艉軸密封彈簧組熱-結(jié)構(gòu)耦合分析*

王曉軍 王 磊 胡舉喜 楊 穎

(北京航空航天大學(xué)固體力學(xué)研究所1) 北京 100191)

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七〇四研究所2) 上海 200031)

1 引言

船用軸密封彈簧裝置是艦船推進(jìn)系統(tǒng)的重要組成部分,擔(dān)負(fù)著密封、防止外部的水或管內(nèi)的潤(rùn)滑劑漏入艙內(nèi)的重要作用。在實(shí)際的航行過(guò)程中,密封端面的變形、間隙、溫度相互耦合,極易形成局部的高應(yīng)力區(qū)和高溫區(qū),造成端面的磨損和侵蝕加劇,嚴(yán)重影響了密封裝置的整體性能及使用壽命[1～2]。針對(duì)船用軸密封裝置的熱—結(jié)構(gòu)耦合特性的研究具有重要的工程意義。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者在機(jī)械密封熱—結(jié)構(gòu)耦合方面已經(jīng)作了較多的工作,但是由于這一問(wèn)題本身的復(fù)雜性,這方面的研究一直是許多假設(shè)的前提下進(jìn)行的,得到的分析結(jié)果與實(shí)際的密封工況存在比較大的差異[3]。Pascovici和Etision等人[4]用解析法推導(dǎo)過(guò)端面溫度分布的計(jì)算公式,并對(duì)影響溫度分布的一些因素作了參數(shù)化研究;Li[5]假設(shè)密封面間的液膜物性參數(shù)不變,研究了液膜的溫度場(chǎng);Hughes和Chao[6]研究了液體端面密封中液膜的相變規(guī)律,但忽略了密封環(huán)外側(cè)與密封介質(zhì)的熱交換效果;國(guó)內(nèi)廖和濱等[7]將機(jī)械密封動(dòng)、靜環(huán)簡(jiǎn)化為兩個(gè)獨(dú)立的軸對(duì)稱(chēng)模型,利用經(jīng)驗(yàn)公式給出了動(dòng)、靜環(huán)的熱量分配比,從而得到靜環(huán)的摩擦熱;朱學(xué)明等[8]采用整體接觸法對(duì)船舶軸密封環(huán)進(jìn)行了熱-結(jié)構(gòu)耦合有限元計(jì)算,得到了密封環(huán)溫度場(chǎng)分布;周劍鋒等[9]按照換熱面積分守恒的原則研究了機(jī)械密封端面摩擦熱在動(dòng)環(huán)、靜環(huán)、端面間液膜和密封介質(zhì)組成的傳熱系統(tǒng)中的傳遞規(guī)律。

本文基于A(yíng)NSYS軟件對(duì)軸密封彈簧組結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析[10],分別通過(guò)瞬態(tài)分析和穩(wěn)態(tài)分析獲得了動(dòng)、靜環(huán)接觸端面的溫度場(chǎng)在軸向、徑向以及混合振動(dòng)狀態(tài)下的分布規(guī)律,有效地提高了軸密封裝置端面的密封性能。

2 軸密封彈簧組結(jié)構(gòu)及其工作原理

軸密封彈簧組裝置工程結(jié)構(gòu)如1所示,整個(gè)軸密封裝置除動(dòng)環(huán)、驅(qū)動(dòng)環(huán)隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)外,其余部件均通過(guò)固定座固定在船體上。實(shí)船安裝時(shí),Ω彈簧組已存在10mm的安裝壓縮量。整個(gè)彈簧組最大壓縮量22mm,最小壓縮量為4mm。密封端面軸向力主要有密封面的液膜壓力、密封腔內(nèi)海水壓力,初始狀態(tài)彈簧被壓縮10mm,使其具有承受較大的軸向和徑向振動(dòng)的能力。靜環(huán)被固定在靜環(huán)座上,動(dòng)環(huán)繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)與靜環(huán)產(chǎn)生摩擦,在接觸端面產(chǎn)生熱流密度。

