摘要：借助ANSYS分析影响中间旋转环式机械密封性能的关键结构参数，结果表明，静环和动环的伸出长度对密封性能的影响很小，中间环厚度和密封面宽度对密封性能的影响较大，且中间环厚度及密封面宽度对密封性能的影响是相互独立的；中间环厚度增大时，最高温度和最大等效应力减小，但最大接触压力和泄漏量增大；密封面宽度增大时，最高温度、最大等效应力和泄漏量增加，但最大接触压力减小。对密封环结构进行优化，得出最佳的动静环伸出长度、中间环厚度和密封面宽度，优化后机械密封的最高温度、最大等效应力、最大接触压力下降，对机械密封的运转更为有利。

关键词:中间旋转环式机械密封；密封性能；静环；动环

随着水下航行器的大型化发展，其尾轴直径及尾轴机械密封尺寸也向大型化方向发展，线速度变大，加之海水介质压力较大，更易出现局部温升过高的情况，甚至出现汽化和密封环开启现象，从而导致密封失效[1-4]。为解决上述问题，具有泄漏量少、寿命长、摩擦耗功小、无磨损、密封参数高等优点的中间旋转环式机械密封系统被尝试用于大型尾轴机械密封[5]。但目前对这种中间旋转环式机械密封的研究主要停留在小型、非接触式机械密封[6]，而对于大轴颈、接触式中间旋转环式机械密封的研究极少。随着计算机计算能力的提高，ANSYS等有限元分析软件已被广泛应用于机械密封温度场的分析中，并取得了很好的效果[7-10]。本文作者借助ANSYS平台，对影响中间旋转环式机械密封性能的关键结构参数进行分析，得到温度、接触压力、泄漏量等参数的变化规律，并得到相应的优化结果。

1　有限元模型

动环、中间环、静环及动环座和静环座是中间旋转环式机械密封系统的关键部件，其在各种载荷作用下的变形等将直接影响密封性能。因此，对中间旋转环式机械密封系统进行结构分析时，主要是对3个密封环及动环座和静环座组成的密封系统进行研究。基于此建立的中间旋转环式机械密封系统的有限元模型，如图1所示。

图1　有限元模型

Fig 1　Finite element model

2　关键结构参数对密封性能的影响

2.1　静环伸出长度的影响

静环伸出长度的基本尺寸L1=11 mm，以此为基准(x=0)，取静环伸出长度变化量范围为-5～10 mm，在此区间每隔1 mm计算一次密封环温度、接触压力及应力。

密封装置的最高温度随静环伸出长度变化的趋势如图2(a)所示。可见，随静环伸出长度的增加，密封环最高温度逐渐增加，由79.28 ℃增加到81.17 ℃，但增加的幅度不大，且增加的趋势逐渐变缓。如图2(b)、(c)所示，密封面的最大接触压力随静环伸出长度增大而逐渐减小，密封装置最大等效应力却增大。

图2　不同静环伸出长度下密封装置的性能参数

Fig 2　　　　Performance parameters of the mechanical seals under different extension elongations of static ring　(a)the highest temperature；

(b)maximum contact pressure;(c)maximum equivalent stress

当静环伸出长度增加时，密封环最高温度和最大等效应力增大，对密封装置运转不利；而静环伸出长度的减小，会使得密封面间最大接触压力增大，对密封装置也是不利的。综合考虑各种因素，静环伸出长度在原11 mm的基础上适当减小1～2 mm比较合适。此时，密封装置的最高温度和最大等效应力有所下降，而最大接触压力增加不是很多。

2.2　中间环厚度的影响

中间环厚度的基本尺寸L2=25 mm，以此为基准(x=0)，取中间环厚度变化量范围为-9～150 mm，在此区间合理选择变化量进行计算。

图3示出了不同中间环厚度下密封装置的性能参数。可知，中间环厚度变化时，中间环的温度分布发生很大的变化。密封装置最高温度随着中间环厚度的增大而减小，但减小的趋势逐渐变缓；密封装置整体的最大等效应力随着中间环厚度的增大而减小，且减小趋势也逐渐变缓，对于机械密封的结构是有利的；密封装置的接触面最大接触压力随着中间环厚度的增大而增大，但增大趋势逐渐减缓。

随中间环厚度增大，密封装置的最高温度及最大等效应力都逐渐减小，接触面最大接触压力虽逐渐增大但趋势减缓。因此，在中间环厚度基本尺寸25 mm的基础上增加30 mm左右时比较合适，这在保证接触压力增加较小的情况下使得温度和等效应力都有很大改善。

图3　不同中间环厚度下密封装置的性能参数

Fig 3　　　　Performance parameters of the mechanical seals under different thickness of intermediate ring(a)the highest temperature；

(b)maximum contact pressure;(c)maximum equivalent stress

2.3　动环伸出长度的影响

动环伸出长度的基本尺寸为7 mm，以此为基准(x=0)，取动环长度变化范围为-5～5 mm，每隔1 mm进行计算一次密封环温度、接触压力及应力。

图4示出了不同动环伸出长度下密封装置的性能参数。可知，随动环伸出长度增大，密封装置的最高温度和最大等效应力都增大，密封面最大接触压力先减小后增大，在变化量为-1 mm处出现最小值，如图4(b)所示。

