水下航行器中間旋轉(zhuǎn)環(huán)式機(jī)械密封性能分析.pdf

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1、第29卷第2期2016年4月中國(guó)修船CHINASHIPREPAIRV01．29No．2Apr．2016水下航行器中間旋轉(zhuǎn)環(huán)式機(jī)械密封性能分析王建，孟祥坤，鄒力，劉正林(武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北武漢430063)摘要：根據(jù)水下航行器的不同工況，借助Ansys對(duì)中間旋轉(zhuǎn)環(huán)式機(jī)械密封進(jìn)行仿真分析其密封性能，為該密封裝置在水下航行器上的應(yīng)用提供理論支持。關(guān)鍵詞：中間環(huán)式機(jī)械密封；有限元；熱一結(jié)構(gòu)耦合分析中圖分類號(hào)：U672doi：10．13352／j．issn．1001—8328．2016．02．008Abstract：Accor

2、dingtothedifferentoperatingconditionsoftheunderwatervehicle，thesealingperformanceoftheintermediaterotaryringmechanicalsealissimulatedviaAnsys，whichprovidestheoreticalsupportfortheapplicationofthesealonaship．Keywords：intermediaterotaryringmechanicalseal；finiteelement；cou

3、plingofthermal—structureanalysis機(jī)械密封具有泄漏量少、壽命長(zhǎng)、摩擦耗功小、無(wú)磨損、密封參數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)¨以J。隨著水下航行器大型化、現(xiàn)代化的發(fā)展，其艉軸直徑及艉軸機(jī)械密封尺寸較大，線速度較高，加之海水介質(zhì)壓力較大，易出現(xiàn)局部溫升過(guò)高，甚至出現(xiàn)汽化和密封環(huán)開(kāi)啟現(xiàn)象，導(dǎo)致密封失效∞“J。應(yīng)用更好的機(jī)械密封方式來(lái)減小密封環(huán)間的相對(duì)速度，降低密封環(huán)溫度，保證機(jī)械密封穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。國(guó)內(nèi)外目前機(jī)械密封的研究仍存在不足，比如潛艇艉軸機(jī)械密封通常采用平面動(dòng)靜環(huán)結(jié)構(gòu)形式，中間旋轉(zhuǎn)環(huán)式機(jī)械密封在潛艇的應(yīng)用仍存在問(wèn)題。1建立中間旋轉(zhuǎn)

4、環(huán)式機(jī)械密封有限元模型中間旋轉(zhuǎn)環(huán)式機(jī)械密封結(jié)構(gòu)如圖1所示。動(dòng)環(huán)、中間環(huán)、靜環(huán)以及動(dòng)環(huán)座和靜環(huán)座是中間旋轉(zhuǎn)環(huán)式機(jī)械密封系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其在各種載荷的作用下產(chǎn)生變形等現(xiàn)象將直接影響密封的性能。因此主要對(duì)3個(gè)密封環(huán)、動(dòng)環(huán)座和靜環(huán)座以及各部件周圍介質(zhì)(空氣、海水)組成的密封系統(tǒng)進(jìn)行力學(xué)性能方面的研究。根據(jù)中間旋轉(zhuǎn)環(huán)式機(jī)械密封示意圖，建模時(shí)動(dòng)環(huán)與中間環(huán)、靜環(huán)與中間環(huán)間采用整體接觸法，柔體一柔體接觸類型和面一面1一艉軸；2一中間環(huán)驅(qū)動(dòng)裝置；3一靜環(huán)座；4一彈簧座；5一彈簧；6一靜環(huán)；7一中間環(huán)；8一動(dòng)環(huán)；9一動(dòng)環(huán)座；10一密封圈；11一支撐軸承。

