詹茂榕, 王志杰, 曹小娟, 徐新棟, 郭 君, 單志雄

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魚(yú)雷尾軸機(jī)械密封參數(shù)對(duì)泄漏率的影響

詹茂榕, 王志杰, 曹小娟, 徐新棟, 郭 君, 單志雄

(1. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第705研究所, 陜西西安, 710077; 2. 水下信息與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西西安, 710077)

在魚(yú)雷尾軸機(jī)械密封設(shè)計(jì)時(shí), 為了確定影響尾軸密封泄漏率的設(shè)計(jì)參數(shù), 建立了魚(yú)雷尾軸機(jī)械密封泄漏模型, 分析了分形維數(shù)、靜環(huán)寬度、彈簧比壓等設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)泄漏率的影響。同時(shí), 在滿(mǎn)足特定工況及“零泄漏”要求時(shí), 運(yùn)用遺傳算法選取了分形維數(shù)、靜環(huán)寬度、彈簧比壓參數(shù)的最佳值。結(jié)果表明, 對(duì)于魚(yú)雷特定航行工況, 存在靜環(huán)寬度、彈簧比壓、分形維數(shù)最佳組合, 使得魚(yú)雷尾軸密封的泄漏率小于3 mL/h。

魚(yú)雷; 尾軸密封; 泄漏率; 遺傳算法

0 引言

目前, 魚(yú)雷的發(fā)展趨勢(shì)為遠(yuǎn)航程、高航速、大深度、安靜型, 世界先進(jìn)輕型魚(yú)雷的最大航行深度從400~500 m提高到1 000 m, 航行速度也由40 kn提高到50 kn左右。為了適應(yīng)魚(yú)雷性能日益提高的需求, 雷內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)越來(lái)越復(fù)雜, 對(duì)雷內(nèi)空間要求也越來(lái)越緊張, 其中輕型魚(yú)雷內(nèi)部空間的矛盾尤為突出。因此, 為了滿(mǎn)足魚(yú)雷最大航行深度和航行時(shí)間的不斷增加以及設(shè)計(jì)空間的嚴(yán)格要求, 尾軸密封性能的要求也在不斷提高。由于機(jī)械密封具有運(yùn)行壽命長(zhǎng)、運(yùn)轉(zhuǎn)中無(wú)需調(diào)整、介質(zhì)泄漏率可以限制到很少甚至無(wú)泄漏等優(yōu)良性能, 因此在魚(yú)雷尾軸密封上具有廣泛應(yīng)用。

關(guān)于機(jī)械密封的研究, 魏龍等運(yùn)用數(shù)值計(jì)算方法分析了機(jī)械密封摩擦副的分形維數(shù)與接觸面積的關(guān)系[1], 但沒(méi)有建立分形維數(shù)與泄漏之間的關(guān)系。杜鵬宇、盛杰等分析了機(jī)械密封端面比壓影響因素, 定性分析了彈簧比壓、端面寬度對(duì)端面比壓的重大影響[2], 但沒(méi)有定量分析彈簧比壓等因素對(duì)泄漏率的影響。此外, 針對(duì)魚(yú)雷尾軸密封自身特點(diǎn), 彈簧比壓、分形維數(shù)等主要設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)魚(yú)雷尾軸泄漏率的影響尚未進(jìn)行深入研究。

文章分析了影響?hù)~(yú)雷尾軸密封泄漏的幾個(gè)重要設(shè)計(jì)參數(shù), 并在滿(mǎn)足“零泄漏”要求下, 運(yùn)用遺傳算法對(duì)影響泄漏的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)選取。

1 魚(yú)雷尾軸機(jī)械密封泄漏模型

1.1 密封機(jī)理和受力分析

魚(yú)雷尾軸密封采用彈簧式端面密封, 由動(dòng)環(huán)、靜環(huán)、彈簧座和彈簧等零部件組成, 動(dòng)環(huán)通過(guò)螺母裝于主軸, 其余部件裝于尾艙段殼體。工作時(shí), 靜環(huán)與動(dòng)環(huán)構(gòu)成摩擦副, 密封工作面為動(dòng)靜環(huán)貼合面, 當(dāng)靜環(huán)磨損時(shí), 由彈簧力對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償, 使動(dòng)靜環(huán)始終保持貼合工作。尾軸密封結(jié)構(gòu)示意圖、密封工作面放大圖如圖1和圖2所示。

