對船舶艉軸機械密封環(huán)溫度場與變形的理論分析

張良平 李淑敏 丁小玲

摘 要：在船舶密封工業(yè)當中，船舶艉軸密封工作對于船舶安全影響較為顯著，但是在實際生產中，機械密封摩擦卻會造成磨損并產生熱量。本文在對船舶密封工藝進行研究和分析后，提出了關于船舶艉軸在密封環(huán)溫度場分析方面的假設，依據(jù)假設的定義內容，選定了有限元分析方法。最后利用耦合模型分析對密封環(huán)在密封端面的發(fā)熱情況做出分析論證，討論溫度場和變形情況。

關鍵詞：船舶密封工藝；艉軸密封；有限元分析；密封環(huán)

現(xiàn)代船舶的密封技藝發(fā)展相對迅猛，在艉軸密封方面，主要采用高壓、高速、大軸徑的密封策略。隨著這種密封工藝技術在實際應用中具有一定意義，但是由于工況條件，其摩擦副間極容易受到密封工藝影響造成摩擦力不斷增大，其內部端面則會由于溫度分布布局從而產生內部熱應力，造成變形。針對這一規(guī)律進行有限元分析，并對其作出判斷，有助于艉軸密封的工藝提升。

一、艉軸密封環(huán)溫度場假設

隨著密封工藝的發(fā)展，艉軸密封工藝在實際的密封應用當中極具復雜性，為了保證有限元模型分析能夠對密封環(huán)溫度場作出精確判斷，從而完成模型建設，使有限元模型能夠獲得可求解性。[1]本文結合艉軸密封的工藝特色，提出了以下幾方面艉軸密封的假設。

假設一：模型設定當中，為軸機械密封環(huán)的模型形態(tài)需要具有軸對稱的點，軸對稱下的密封環(huán)，其中尺寸、形狀、載荷等具體外形。數(shù)據(jù)都具有軸對稱特征

假設二：艉軸密封環(huán)應當是理想狀態(tài)下的彈性體，表明該環(huán)具有均勻連續(xù)、同向性等材料特點。

假設三：密封環(huán)所選擇的材料及其所具有的密封介質具有極高穩(wěn)定性，該材料不會隨時間推移、環(huán)境溫度變化而發(fā)生改變的，表明機械密封環(huán)材料本身溫度場保持恒定。

假設四：位于密封端面位置的流體換熱邊界當中，介質溫度不會對密封工藝差生影響，因而可以完成換熱邊界的簡化，成為對流換熱邊界。

假設五：模型分析不考慮因熱輻射所造成的熱量損失數(shù)據(jù)。

二、有限元幾何模型構建與分析

（一）有限元模型設定

為了能夠精確探究密封環(huán)溫度場中艉軸變形情況，本文利用數(shù)學模型方式，對常用船舶中某型號艉軸密封裝置進行了建模，在模型當中，主體表現(xiàn)的內容為靜環(huán)和動環(huán)兩個部分，其中模型表達的靜環(huán)為常規(guī)密封裝置當中的補償力提供部分裝置，在實際的密封裝置當中，該部分的材料通常為丁晴橡膠材料；而動環(huán)裝置處于模型中的摩擦部分，其主要的功能在與提升整體裝置的耐腐蝕性能和耐磨性能，因此在材料方面，遵循了傳統(tǒng)應用材料WCNI材料，完成模型搭建。[2]

在完成了數(shù)學表達模型建構之后，本文選用了著名的有限元處理軟件ANSYS對模型進行網格劃分，從而對密封裝置的動環(huán)和靜環(huán)作出有限元的分析判斷。