圖1 軸密封彈簧組裝置工程圖

3 軸密封彈簧組結(jié)構(gòu)的有限元模型

根據(jù)如實(shí)地反映結(jié)構(gòu)的幾何形狀、構(gòu)造型式、材料特性、傳力路線(xiàn)、承載方式和邊界條件等因素的基本原則,將軸密封彈簧組結(jié)構(gòu)離散化為一個(gè)有限元分析模型。同時(shí)本文利用MSC.Patran重新建立新的彈簧組,考慮到靜環(huán)座為實(shí)體單元,且變形量很小,與彈簧組的明顯變形相比可視為剛體,這些實(shí)體單元對(duì)整體結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的影響主要體現(xiàn)于質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。于是對(duì)總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理簡(jiǎn)化,將上述的實(shí)體單元用一個(gè)集中質(zhì)量代替,集中質(zhì)量的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與實(shí)體結(jié)構(gòu)完全一致。由于實(shí)體結(jié)構(gòu)變形很小(視為剛體),認(rèn)為靜環(huán)座、靜環(huán)接觸面與彈簧組之間沒(méi)有相對(duì)位移,可以利用多點(diǎn)約束將靜環(huán)、靜環(huán)座接觸面和夾緊環(huán)結(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置固定,便得到了簡(jiǎn)化的有限元模型。此模型中,固定座采用固支的邊界條件,夾緊環(huán)與彈簧,動(dòng)環(huán)與靜環(huán)之間通過(guò)建立接觸對(duì)來(lái)模擬實(shí)際的邊界條件,簡(jiǎn)化的有限元模型如圖2所示。

圖2 簡(jiǎn)化的有限元模型

4 軸密封彈簧組熱-結(jié)構(gòu)耦合分析

4.1 瞬態(tài)熱分析

對(duì)軸密封彈簧組進(jìn)行了熱-結(jié)構(gòu)耦合瞬態(tài)分析,得到在軸向、徑向和混合振動(dòng)模式下靜環(huán)與動(dòng)環(huán)摩擦生熱條件下,靜環(huán)和動(dòng)環(huán)端面的溫度瞬態(tài)變化歷程。其中軸向振動(dòng)模式通過(guò)對(duì)動(dòng)環(huán)施加幅值5mm的正弦強(qiáng)制位移實(shí)現(xiàn),初始?jí)嚎s量為10mm;由于軸系的徑向振動(dòng)引起動(dòng)環(huán)偏轉(zhuǎn),使得動(dòng)環(huán)、靜環(huán)接觸面傾斜,造成接觸面壓力分布不均勻甚至漏水。軸系徑向振動(dòng)幅值最大為9mm,取動(dòng)環(huán)距軸支撐點(diǎn)的距離為 3.63m,則動(dòng)環(huán)最大偏轉(zhuǎn)角為0.00245rad。于是徑向振動(dòng)模式是將動(dòng)環(huán)壓縮至10mm壓縮量,保持0.00245rad的傾角不變繞Y軸以4Hz的頻率旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn);考慮實(shí)際工程狀態(tài)同時(shí)施加軸向、徑向振動(dòng),模擬混合振動(dòng)模式。

數(shù)值模擬結(jié)果顯示:1)混合振動(dòng)模式接觸面的溫度升高較快。轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)周期時(shí)混合振動(dòng),徑向振動(dòng)和軸向振動(dòng)的最高溫度分別為 28.335℃、27.237℃和27.079℃;2)對(duì)于端面溫度分布,由于接觸端面中間位置不易散熱,并且此處的接觸壓強(qiáng)偏高,使得接觸端面的兩側(cè)溫度低,中間溫度較高,在混合情況下中間和兩側(cè)溫度最高相差6.34℃。軸向壓縮量分別達(dá)到15mm、5mm時(shí)刻,在軸向、徑向振動(dòng)聯(lián)合作用下接觸面的溫度分布云圖如圖3、圖4所示。接觸面最大溫度出現(xiàn)在軸向壓縮量最大時(shí)刻(15mm),最大值為28.335℃;軸向壓縮量最小時(shí)刻(5mm),最大溫度值為25.808℃。截取接觸端面沿徑向三處節(jié)點(diǎn)(位置如圖5所示),比較不同振動(dòng)模式下個(gè)結(jié)點(diǎn)平均溫度變化情況如表1所示。圖6～圖8反映出混合振動(dòng)時(shí)各節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn),其中端面水槽處(節(jié)點(diǎn)2)溫度隨振動(dòng)模式變化影響最大。三種振動(dòng)激勵(lì)下軸密封彈簧組均滿(mǎn)足密封性要求。要很長(zhǎng)時(shí)間,無(wú)法通過(guò)瞬態(tài)模擬,因此利用一個(gè)周期內(nèi)的瞬態(tài)分析結(jié)構(gòu),得到一個(gè)周期內(nèi)熱流密度的平均值,以此作為穩(wěn)態(tài)分析的邊界條件。對(duì)動(dòng)靜環(huán)接觸面施加熱流密度邊界條件(如圖9所示,在不同振動(dòng)模式下熱流密度的大小和分布有所不同);同時(shí)為了考慮海水的冷卻,在動(dòng)靜環(huán)與海水接觸位置施加22℃溫度邊界條件(圖10);由于軸密封彈簧組外部與空氣進(jìn)行對(duì)流換熱,對(duì)動(dòng)靜環(huán)與空氣接觸位置施加對(duì)流換熱系數(shù)(圖11)分別為10和5,進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析得到穩(wěn)態(tài)的溫度場(chǎng)。