在魚(yú)雷尾軸機(jī)械密封的動(dòng)、靜環(huán)上作用著各種載荷, 這些載荷歸結(jié)起來(lái)可分為2種力: 一種是閉合力, 彈簧力與海水作用力為閉合力;一種是開(kāi)啟力, 密封端面間的流體膜作用力為開(kāi)啟力。摩擦副的軸向受力如圖2所示。

彈簧作用力為

海水背壓對(duì)密封面的作用力為

其中,A為尾軸機(jī)械密封的名義接觸面積, 且

尾軸密封端面間的流體膜作用力為

魚(yú)雷尾軸密封的摩擦副所受合力為

1.2 魚(yú)雷尾軸密封泄漏模型

建立魚(yú)雷尾軸密封泄漏模型時(shí)考慮了密封端面摩擦副的粗糙度、動(dòng)靜環(huán)的材料屬性、轉(zhuǎn)速、海水壓力、彈簧比壓等因素的影響, 其中粗糙度用分形維數(shù)表示, 分形維數(shù)是一種尺度獨(dú)立的參數(shù), 代替尺度相關(guān)的傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù), 用以表征粗糙表面形貌。經(jīng)過(guò)推導(dǎo), 尾軸密封泄漏率可以表示為

為了求得魚(yú)雷在水下特定工況下的尾軸密封泄漏率, 首先需求得魚(yú)雷在水下航行過(guò)程中, 尾軸機(jī)械密封摩擦副間的實(shí)際接觸面積為

魚(yú)雷在不同工況下摩擦副端面間的受力不同, 其摩擦副間的實(shí)際接觸面積A也將隨之改變, 由1.1節(jié)求得在特定工況下魚(yú)雷尾軸密封受力F, 以及根據(jù)選擇的魚(yú)雷尾軸密封摩擦副材料屬性, 通過(guò)求解如下方程求得魚(yú)雷尾軸密封摩擦副的實(shí)際接觸面積。

0為靜環(huán)的屈服強(qiáng)度與摩擦副當(dāng)量彈性模量之比, 且

2 計(jì)算分析

2.1 計(jì)算參數(shù)選取

1) 計(jì)算參數(shù)選取: 依據(jù)工程上的經(jīng)驗(yàn)[3], 機(jī)械密封端面寬度

2) 分形維數(shù)選取: 由于分形維數(shù)越大, 代表機(jī)械密封摩擦副越光滑, 當(dāng)摩擦副的分形維數(shù)很小時(shí), 達(dá)不到尾軸密封的要求; 當(dāng)分形維數(shù)很大時(shí), 對(duì)摩擦副光滑程度要求高, 提高了加工成本, 經(jīng)過(guò)計(jì)算, 分形維數(shù)太小, 泄漏率很大, 不能滿(mǎn)足要求, 因此文中選取

3) 魚(yú)雷尾軸密封摩擦副選取: 靜環(huán)選取浸銻石墨材料, 動(dòng)環(huán)選取9Cr18材料;

其他計(jì)算參數(shù)選取如表1所示。

表1 計(jì)算參數(shù)的選取

2.2 計(jì)算結(jié)果

1) 首先根據(jù)上述的魚(yú)雷尾軸密封泄漏模型及選取的魚(yú)雷尾軸密封特定工況, 通過(guò)Matlab軟件分別計(jì)算出端面分形維數(shù)、靜環(huán)寬度、彈簧比壓、背壓、尾軸轉(zhuǎn)速對(duì)尾軸密封泄漏的影響, 分別如圖3~圖5所示。

從圖3可以看出, 分形維數(shù)小時(shí), 泄漏比較大, 當(dāng)分形維數(shù)達(dá)到1.82左右時(shí), 可以滿(mǎn)足泄漏的要求。

從圖4可以看出, 隨著靜環(huán)寬度的增大, 尾軸密封的泄漏率減小, 因?yàn)殪o環(huán)寬度的增大使得外界水壓作用在摩擦副之間的壓緊力增大, 當(dāng)靜環(huán)寬度在之間時(shí), 滿(mǎn)足摩擦副間的泄漏要求, 當(dāng)靜環(huán)寬度在進(jìn)一步增大后, 摩擦副端面摩擦產(chǎn)生較大的熱量, 破壞端面的形貌以及磨損狀況, 使得泄漏率有所增大。