（二）邊界材料有限元分析

目前應用于艉軸密封工藝中的密封環(huán)裝置，通常采用的材料主要由橡膠、45#鋼材以及WCNI材料三種，三種材料在密度、彈性模量、比熱容以及導熱系數(shù)等方面存在較大差異，以導熱系數(shù)為例，常規(guī)橡膠材料的導熱系數(shù)僅為0.25WK，而45#鋼材則可以超過65W，WCNI材料則接近100W。相反，在比熱容方面，常規(guī)橡膠材料能夠達到1700J，而45#鋼與WCNI兩種材料則相對較低，分別為460J和480J。本文所進行的模型分析材料對象為某型號密封環(huán)裝置，其靜環(huán)采用了丁晴橡膠材料，動環(huán)則選用WCNI材料，這兩種材料作為密封環(huán)溫度場中直接進行摩擦的材料，需要借助有限元模型進行溫度變化規(guī)律的分析。

密封環(huán)所接觸到的動環(huán)與靜環(huán)的摩擦為混合狀態(tài)下的機械摩擦，所產生的摩擦熱量Q如下公式所進行表述的。

公式1：Q=f·Fc·V

式中，f為摩擦系數(shù)常數(shù)，取值為0.36，F(xiàn)c為模型中密封端面所受到的壓力，V則為動環(huán)轉動所形成的線速度。

通過分析計算能夠獲取到模型分析狀態(tài)下密封環(huán)受到摩擦所產生熱量的分布情況。在以往的模型研究中，研究者向借助摩擦熱比例分配或者二維導熱穩(wěn)態(tài)共識等對密封摩擦的具體分布情況作出推斷，但是首先與模型材料和實用性，往往難以奏效，本文在進行分析研究中，所采用的是摩擦熱分配方法，在模型分析中能夠通過端面控制完成熱量的優(yōu)先傳遞，從而獲取密封環(huán)中溫度場的基本狀態(tài)。

模型分析結果顯示，模型當中密封環(huán)在不同的邊界下所表現(xiàn)出的對流換熱系數(shù)數(shù)值差異巨大，數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果中，最高對流換熱系數(shù)已經接近1.1萬，而最小的對流換熱系數(shù)約為392，表明密封環(huán)當中的溫度場因摩擦所產生的溫度變化極為不均衡。

三、耦合模型下的機械密封環(huán)變形情況

受到溫度場內部的各個便捷在對流換熱系數(shù)上極高的差異值影響，動環(huán)與靜環(huán)材料會由于受熱不均而發(fā)生一定程度的變形。為了能夠探究其變形情況，需要將已經完成計算的對流換熱系數(shù)部分帶入到耦合模型當中，對變形規(guī)律作出判斷。在模型當中，為了作出準確判斷，筆者以有限元網格劃分為基礎，對下端面和上端面進行了節(jié)點劃分。通過控制主軸速度和接觸端面溫度對其位移量進行統(tǒng)計，結果顯示，靜環(huán)下端面受溫差所產生的變形量下端面明顯高于上端面，進過分析可以了解，靜環(huán)上端面與動環(huán)直接接觸，而下端面則與動環(huán)存在一定空間，空間內部構造形態(tài)為錐形，受熱后會造成熱流密度逐漸提升，造成變形量增大。

四、結論

綜上所述，通過利用有限元分析和耦合模型分析，能夠對一定條件下的機械密封環(huán)運行狀態(tài)作出模擬，并判斷其對流換熱系數(shù)，從而獲得密封環(huán)內部的溫度場溫度分布情況。動環(huán)和靜環(huán)的相對位置，受到溫度變化影響，從而影響變形量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)信息可以挺過耦合模型分析獲取。

參考文獻：

[1]何繼鋒.船舶艉軸腐蝕原因及船機管理方面應注意的問題[J].中國修船，2018，31（01）：28-30.

[2]董良雄，楊意，高軍凱，等.基于船舶艉軸——油膜——艉部結構系統(tǒng)的碰撞載荷響應研究[J].中國艦船研究，2017，12（01）：122-127.

作者簡介：張良平（1984-），男，漢族，江蘇如皋人，大專，助理工程師，研究方向：機械設計與制造。