【摘 要】
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机械密封因其运行可靠,泄漏量少,使用寿命长,适应范围广而被广泛应用于石油化工、食品卫生、矿产冶金、生物制药、航天核电等多领域旋转机械设备。从以往的故障原因统计结果上看约有69%的旋转轴设备故障是因机械密封失效导致。因此,机械密封的性能对于旋转轴设备连续运转的重要性不言而喻。本文以单端面搅拌器(釜)机械密封为研究对象,从机械密封传热机理、端面液膜、有限元仿真等方面对密封环在热力耦合作用下的温升及变形
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机械密封因其运行可靠,泄漏量少,使用寿命长,适应范围广而被广泛应用于石油化工、食品卫生、矿产冶金、生物制药、航天核电等多领域旋转机械设备。从以往的故障原因统计结果上看约有69%的旋转轴设备故障是因机械密封失效导致。因此,机械密封的性能对于旋转轴设备连续运转的重要性不言而喻。本文以单端面搅拌器(釜)机械密封为研究对象,从机械密封传热机理、端面液膜、有限元仿真等方面对密封环在热力耦合作用下的温升及变形进行了系统的研究。与此同时,利用釜用机械密封试验台实验并对比有限元仿真得到的结果,分析差异,总结一般规律。首先本文对机械密封的传热机理进行了系统的研究,在明确机械密封主要热量来源为密封端面之间的摩擦热的基础上仔细研究机械密封热量流动路径,确定机械密封环内部热传递到外表面后与介质对流换热流出是主要的传热路径。忽略影响较小的热量来源及传热路径,为后续的温度场计算做好理论基础。其次对机械密封端面的液膜润滑条件进行研究,建立考虑表面粗糙度的混合润滑条件下的端面液膜雷诺方程,运用Python语言编程求解,得到机械密封在稳定工作状态下的接触面液膜压力分布、厚度分布,摩擦系数及泄漏量。在Ansys有限元计算平台上建立机械密封环的整体轴对称计算模型,对机械密封环进行热力耦合分析,得到了介质压力、转速、弹簧比压及材料导热系数等因素对机械密封温度场和应力场影响,对计算结果进行了详细分析,得到一般规律曲线。结果发现:机械密封端面的最高温度与介质压力、转速、弹簧比压成正比,与材料的导热系数成反比;H273釜用机械密封环在热力耦合影响下,其端面变形为密封环内表面有挤压在一起的趋势,为收敛变形,属于有利变形,可以降低机械密封的泄漏量。最后对相同参数条件下的密封端面温升与泄漏量的实验结果与理论计算结果对比验证,分析误差来源,为后续的研究工作指明方向。实验结果与有限元分析结果对比发现,二者趋势相同,一致性较好,验证了本文的理论成果的准确性。本文的研究成果,可为后续的理论研究提供参考,并可在工程实践中指导搅拌器机械密封的设计工作。
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