机械密封密封环端面温度场的测试研究

廖和滨 杨晓翔 刘康林 林孝英 (福州大学 福州 350002)

摘 要 自行设计了一套机械密封端面温度场测试试验台，此试验台采用热电偶测温法。对转速变化和密封压力变化等工况下密封环的温度场进行实验测试。并把实验结果与有限元数值结果进行了对比，结果证明所采用的测试方法是可行的，实验数据是可靠的。这为合理设计机械密封装置提供了理论依据。

关键词 机械密封、端面温度、测试技术、有限元法

1.引言

机械密封是最重要的流体密封技术之一，这种密封由于具有密封性能良好，使用方便、主机磨损小、抗震性强等一系列优点，因而获得广泛应用，在工业发达国家，旋转机械的密封装置中90%以上都采用了机械密封。但机械密封也存在使用寿命短、可靠性差、造价昂贵等缺点。克服这些缺点的有效方法是搞清机械密封的密封机理及影响其密封性能的主要因素[1]。研究表明：机械密封的端面温度是影响其密封性能的重要因素。因此，研究机械密封端面温度的测试方法具有重要的意义。

机械密封端面温度的测量方法主要有热电阻法、热电偶法和红外测量法等。由于热电偶[2]具有测试精度高，相对稳定性好，能准确反映温度变化情况的特点，而且可方便地埋设于密封环内，且便于多点测量。因此本实验采用热电偶进行端面温度测试。

2.试验装置

整个试验装置如图1所示，由二大部分组成：一是可调节机械密封试验装置，二是测试装置。

液压油泵驱动电机无级变速器机械密封流量调节装置信号调节手动电位差计 图1 试验装置 （1）密封装置：密封装置如图2所示。

1. 压力表2.上紧螺母 3.推环 4.O形圈 5.进液口

6.轴套 7.动环 8.热电偶 9.动环 10.主轴 11.托架 12.安装盘 13.压盖法兰 14.出液口 15.密封腔 16.后盖法兰 17. O形圈

图2 密封装置结构

为尽可能模拟实际工况，该机械密封在设计时充分考虑了各种参数的可调性。①速度：电机输出转速3000r/min，通过无级变速器，机械密封主轴转速可在0～3000rpm之间任意调节。②油压：采用独立的循环泵对机械密封加压，压力可在0～0.98MPa之间调节。③流量：通过节流阀和压力泵的协调作用，调节流量。在油压保持恒定的前提下，可调整流量大小。

（2）测试装置：测试装置采用直流电位差计，最后读表得出温度数据。

3.测试结果与分析

为检验作者设计的试验装置和采用的测试方法的可行性和准确性，本文实测了几组数据。本文采用的基本工况参数为：转速500r/min、1000r/min、1500r/min、2000r/min、2500r/min，油压0.12MPa、0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa、0.5MPa，密封介质N25机油。

热电偶通过垂直于静环端面的0.8mm孔埋设，埋设位置见图3。为使测得的温度更接近密封端面实际温度，用502胶固定热电偶。其中1、2、3、4、5均为等直径点，探究轴向的温度分布情况；2、6、7为等轴向点，探究径向温度分布。

图3 密封静环热电偶测点分布

3.1实验结果与分析

图4给出测点1端面温度随转速和密封压力的变化曲线。从图a可看出，在密封压力不变的情况下，温度随转速迅速升高，例如在0.40MPa压力下，温度从500rpm的35.17℃上升到2500rpm的68.22℃。从图b看出，在转速不变的工况下，该点温度随密封腔压力的增大变化较平缓，在2000rpm转速下，温度从0.12MPa的55.01℃上升到0.50MPa的68.36℃。由此可见，对于转速和密封压力两种因素相比较，转速的影响较大。

温度8070温度9080706050403060504030050010001500200025003000转速2000.10.20.30.40.50.6密封压力0.12MPa0.40MPa0.20MPa0.50MPa0.30MPa5002000100025001500

a) 不同压力下测点1温度分布曲线 b) 不同转速下测点1温度分布曲线

图4测点1温度分布曲线

图5为密封静环端面温度沿轴向分布的曲线，横坐标表示离左端面的轴向距离。图a为0.40 MPa压力不同转速下轴向温度分布曲线，从图中可以看到从端面开始到7mm处温度分布有一个下降区域，此后的温度基本上保持一个定值。图b为2000rpm转速不同密封压力下轴向温度分布曲线，可看出在定转速下，轴向温度分布曲线的前端有一下降区域，此后也趋于一定值。温度降主要集中在距离环左端面0～7mm处，此处有一个较大的温度梯度。

8075655545350250020004681012141618距离左端面距离100025001500020.124681012141618距离左端面距离0.200.50.30温度706050403020温度

0.40

a)在0.40 MPa压力下轴向温度分布曲线 b)在2000rpm转速下轴向温度分布曲线

图5 密封静环轴向温度分布曲线

图6为密封静环温度沿径向分布曲线，横坐标表示环半径。图a为0.4MPa压力不同转速下径向温度分布曲线，图b为在2000rpm转速不同压力下径向温度分布曲线。两者的温度分布规律相同，由于密封静环内外表面的对流换热系数不同，三点温度变化不大。在定压力工况下，测点7温度变化较大，随转速升高，从30.76℃上升58.90℃，但在定转速下，该点温度随压力升高，从44.99℃上升54.34℃，再次验证转速对温度场的影响比密封腔压力影响大。

656055504540353026.55654525048464426.5温度27500200027.52828.5环半径100025002929.51500温度2727.50.120.42828.5环半径0.200.5290.3029.5

a) 在0.4MPa压力下径向温度分布曲线 b) 在2000rpm转速下径向温度分布曲线

图6 密封静环径向温度分布曲线

3.2实验结果与数值解对比

表1 实验结果与数值解对比 测点 实测值（℃） 相对误差 1 60.68 3.06% 2 49.90 59.408 16.0% 3 46.20 58.018 20.37% 4 41.83 56.96 26.56% 5 42.76 57.111 25.13% 6 49.91 59.70 16.40% 7 50.67 59.837 15.32% 8 50.57 58.335 15.35% 数值解（℃） 62.593 密封静环的温度场可采用有限单元法进行数值计算[4]，表1列出各测点在2000rpm转速和0.40MPa密封压力的情况下有限元数值结果和实验测试结果。从表中看出，计算结果与试验结果基本相符，计算结果偏高10%～25%。主要原因是由于计算模型的假设条件与实际工况的差异造成的，如模拟的摩擦热认为热量全部分配到动静环，冷却液不传递热量、忽略由于静环钻孔而产生的影响、以及热电偶从环内导出部分热量等。

5.结论

用热电偶法测试机械密封端面温度是可行的。其数据相对稳定性好，能较准确反映温度变化趋势。作者建立的试验装置可以较准确测试出机械密封的端面温度。

参考文献

[1] Doust, T.G Parmar, A.I. “An Experimental and Theoritical Study of Pressure and Thermal Distortions in a Mechanical Seal”,ASLE Trans,1985,Vol.29,No.2,151-159。

[2] 邝朴生，徐福章，刘玉零，现代机器故障诊断学，农业出版社，1991。

[3] 朱孝平，汪九根等.机械密封端面温度简化计算模型，流体机械，1995，23（9）.31～36 [4] 廖和滨，杨晓翔等.机械密封静环温度场的有限元分析，材料保护，2004，37（7）.134～136