水下航行器艉軸球面機械密封熱-結構耦合分析.pdf

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1、第45卷第3期船海工程Vo1．45No．32016年6月SHIP&0CEANENGINEERINGJun．2016DOI：10．3963／j．issn．1671-7953．2016．03．015水下航行器艉軸球面機械密封熱一結構耦合分析周旭輝，劉正林(武漢理工大學能源與動力工程學院，武漢430063)摘要：針對船舶軸系校中不良、軸承磨損等因素會導致艉軸平面機械密封面出現(xiàn)垂向偏移，嚴重影響密封面的接觸壓力、溫度和變形等密封性能的問題，應用有限元方法建立水下航行器艉軸球面機械密封熱芻構耦合模型，在不同的潛深和軸轉速條件下，分析軸線垂向偏移對球面機械密封

2、的接觸壓力、溫度和變形狀況的影響規(guī)律，結果表明，在軸線有垂向偏移的情況下，密封球面的接觸壓力、溫度和變形與無偏移相比變化很小，說明球面機械密封具有良好的自位能力，能在不同工況條件下保持較穩(wěn)定的密封性能。關鍵詞：球面機械密封；熱一結構耦合模型；接觸壓力；溫度；變形中圖分類號：U664．2文獻標志碼：A文章編號：1671-7953(2016)03-0063-07艉軸機械密封是水下航行器的重要裝置，對展了許多研究，如橡膠壓延機、輥壓機等設備就采航行器的安全性、可靠性，以及生存能力具有重要用了楔形等靜態(tài)密封來調節(jié)輥筒的偏斜，以提高的影響。當前，船用艉軸密封

3、均采用普通平面機汽、水的密封性能_4J。但船舶軸系艉軸的機械密械密封，其動環(huán)多采用硬質合金材料，靜環(huán)多采用封是動密封，其密封面形狀沒有新的改進，依舊采碳石墨等非金屬材料，兩者組成的摩擦副具有較用平面結構引。這種平面結構會因軸線彎曲等好的密封性能，在化工、船舶等領域得到了較廣泛因素引起密封性能下降，因此須進行船舶艉軸機的應用。與化工領域不同，船用艉軸機械密封的械密封的密封面形狀變革研究J。船舶艉軸機使用環(huán)境和工況有其特殊性。受螺旋槳自重作械密封大都是接觸式密封，處于混合摩擦和邊界用、軸系校中不良、軸承磨損、軸段彎曲、航行環(huán)境摩擦狀態(tài)。密封面采用球面結

4、構能實現(xiàn)搖擺、以及振動等因素的影響，易導致艉軸機械密封的傾斜和旋轉運動，具有自動調心功能，可改進靜、動環(huán)的密封面不同軸，出現(xiàn)開口、偏磨等現(xiàn)象，密封面的接觸狀態(tài)，提高靜環(huán)的追隨性，適應艉軸引起密封面局部溫度上升，泄漏量增加H。如某彎曲、軸系對中不良所造成的密封面接觸不佳狀船軸系(軸徑660mm，轉速≤500r／min)相對軸況，因此應首先在理論上分析研究采用球面密封線下降量(落差)12．7mm，角偏差2。，與實際旋轉取代平面密封的可行性，開展基于艉軸軸線偏移中心偏擺3．17mm，這種狀況就會影響機械密封的球面機械密封性能探討，為密封的結構優(yōu)化設的密封

5、性能及其使用的安全性與可靠性J。隨計提供理論支持。著船舶的大型化、現(xiàn)代化，主機功率增大，軸系軸現(xiàn)以水下航行器艉軸球面機械密封為研究對頸加粗，潛深增加，使得艉軸密封的工作條件也越象，聚焦艉軸軸線垂向不偏移與偏移，即對中與不苛刻，技術難度也越大，要求密封裝置結構更加簡對中兩種狀況，應用有限元方法建立不同潛深和單、可靠，靜、動環(huán)具有自動對中的能力和良好的工作轉速工況下的球面機械密封的熱-結構耦合追隨性。模型，探討艉軸軸線偏移、潛深變化等對密封球面近年來，國內外學者在機械密封結構方面開的接觸壓力、溫度、變形的影響規(guī)律。1球面機械密封收稿日期：2015—10

6、—08球面機械密封(見圖1)的特點就是變革普通修回日期：2015—11—23基金項目：國家自然科學基金(51379168，51139005)平面機械密封的密封面結構，采用球面代替平面第一作者簡介：周旭輝(1978一)，男，博士生，高工實現(xiàn)密封功能，即艉軸機械密封的兩接觸表面由研究方向：船舶推進系統(tǒng)性能優(yōu)化平面變?yōu)榫哂幸欢ㄇ拾霃降那蛎?，從而提高機E-mail：zhou719303@163．tom械密封對艉軸軸線偏移的自適應能力及密封性63翟著周旭輝，等：水下航行器艉軸球面機械密封熱一結構耦合分析船第海45工卷程F，、A——密封環(huán)的導熱系數(shù)，W／(I

7、ll·℃)；Y面w——動環(huán)；式中：Z——艉軸段長度，mm；s——靜環(huán)。E——艉軸材料的彈性模量，MPa；假設：溫度場為穩(wěn)態(tài)，對稱分布；在工作過程，—一艉軸截面的極慣性矩，mm。中，摩擦系數(shù)保持不變，每個單元面上的熱流密度當艉軸軸線垂向偏移量(0、1、2mm)確定后，均勻分布。在計算時，將密封靜、動環(huán)的熱流當作施加在球心處的相應集中力F就可通過式(1)求邊界熱流輸人來處理。得，分別為0，3．51×10和7．02×10N。計算結果表明，靜環(huán)分配的熱流密度g占密2．2．2外部載荷施加封球面總熱流密度9的1％，動環(huán)(q／口)占99％。球面機械密封耦合模型的

8、彈簧比壓p。。為在ANSYS中加載熱流密度時，只須對定義了接觸0．21MPa，海水壓力P為1，2，3，4，5MPa，相應的