船舶尾軸環(huán)機械密封裝置端面變形研究

簡多榮

摘要：本文以新式船舶密封裝置的變形分析方法為主要研究對象，改善傳統(tǒng)變形分析帶來的計算失真問題，保障計算數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。依據(jù)密封時動環(huán)的受力值，分析得出動環(huán)端面的變形問題，計算結(jié)果更精準(zhǔn)，適用于端面變形問題研究。

Abstract： This paper takes the deformation analysis method of the new ship sealing device as the main research object to improve the calculation distortion problem caused by the traditional deformation analysis and ensure the accuracy of the calculation data. According to the force value of the movable ring during sealing， the deformation of the end face of the movable ring is analyzed， and the calculation result is more accurate， which is suitable for the study of the deformation of the end face.

關(guān)鍵詞：機械密封裝置;靜環(huán);動環(huán)

0? 引言

在船舶尾軸環(huán)位置采取的密封措施，擁有高度可靠功能、產(chǎn)生的能耗較低、占地空間較小等優(yōu)勢。在實際船舶使用期間，密封裝置能夠承載的負(fù)荷量，難以順應(yīng)時代的發(fā)展，逐漸呈現(xiàn)出功能的滯后性，加之長期反復(fù)使用，產(chǎn)生較為嚴(yán)重軸環(huán)磨損，引發(fā)了端面變形問題，造成泄漏事故頻發(fā)。

1? 建模

機械密封裝置1中，含有相對獨立的配件共計14組，依據(jù)裝置的內(nèi)部元素，假設(shè)裝置的動環(huán)為a1，其內(nèi)徑大小為r1，其外圍直徑大小為d1。假設(shè)裝置的靜環(huán)為a2，其內(nèi)徑值為r2，外圍O型圈內(nèi)的直徑值為d2。參考對稱原理概念，結(jié)合應(yīng)變函數(shù)公式，確定端面分析模型關(guān)系：①F=（cosα×Ebt×lims×h）/（λk），其中l(wèi)im的取值范圍為[s，∞]。關(guān)系中，F(xiàn)代表的是端面承載的局部受力值;E表示的是一種彈性量值;bt表示的是在t時間內(nèi)，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速;s代表的是面積，是由動環(huán)與靜環(huán)相關(guān)數(shù)據(jù)計算得出的端面面積值，單位為平方米;h表示的是船舶尾軸在行駛期間所承受的作用力大小;k表示的是裝置的密封強度;λ表示的是裝置所產(chǎn)生的摩擦阻力強度;α代表的是密封端面變形時產(chǎn)生的傾斜度。

2? 變形分析

2.1 動環(huán)端面比壓

端面比壓值，是產(chǎn)生端面變形的關(guān)鍵因素，確定比壓值，是變形分析的基礎(chǔ)，以便于迅速確定端面變形成因。應(yīng)確定動環(huán)與靜環(huán)涉及的相關(guān)參數(shù)。動環(huán)在實際運行期間，尾軸在密封狀態(tài)下，其受力情況較為繁復(fù)，具有較大的變化幅度，引起動環(huán)與其他配件產(chǎn)生無規(guī)律的接觸。圖1中h1表示的是動環(huán)初始化產(chǎn)生的預(yù)緊力;h2代表的是動環(huán)在橫閉操作時，產(chǎn)生的合力;h3指的是在密封條件下，動環(huán)承受的壓力值;h4代表的是液膜在發(fā)生反作用時，產(chǎn)生的力;h5表示的是端面實際負(fù)載的受力[1]。

依據(jù)圖1假設(shè)h1=h0，h2=q0，由此可得②q0=h3+h4+h5;由此發(fā)現(xiàn)，在混合狀態(tài)下，密封裝置所具有的閉合力值應(yīng)為q0，此力是三個力之和，分別為：端面受力、液膜作用力、密封壓力。如若h1與h2兩個力能夠互相抵消，則裝置處于良好的工作狀態(tài)。在h1、h2兩端同時接入摩擦面積因素：K1與K2，由η表示承載的受力系數(shù)，滿足η=K2/K1的關(guān)系式;ω表示密封狀態(tài)承受壓力的強度值，滿足v4=τv3，得出關(guān)系式③v1+v2=v4+v5+（K2/K1）×v3=v5+ηv3+ωv3。關(guān)系式中，v1表示的是受力狀態(tài)下的比壓值;v2表示的是摩擦狀態(tài)下的比壓值;v3代表的是密封狀態(tài)下，內(nèi)外產(chǎn)生的壓力差值;v4指的是液膜作用下的比壓值;v5表示的是軸環(huán)端面產(chǎn)生的比壓值。當(dāng)動環(huán)與靜環(huán)間距縮小時，即為+;當(dāng)兩者間距增大時，即為-，實現(xiàn)了彈性分析過程。