表1 節(jié)點(diǎn)1,2,3平均溫度比較

4.2 穩(wěn)態(tài)熱分析

由于瞬態(tài)分析耗時(shí)較長(zhǎng),而要達(dá)到一個(gè)穩(wěn)態(tài)需

對(duì)軸密封彈簧組進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合穩(wěn)態(tài)分析,得到三種振動(dòng)模式下動(dòng)靜環(huán)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布,動(dòng)靜環(huán)溫度場(chǎng)分布差別很小,在接觸位置動(dòng)靜環(huán)端面溫度幾乎相同,混合振動(dòng)模式下差別最高,為0.5℃。由于外部空氣的對(duì)流換熱和內(nèi)部海水的冷卻作用,使得動(dòng)靜環(huán)接觸端面溫度在中間溫度較高,兩側(cè)溫度偏低,在水槽處的溫度相對(duì)中間位置溫度偏低。軸向振動(dòng)時(shí)的溫度最低為77.69℃,混合振動(dòng)時(shí)的溫度最高為80.81℃。在穩(wěn)態(tài)熱耦合場(chǎng)作用下,端面接觸壓強(qiáng)明顯增大,三種振動(dòng)模式下的接觸端面都到達(dá)密封要求。其中,圖12、圖13反映出混合振動(dòng)模式下,動(dòng)、靜環(huán)端面溫度場(chǎng)的分布情況;圖14、圖15為壓縮量分別為10mm和15mm時(shí),接觸端面的壓強(qiáng)云圖。

圖13 混合振動(dòng)時(shí)靜環(huán)溫度場(chǎng)分布圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于A(yíng)NSYS軟件對(duì)軸密封彈簧組進(jìn)行了熱—結(jié)構(gòu)耦合分析。運(yùn)用耦合場(chǎng)分析方法給出了瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)作用下動(dòng)、靜環(huán)接觸端面在三種典型振動(dòng)模式下的溫度分布和端面壓強(qiáng)分布;并通過(guò)截取不同時(shí)刻的端面特性參數(shù),進(jìn)一步分析該軸密封裝置在正常工作條件下的密封性能隨溫度的變化情況,更好地掌握軸密封彈簧組熱-結(jié)構(gòu)耦合機(jī)理,提高軸密封彈簧組抗變工況的能力,并最終驗(yàn)證了該密封裝置在正常功過(guò)狀態(tài)下的端面密封性能。

[1]齊東華,姜曉燕,劉冬毅,等.艦船為軸密封技術(shù)應(yīng)用研究[J].流體機(jī)械,2002,30(5):4～7

[2]陳鋼耀,黃寶玉,包曉亮.艉軸密封技術(shù)的發(fā)展[J].世界海運(yùn),2000,23(1):37～38

[3]朱孝平,汪久根,周桂如.機(jī)械密封粗糙端面溫度分布研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,1996(1):37～39

[4]顧伯勤,周劍鋒,陳曄,等.機(jī)械密封端面間液膜摩擦熱的傳熱規(guī)律[J].中國(guó)科學(xué),2008,38(1):137～147

[5]Li C H.Thermal deformation in mechanical face seal[J].ASLE Tran,1976,19(2):146～152

[6]Hughes W F,Chao M H.Phase change in liquid face seals-isothermal and adiabatic bounds with real fluids[J].ASM E J Lubr Tech,1980,102(3):250～359

[7]廖和濱,楊曉翔,劉康林,等.機(jī)械密封靜環(huán)溫度場(chǎng)有限元分析[J].材料保護(hù),2004,37(7):139～141

[8]朱學(xué)明,劉正林,朱漢華,等.機(jī)械密封環(huán)熱—結(jié)構(gòu)耦合分析研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2005,29(2):198～201

[9]周劍鋒,顧伯勤.機(jī)械密封環(huán)的傳熱特性分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2006,42(9):201～206

[10]王勖成.有限單元法[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003