(jī)械密封靜環(huán)摩擦副相容性設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

(3)通過實(shí)例對(duì)相容性設(shè)計(jì)分析進(jìn)行了說明，通過相容性設(shè)計(jì)有望減少高參數(shù)工況下機(jī)械密封失效問題的發(fā)生。