5、圖1中間旋轉(zhuǎn)環(huán)式機(jī)械密封示意圖接觸方式符合實(shí)際情況。機(jī)械密封環(huán)是軸對(duì)稱的，即結(jié)構(gòu)尺寸和其各載荷都是軸對(duì)稱的，故可用一軸向截面來(lái)代替三維模型進(jìn)行分析。2中間旋轉(zhuǎn)環(huán)式機(jī)械密封穩(wěn)態(tài)熱一結(jié)構(gòu)耦合分析艉軸機(jī)械密封是在一定的外部海水壓力及轉(zhuǎn)速下工作的，旋轉(zhuǎn)體與固定體之間的受力比較復(fù)雜。中間環(huán)與靜環(huán)和動(dòng)環(huán)分別形成2個(gè)密封副，摩擦?xí)?dǎo)致密封環(huán)溫度升高，產(chǎn)生熱變形與熱應(yīng)力，使得接觸區(qū)域發(fā)生變化，此變化又會(huì)影響到滑動(dòng)摩擦生基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(51139005)作者簡(jiǎn)介：王建(1992-)，男，河南洛陽(yáng)人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)榇皠?dòng)力

6、裝置系統(tǒng)性能分析、載運(yùn)工具應(yīng)用工程?！?6·2016年第2期王建，等：水下航行器中f,l旋g-Jg<機(jī)械密封性能分析第29卷熱問(wèn)題。因此，對(duì)機(jī)械密封裝置進(jìn)行穩(wěn)態(tài)工況(正常工況)的熱一結(jié)構(gòu)耦合分析很有必要。動(dòng)環(huán)和中間環(huán)分以轉(zhuǎn)速200r／min、100r／min同向轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)中間旋轉(zhuǎn)環(huán)式機(jī)械密封和普通型機(jī)械密封進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱一結(jié)構(gòu)耦合分析計(jì)算，同時(shí)對(duì)中間旋轉(zhuǎn)環(huán)式機(jī)械密封進(jìn)行求解，分析不同水深100～600m(外部介質(zhì)壓力l～6MPa)對(duì)密封端面溫度、接觸壓力、間隙及等效應(yīng)力等結(jié)果的影響。2．1密封端面溫度分布密封端面溫度是機(jī)械密封的一個(gè)重要參數(shù)

7、，若溫度超過(guò)密封介質(zhì)在相應(yīng)壓力下的汽化點(diǎn)，會(huì)使得密封開(kāi)啟或失效。為和中間旋轉(zhuǎn)環(huán)式機(jī)械密封的動(dòng)環(huán)和靜環(huán)有所區(qū)別，普通型機(jī)械密封的動(dòng)環(huán)和靜環(huán)分別稱作普通一動(dòng)環(huán)和普通一靜環(huán)，中間A和中間B分別表示中間環(huán)與動(dòng)環(huán)、中間環(huán)與靜環(huán)所接觸的密封端面。外部介質(zhì)壓力為6MPa時(shí)，中間旋轉(zhuǎn)環(huán)式機(jī)械密封和普通型機(jī)械密封各節(jié)點(diǎn)上的溫度分布如圖2所示。密封端面節(jié)點(diǎn)圖26I～-][P8時(shí)密封端面節(jié)點(diǎn)溫度由計(jì)算結(jié)果可知：2種機(jī)械密封的最高溫度都出現(xiàn)在密封端面的內(nèi)側(cè)，因?yàn)閮?nèi)側(cè)接觸壓力大，產(chǎn)生熱量也大，同時(shí)內(nèi)側(cè)的對(duì)流換熱條件較外側(cè)差很多，易出現(xiàn)高溫區(qū)；中間環(huán)使得密封端面

8、最高溫度比普通型降低了13％；隨節(jié)點(diǎn)半徑增大，普通型機(jī)械密封動(dòng)環(huán)和靜環(huán)密封端面的節(jié)點(diǎn)溫度呈現(xiàn)先少許增大然后減小的趨勢(shì)，在第3個(gè)節(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)最大值；中間旋轉(zhuǎn)環(huán)式機(jī)械密封的4個(gè)密封端面上的節(jié)點(diǎn)溫度呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，第7個(gè)節(jié)點(diǎn)