2.2 分析靜環(huán)位移變化規(guī)律

分析軸環(huán)所具有的物理性質(zhì)，考慮溫度因素，對軸環(huán)產(chǎn)生的影響。假設(shè)動環(huán)與靜環(huán)，兩者材質(zhì)存在物理差異，故而選擇橡膠素材的靜環(huán)端面，建立有限元模型，設(shè)定與計算靜環(huán)相關(guān)參數(shù)。橡膠材質(zhì)的物理性質(zhì)屬于多元化非線性，依據(jù)模型因素設(shè)定，參考應(yīng)變產(chǎn)生的密度函數(shù)關(guān)系，得出動靜環(huán)材質(zhì)彈性計算關(guān)系式：④g=（c（l1-y）+c1（l2-y）+（m-1）2）/x。關(guān)系式中的字母含義：g代表的是在應(yīng)變密度函數(shù)的作用下，靜環(huán)產(chǎn)生的諸多關(guān)系;c、c1表示的一種常數(shù)值，在RM模型下?lián)碛芯唧w定義;m表示的是變化因數(shù);y是一種固定數(shù)值;l1、l2表示的是應(yīng)變作用下，不具有變化能力的數(shù)值[2]。

基于橡膠材質(zhì)具有較強的穩(wěn)定性，不具有壓縮能力，得出關(guān)系式：⑤ξ=g（1+（c/c1））×{E（ψ+εDP）/（100-DP）}。關(guān)系式中E表示的是彈性常數(shù)值;ψ代表的是材質(zhì)的物理特性，包括抗變形能力;ε代表的是泊松比值;DP代表的是靜環(huán)材質(zhì)所具有硬度值。依據(jù)④與⑤的關(guān)系式，可以確定靜環(huán)材質(zhì)成分，與其他參數(shù)之間產(chǎn)生的相互關(guān)系，包括關(guān)聯(lián)性與影響力。靜環(huán)與參數(shù)產(chǎn)生的相互關(guān)系，變化趨勢如圖2所示。

由圖2可知，靜環(huán)在位移期間產(chǎn)生的變形程度d，與端面比壓，兩者存在線性關(guān)系，當(dāng)比壓值=3kPa時，變形程度呈現(xiàn)迅速增加趨勢。由此可知，端面比壓值與d存在一定相互關(guān)系。由此實現(xiàn)了分析密封裝置的變形成因。

3? 實驗

3.1 實驗準(zhǔn)備

為提升分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，隨機挑選密封裝置若干個，作為實驗研究主體。準(zhǔn)備各類參數(shù)，便于開展實驗，電功率值p1設(shè)為5kW，主軸功率p2數(shù)值保持在3kW，充分利用變頻調(diào)速器，實現(xiàn)對主軸轉(zhuǎn)速的控制，保持轉(zhuǎn)速v不大于2990，單位為rpm。測試完成后，保障無誤差，開展實驗分析。

3.2 方案設(shè)計

啟動實驗所需的變頻器電源，調(diào)整其穩(wěn)定的運行狀態(tài)。當(dāng)變頻器轉(zhuǎn)速v=1000時，維持此狀態(tài)15分鐘，觀察設(shè)備異?，F(xiàn)象，如若未發(fā)生異常，開展實驗流程。將v調(diào)成2920，在變頻器運行20分鐘時記錄實驗數(shù)據(jù)，記錄多組數(shù)據(jù)，保障實驗結(jié)果具有精準(zhǔn)性[3]。

3.3 分析實驗結(jié)果

將其中2個密封裝置設(shè)為實驗主體M與N，按照方案設(shè)計流程，記錄實驗數(shù)據(jù)。設(shè)置相關(guān)參數(shù)，將端面大小，假設(shè)為自變量o，分析其與真實變形量z之間的相互關(guān)系。密封裝置在型號不相同時，端面的變形點有所差異，產(chǎn)生的zo兩者差值趨近于0。由此說明，自變量對設(shè)備變形影響不明顯。

4? 結(jié)論

新的變形分析方式，從根本上解決傳統(tǒng)分析法的思維限制性，以裝置屬性為實驗依據(jù)，計算裝置內(nèi)相關(guān)參數(shù)數(shù)值，從而判定端面變形的影響因素，即作用力。此分析方式在計算期間，存在數(shù)據(jù)誤差較小，應(yīng)綜合考量材料具有物理量，包括張力與應(yīng)力等，實現(xiàn)計算結(jié)果更為精準(zhǔn)，分析流程更為完善。

參考文獻(xiàn)：

[1]何濤，王雋，劉旭康，等.密封面寬度對大潛深船舶尾軸機械密封性能的影響[J].潤滑與密封，2018，43（09）：71-75.

[2]徐媛媛，顧海，馬小勇，等.船舶尾軸環(huán)機械密封裝置端面變形分析[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2019，41（24）：64-66，204.

[3]劉良瑞.船舶尾軸環(huán)機械密封裝置端面變形分析[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2019，41（16）：73-75.