图4　不同动环伸出长度下密封装置的性能参数

Fig 4　　　　Performance parameters of the mechanical seals under different extension elongations of rotary ring(a)the highest temperature；

(b)maximum contact pressure;(c)maximum equivalent stress

动环伸出长度的减小有利于降低密封环最高温度和最大等效应力，而最大接触压力会有一定升高。伸出长度变化时，温度、等效应力及接触压力变化范围都很小。综合考虑，动环伸出长度取基本尺寸7 mm时比较合适。

2.4　密封面宽度的影响

密封面宽度的基本尺寸为43 mm，以此为基准取密封面宽度为31～55 mm计算不同密封面宽度下的温度、接触压力及应力。

如图5所示，随密封面宽度的增加，密封装置最高温度、最大等效应力、密封面最大接触压力基本呈现出线性变化。随密封面宽度增大，密封装置的最高温度由75.95 ℃升高至84.19 ℃，最大接触压力由16.04 MPa减小至10.97 MPa，最大等效应力由135.22 MPa增大至159.42 MPa。

由于密封面宽度对机械密封的泄漏量影响较大，根据各密封面宽度下计算出的密封间隙，得到相应的端面泄漏量随密封面宽度的变化趋势如图6所示。可见，随着密封面宽度的增加，端面泄漏量发生很大的变化，密封面宽度由31 mm时增加到55 mm时，泄漏量增大了2.42倍。泄漏量与密封间隙的3次方成正比，与密封面宽度成反比。密封面宽度的增加使得密封面外部开口间隙变大，导致平均间隙增大，其对泄漏量的影响比密封面宽度要大许多。

图5　不同密封面宽度下密封装置的性能参数

Fig 5　　　　Performance parameters of the mechanical seals under different width of intermediate ring(a)the highest temperature；

(b)maximum contact pressure;(c)maximum equivalent stress

图6　端面泄漏量随密封面宽度的变化

Fig 6　Change of end face leakage with sealing surface width

密封面宽度的增加对温度和等效应力影响较小，可使接触压力减小很多，有助于减小密封环的磨损，虽然泄漏量有所增加，但在可控范围内。综合考虑，密封面宽度取53 mm时，可使最大接触压力减小15.1%，且泄漏量在可控范围之内。

2.5　中间环厚度与密封面宽度耦合的影响

静环和动环的伸出长度对机械密封性能的影响很小，中间环的厚度及密封面的宽度对密封性能影响较大，故仅对这2个因素进行耦合分析。参考前面的研究结果，中间环厚度和密封面宽度的耦合范围分别取46～61 mm、45～55 mm。不同条件下的最高温度、最大接触压力、最大等效应力及泄漏量分别如图7所示。

图7　不同中间环厚度及密封面宽度下密封装置的性能参数

Fig 7　　　　Performance parameters of the mechanical seals under different intermediate ring thickness and sealing surface width(a) the highest

temperature;(b) maximum contact pressure;(c) maximum equivalent stress;(d)total leakage

由图7可知，中间环厚度增大时，最高温度和最大等效应力减小，但最大接触压力和泄漏量增大；密封面宽度增大时，最高温度、最大等效应力和泄漏量增加，但最大接触压力减小。

从图7还可看出，在不同密封面宽度下各性能参数随中间环厚度的变化趋势是一致的，故在对密封性能分析时，中间环厚度和密封面宽度两因素是相互独立的，可用单一变量分开讨论。

3　密封环结构优化分析

综合密封环结构参数对密封性能的影响，对密封环结构进行优化，得到以下结果：静环和动环的伸出长度对机械密封性能的影响很小，综合各性能参数，分别取10 mm和7 mm较为合适；中间环的长度取55 mm时对降低温度和等效应力较为明显；密封面宽度对接触压力和端面泄漏量影响较大，在保证泄漏量增加不大的情况下尽量减小接触压力，取53 mm较为合适。

基于上述优化参数，对优化后的密封装置的性能进行耦合分析，结果如表1所示。优化结果表明，在保证泄漏量不超过允许值的条件下，结构优化后最高温度、最大等效应力、最大接触压力分别下降了11.22%、15.52%、10.97%，对机械密封的运转更为有利。

表1　结构优化前后性能参数对比

Table 1　　　　Comparison of performance parameters before and

after structure optimization

4　结论

(1)静环和动环的伸出长度对密封性能的影响很小，中间环厚度和密封面宽度对密封性能的影响较大。

(2)中间环厚度及密封面宽度对密封性能的影响相互独立，可用单一变量分开讨论。

(3)综合密封环结构参数对密封性能的影响，对密封环结构进行优化，优化后最高温度、最大等效应力、最大接触压力分别下降了11.22%、15.52%、10.97%，对机械密封的运转更为有利。