水的深度對(duì)船用機(jī)械密封端面變形的影響探析

朱擁軍

摘要：機(jī)械密封具有工作可靠、摩擦磨損小、密封性好、泄漏量少等特點(diǎn)，在機(jī)泵設(shè)備中廣泛使用。對(duì)于船用機(jī)械端面密封而言，當(dāng)水深發(fā)生變化時(shí)，密封結(jié)合面之間的摩擦熱、接觸力隨之發(fā)生變化，封面之間的接觸應(yīng)力也隨之改變。本文主要對(duì)機(jī)械密封進(jìn)行概述，并探析水深的變化對(duì)船用機(jī)械密封端面變形所產(chǎn)生的作用。

關(guān)鍵詞：機(jī)械密封；水深；端面變形；接觸力

依靠靜環(huán)端面與動(dòng)環(huán)端面間的緊密貼合，機(jī)械端面密封對(duì)密封介質(zhì)進(jìn)行阻止，進(jìn)而通過(guò)密封端面而實(shí)現(xiàn)密封目的[1]。在深潛水的潛艇、深吃水的水面船舶等推進(jìn)軸系上，機(jī)械端面密封被用于艉密封裝置中，防止船體外部的水泄漏。對(duì)于密封裝置泄漏，常由密封環(huán)安裝誤差、接觸變形、磨損等原因造成，在船舶行駛中，潛艇的潛深、船舶的吃水隨時(shí)變化，動(dòng)靜密封環(huán)面的接觸力改變，機(jī)械密封端面受到不同的力，在受力不均勻的情況下端面發(fā)生變形。

1.機(jī)械密封概述

機(jī)械端面密封的基本構(gòu)成是靜環(huán)、動(dòng)環(huán)，多在旋轉(zhuǎn)機(jī)械的軸系中應(yīng)用。在應(yīng)用中，隨著旋轉(zhuǎn)軸，動(dòng)環(huán)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，而靜環(huán)固定于殼體上，利用其后彈簧軸向發(fā)生浮動(dòng)。這樣，在轉(zhuǎn)軸運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)彈簧力與靜環(huán)背后的介質(zhì)壓力的共同作用，機(jī)械密封閉合力形成，對(duì)密封介質(zhì)起到阻止作用，阻礙其通過(guò)密封端面。同時(shí)，封端面間的接觸力、液膜壓力共同作用形成開(kāi)啟力，平衡于閉合力[2]。機(jī)械密封結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 機(jī)械密封結(jié)構(gòu)圖

由圖可知，當(dāng)介質(zhì)壓力、彈簧力變化時(shí)，密封端面間隙也隨之變化。同時(shí)，密封端面間開(kāi)啟力較大于閉合力時(shí)，端面間隙增大，增加密封泄漏量。在船用機(jī)械密封裝置中，在水下回旋運(yùn)動(dòng)中，密封環(huán)面不僅受到彈簧力、接觸力，還受到該裝置所在水深的水壓力，當(dāng)水深變化時(shí)，水深壓力所提供的密封接觸力不同，從而使密封面間產(chǎn)生不同的摩擦力、摩擦熱。

2.水深變化對(duì)船用機(jī)械密封端面的作用力分析

2.1邊界散熱、摩擦熱分析

作用于密封端面上的機(jī)械力、摩擦熱是其變形的載荷，動(dòng)靜密封環(huán)之間接觸摩擦，所產(chǎn)生的摩擦熱量使端面發(fā)生熱變形，而水壓力與密封彈簧的機(jī)械做出產(chǎn)生機(jī)械力，從而使密封端面發(fā)生機(jī)械變形，且密封泄漏多是由摩擦熱變形引起的。密封接觸面在密封裝置工作時(shí)處于完全潤(rùn)滑、潤(rùn)滑與接觸共存、完全干接觸等接觸狀態(tài)[3]。當(dāng)處于潤(rùn)滑狀態(tài)時(shí)，密封環(huán)面之間產(chǎn)生潤(rùn)滑液膜內(nèi)摩擦，形成摩擦熱。當(dāng)處于直接接觸狀態(tài)時(shí)，密封環(huán)摩擦直接產(chǎn)生摩擦熱。在船舶運(yùn)行過(guò)程中，密封水位發(fā)生變化，當(dāng)液膜潤(rùn)滑存在于動(dòng)靜密封環(huán)的接觸面中時(shí)，其封面產(chǎn)生的熱量就不受水深影響，直接與潤(rùn)滑剪切率相關(guān)，其計(jì)算摩擦熱的公式為：

2.2接觸力分析

在船舶行駛過(guò)程中，其推進(jìn)軸軸心線處于的水位不同，各點(diǎn)受到的靜水壓力不同，靜水壓力公式為PW=（h-rsinθ）ρg，其中PW為密封端面某點(diǎn)受到的水壓，r為密封面各點(diǎn)距離軸線中心的長(zhǎng)度，h為中心軸線的水下深度，θ為密封點(diǎn)與軸線中心水平方向所呈的角度，ρ為水密度，g為重力加速度[4]。這樣，在船舶吃水深度改變時(shí)，受到的水的作用力不同，在運(yùn)行中，密封端面便持續(xù)受到不同力的作用，內(nèi)外應(yīng)力始終處于變化中，使端面變形。其接觸力與水深的關(guān)系圖如圖2所示，而其變形與水深的關(guān)系如圖3所示。

圖2 接觸力與水深的關(guān)系 圖3 變形與水深的關(guān)系

有圖2可知，當(dāng)水的深度增加時(shí)，密封端面的內(nèi)外各點(diǎn)的作用力都隨之增加，且邊緣計(jì)算點(diǎn)的接觸應(yīng)力比內(nèi)緣點(diǎn)增加的速度快，接觸力增加量不一致。在水位較淺狀況位置時(shí)，內(nèi)緣點(diǎn)接觸應(yīng)大于外緣點(diǎn)，到了水位較深的位置，外緣點(diǎn)接觸力便大于內(nèi)緣點(diǎn)，密封環(huán)的接觸狀態(tài)發(fā)生變化，使偏磨向外圈轉(zhuǎn)移。同時(shí)，在此接觸力變化的過(guò)程中，端面變形程度也發(fā)生一致變化。

3.結(jié)束語(yǔ)

由于機(jī)械密封具有使用壽命長(zhǎng)、密封性好等特性，在化工、石油、航天等行業(yè)中廣泛使用。而在機(jī)械密封使用中，受工作條件中高溫、高速、高壓等因素的影響，端面易發(fā)生變形，造成磨損不均勻、密封性降低、泄漏量增加等問(wèn)題，影響正常工作。對(duì)于船用機(jī)械密封而言，潛水深度、船舶吃水深度的變化使密封環(huán)受到不同的作用力，密封面的接觸力不斷變化，造成端面變形，影響密封性能。

參考文獻(xiàn)：

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[4]周旭輝，疏舒，王雋等.某型船舶艉軸密封裝置端面密封失效分析及試驗(yàn)研究[J].潤(rùn)滑與密封，2011，36（1）：98-101，106.