水下航行器艉轴球面机械密封热-结构耦合分析.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水下航行器艉轴球面机械密封热一结构耦合分析周旭辉，刘正林(武汉理工大学能源与动力工程学院，武汉430063)摘要：针对船舶轴系校中不良、轴承磨损等因素会导致艉轴平面机械密封面出现垂向偏移，严重影响密封面的接触压力、温度和变形等密封性能的问题，应用有限元方法建立水下航行器艉轴球面机械密封热刍构耦合模型，在不同的潜深和轴转速条件下，分析轴线垂向偏移对球面机械密封

2、的接触压力、温度和变形状况的影响规律，结果表明，在轴线有垂向偏移的情况下，密封球面的接触压力、温度和变形与无偏移相比变化很小，说明球面机械密封具有良好的自位能力，能在不同工况条件下保持较稳定的密封性能。关键词：球面机械密封；热一结构耦合模型；接触压力；温度；变形中图分类号：U664．2文献标志码：A文章编号：1671-7953(2016)03-0063-07艉轴机械密封是水下航行器的重要装置，对展了许多研究，如橡胶压延机、辊压机等设备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静态密封来调节辊筒的偏斜，以提高的影响。当前，船用艉轴密封

3、均采用普通平面机汽、水的密封性能_4J。但船舶轴系艉轴的机械密械密封，其动环多采用硬质合金材料，静环多采用封是动密封，其密封面形状没有新的改进，依旧采碳石墨等非金属材料，两者组成的摩擦副具有较用平面结构引。这种平面结构会因轴线弯曲等好的密封性能，在化工、船舶等领域得到了较广泛因素引起密封性能下降，因此须进行船舶艉轴机的应用。与化工领域不同，船用艉轴机械密封的械密封的密封面形状变革研究J。船舶艉轴机使用环境和工况有其特殊性。受螺旋桨自重作械密封大都是接触式密封，处于混合摩擦和边界用、轴系校中不良、轴承磨损、轴段弯曲、航行环境摩擦状态。密封面采用球面结

4、构能实现摇摆、以及振动等因素的影响，易导致艉轴机械密封的倾斜和旋转运动，具有自动调心功能，可改进静、动环的密封面不同轴，出现开口、偏磨等现象，密封面的接触状态，提高静环的追随性，适应艉轴引起密封面局部温度上升，泄漏量增加H。如某弯曲、轴系对中不良所造成的密封面接触不佳状船轴系(轴径660mm，转速≤500r／min)相对轴况，因此应首先在理论上分析研究采用球面密封线下降量(落差)12．7mm，角偏差2。，与实际旋转取代平面密封的可行性，开展基于艉轴轴线偏移中心偏摆3．17mm，这种状况就会影响机械密封的球面机械密封性能探讨，为密封的结构优化设的密封

5、性能及其使用的安全性与可靠性J。随计提供理论支持。着船舶的大型化、现代化，主机功率增大，轴系轴现以水下航行器艉轴球面机械密封为研究对颈加粗，潜深增加，使得艉轴密封的工作条件也越象，聚焦艉轴轴线垂向不偏移与偏移，即对中与不苛刻，技术难度也越大，要求密封装置结构更加简对中两种状况，应用有限元方法建立不同潜深和单、可靠，静、动环具有自动对中的能力和良好的工作转速工况下的球面机械密封的热-结构耦合追随性。模型，探讨艉轴轴线偏移、潜深变化等对密封球面近年来，国内外学者在机械密封结构方面开的接触压力、温度、变形的影响规律。1球面机械密封收稿日期：2015—10

6、—08球面机械密封(见图1)的特点就是变革普通修回日期：2015—11—23基金项目：国家自然科学基金(51379168，51139005)平面机械密封的密封面结构，采用球面代替平面第一作者简介：周旭辉(1978一)，男，博士生，高工实现密封功能，即艉轴机械密封的两接触表面由研究方向：船舶推进系统性能优化平面变为具有一定曲率半径的球面，从而提高机E-mail：zhou719303@163．tom械密封对艉轴轴线偏移的自适应能力及密封性63翟着周旭辉，等：水下航行器艉轴球面机械密封热一结构耦合分析船第海45工卷程F，、A——密封环的导热系数，W／(I

7、ll·℃)；Y面w——动环；式中：Z——艉轴段长度，mm；s——静环。E——艉轴材料的弹性模量，MPa；假设：温度场为稳态，对称分布；在工作过程，—一艉轴截面的极惯性矩，mm。中，摩擦系数保持不变，每个单元面上的热流密度当艉轴轴线垂向偏移量(0、1、2mm)确定后，均匀分布。在计算时，将密封静、动环的热流当作施加在球心处的相应集中力F就可通过式(1)求边界热流输人来处理。得，分别为0，3．51×10和7．02×10N。计算结果表明，静环分配的热流密度g占密2．2．2外部载荷施加封球面总热流密度9的1％，动环(q／口)占99％。球面机械密封耦合模型的

8、弹簧比压p。。为在ANSYS中加载热流密度时，只须对定义了接触0．21MPa，海水压力P为1，2，3，4，5MPa，相应的