針對大型核電設(shè)備的干氣密封裝置的振動特性的研究，利用ANSYS軟件對螺旋槽干氣密封動環(huán)模型進行自由模態(tài)分析和約束模態(tài)分析，計算得到其固有頻率和振型，為動環(huán)的動態(tài)響應(yīng)分析提供參考；通過LMS振動試驗測試動環(huán)自由狀態(tài)下的固有頻率，將其結(jié)果與軟件計算結(jié)果相比較，通過其誤差大小可驗證軟件模態(tài)分析的可靠性。通過得到的固有頻率和振型結(jié)果對比分析，可知AN⁃SYS有限元分析結(jié)果是可信的，可根據(jù)分析結(jié)果對密封結(jié)構(gòu)進行改善。

　　前言

　　干氣密封是最常用的一種非接觸式密封方式之一，動環(huán)和靜環(huán)是這種密封結(jié)構(gòu)的主要組成部分。當(dāng)動環(huán)高速旋轉(zhuǎn)時，因流體靜壓和動壓作用，動靜環(huán)之間的密封環(huán)端面間會形成一層氣膜，同時產(chǎn)生一個開啟力使密封動靜環(huán)分離開來。非接觸式密封減少了密封環(huán)之間的摩擦，且氣膜相對比較穩(wěn)定，可以減少泄漏量，減少磨損，提高密封性能和延長密封使用壽命，可靠性較高。

　　近年來，干氣密封被廣泛運用于多種壓縮機、泵及其他某些高速高壓設(shè)備中。目前，在該領(lǐng)域國內(nèi)外都已經(jīng)做了很多的研究，其中很多以密封端面的螺旋槽型作為研究對象，雖然從理論上來講，根據(jù)流體動力學(xué)知識，在干氣密封端面的溝槽無論是什么形狀，動環(huán)高速旋轉(zhuǎn)時，端面都會產(chǎn)生動壓效應(yīng)，但蔡文新、王玉明等的理論研究表明，相比于其他槽型，螺旋槽密封工作時流體動壓效應(yīng)更明顯，密封性能更好。

　　模態(tài)分析是動力學(xué)分析的基礎(chǔ)部分，它為動力學(xué)分析中的諧響應(yīng)分析、譜分析以及瞬態(tài)動力學(xué)等分析打下了基礎(chǔ)，提供最基本的數(shù)據(jù)。需要分析的零件或結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型是模態(tài)分析計算的主要研究內(nèi)容， 應(yīng)用此分析得到所設(shè)計零部件的固有頻率和振型之后，就可以在工作中避開固有頻率值，預(yù)防由外界激勵而引起的共振，避免造成密封失效或者設(shè)備損害等后果。

　　基于此，本文以日機密封公司指定的一套螺旋槽干氣密封為研究對象，對其密封動環(huán)進行振動模態(tài)分析，并通過LMS振動試驗驗證分析的可靠性。

　　1、有限元模態(tài)分析

　　1)建立有限元模型

　　本文以日機密封的一個具體動環(huán)作為研究對象，首先利用SolidWorks對其進行三維建模，然后利用AN⁃SYS對其進行模態(tài)分析。其端面幾何尺寸為：內(nèi)徑r1=101.25mm，外徑r2=131.5mm，螺旋槽底半徑r3=117mm。本文所用動環(huán)是一個軸對稱零件，用有限元方法分析計算時通常選擇四節(jié)點或八節(jié)點軸對稱單元。綜合考慮計算精度和效率等因素，最終選擇八節(jié)點六面體單元solid45來對此動環(huán)進行描述。動環(huán)的材料為SSiC，材料屬性為：彈性模量E=430 GPa；密度ρ=3240kg/m3；泊松比μ=0.26。利用有限元分析前處理專業(yè)軟件hypermesh 對動環(huán)三維模型進行網(wǎng)格劃分，生成103 858個單元和24 012個節(jié)點。螺旋槽動環(huán)模型如圖1所示。

圖1 螺旋槽動環(huán)模型

　　2)確定邊界條件和求解方法

　　動環(huán)固定在軸套上，對動環(huán)外緣的3個約束面進行約束，同時受軸套、動環(huán)座、介質(zhì)壓力和氣膜壓力的作用，工作時跟隨軸一起轉(zhuǎn)動。本文先對其進行自由模態(tài)分析，再進行約束模態(tài)分析。高速旋轉(zhuǎn)的零部件在工作時會受到離心力的作用，其固有頻率值與靜止時的值相比會存在一定的差異。因此，對動環(huán)進行模態(tài)分析時，設(shè)置邊界條件需要將離心力的影響列入考慮，故用ANSYS對其進行加預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析，即在分析前加上動環(huán)527.52 rad/s的旋轉(zhuǎn)角速度。同時對動環(huán)的外部進行自由度約束。

　　在ANSYS將分析類型定義為模態(tài)分析后，需設(shè)置本次分析所關(guān)注的模態(tài)階數(shù)，并確定矩陣值求解方法。ANSYS常用的矩陣值求解法包括分塊蘭索斯法、子空間法、PowerDynamics法、縮減法等模態(tài)提取方法。對于對稱特征值求解問題，運用分塊蘭索斯法計算的收斂速度比其他的模態(tài)提取方法更快。為了計算速度比較快，且得到的結(jié)果也比較準(zhǔn)確，本文采用分塊蘭索斯法。

　　3)模態(tài)分析結(jié)果

　　機械密封動環(huán)在運行過程中的振動會引起密封件磨損、變形等，從而導(dǎo)致密封效果不理想，若振動過大還會對整個機械密封結(jié)構(gòu)的工作性能造成影響，甚至引起密封失效。模態(tài)是機械結(jié)構(gòu)的固有特性，每一個模態(tài)對應(yīng)相應(yīng)的固有頻率、模態(tài)振型和阻尼比。然而不同的模態(tài)對結(jié)構(gòu)頻率響應(yīng)的貢獻是不同的，例如對本文中動環(huán)的低頻響應(yīng)來說，高階模態(tài)的貢獻就較小。根據(jù)振動理論，此密封結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性主要受低階模態(tài)的影響。故在實際應(yīng)用中，只需研究結(jié)構(gòu)的前幾階或十幾階模態(tài)，這樣工作量就大為減少。

　　2、結(jié)論

　　本文運用ANSYS對干起密封重要零件動環(huán)進行了有限元自由模態(tài)分析和約束模態(tài)分析，得到其前幾階固有頻率和振型。并對自由狀態(tài)下的動環(huán)進行了LMS動態(tài)特性試驗，得出了自由狀態(tài)下的前幾階固有頻率和振型，與之前的ANSYS計算結(jié)果相比較，可以看出誤差并不大，故ANSYS的計算結(jié)果是可信的。

　　通過ANSYS軟件對動環(huán)進行了加預(yù)應(yīng)力的約束模態(tài)分析，選取了前8階固有頻率和振型作為研究對象，可以看出，此動環(huán)的前8 階固有頻率值在2661.3～10763HZ之間，在實際工作情況下，外界給予其振動頻率很難達到如此高的值，故可以認(rèn)為動環(huán)在正常工作情況下不會發(fā)生共振，在以后的設(shè)計或優(yōu)化過程中可以不用重點考慮振動對密封性能的影響，不過觀察動環(huán)振型可以看出，在約束位置上的變形最大，故為了使動環(huán)的振動對密封性能的影響更小，可以考慮在動環(huán)上多添加幾個約束面。