（2）創(chuàng)新申報(bào)模式，突出工作“服務(wù)點(diǎn)”。昆明醫(yī)科大學(xué)第三附屬醫(yī)院積極探索開(kāi)展黨建與思想政治研究申報(bào)工作模式，建立黨建思想政治理論研究項(xiàng)目申報(bào)制度，在工作中突出黨委的指導(dǎo)及相關(guān)職能部門(mén)的服務(wù)。在項(xiàng)目申報(bào)全過(guò)程進(jìn)行指導(dǎo)、跟蹤、審核及問(wèn)效。根據(jù)高校附屬醫(yī)院病患多、職工工作繁忙的特點(diǎn)，對(duì)項(xiàng)目申報(bào)采取申報(bào)前、申報(bào)中、申報(bào)后的全過(guò)程服務(wù)。申報(bào)前，按照當(dāng)前黨中央政策及國(guó)家發(fā)展導(dǎo)向，結(jié)合申報(bào)指南對(duì)申報(bào)基層黨支部進(jìn)行廣泛性引導(dǎo)；申報(bào)中，針對(duì)申報(bào)選題及項(xiàng)目申報(bào)書(shū)召開(kāi)項(xiàng)目評(píng)審會(huì)，對(duì)項(xiàng)目組成員進(jìn)行針對(duì)性指導(dǎo)；立項(xiàng)后，對(duì)項(xiàng)目研究開(kāi)展中期檢查和結(jié)題要求提醒，對(duì)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人進(jìn)行單獨(dú)性輔導(dǎo)。

從圖5可以看出, 隨著彈簧比壓的增大, 彈環(huán)對(duì)摩擦副的預(yù)緊力增大, 端面間的泄漏率將減小。

以上計(jì)算結(jié)果表明, 代表密封端面粗糙度的分形維數(shù)對(duì)泄漏率的影響最大, 隨著分形維數(shù)的增大, 尾軸密封泄漏率快速減小, 在分形維數(shù)達(dá)到1.82左右時(shí), 分形維數(shù)的提高對(duì)降低泄漏率效果已經(jīng)不是很明顯; 在特定工況下, 靜環(huán)寬度存在一定的合理取值以達(dá)到泄漏規(guī)范要求; 同時(shí)可以看出, 隨著彈簧比壓的增大, 泄漏率也在不斷地減小。

2) 當(dāng)前大多數(shù)文獻(xiàn)都是針對(duì)影響泄漏率的分形維數(shù)、彈簧比壓等因素進(jìn)行的單一參數(shù)分析。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)指出: 當(dāng)被密封介質(zhì)為液體, 軸外徑小于50 mm, 平均泄漏率不大于3 mL/h時(shí), 可以認(rèn)為魚(yú)雷尾軸密封為“零泄漏”[4]。因此, 文中對(duì)在背壓為6 MPa、尾軸轉(zhuǎn)速為2 500 r/min的工況下, 運(yùn)用遺傳算法求取在滿(mǎn)足“零泄漏”的要求時(shí), 分形維數(shù)、靜環(huán)寬度和彈簧比壓的最優(yōu)選值。

結(jié)合上文中魚(yú)雷尾軸密封泄漏模型, 運(yùn)用遺傳算法優(yōu)化計(jì)算模型為

其中泄漏率不大于3 mL/h為目標(biāo)函數(shù), 在給定魚(yú)雷航行工況(轉(zhuǎn)速及背壓)下, 對(duì)密封端面分形維數(shù)、端面寬度、彈簧比壓為優(yōu)化對(duì)象, 其他材料參數(shù)及尺寸參數(shù)如表1所示。運(yùn)用遺傳算法的計(jì)算流程為如圖6所示。

遺傳算法收斂曲線(xiàn)及最優(yōu)解如圖7所示。

遺傳算法計(jì)算對(duì)分形維數(shù)、動(dòng)靜環(huán)端面接觸寬度、彈簧比壓進(jìn)行最優(yōu)選取為:=時(shí), 滿(mǎn)足了魚(yú)雷尾軸“零泄漏”的要求。

通過(guò)實(shí)航試驗(yàn)對(duì)建立的尾軸密封模型以及計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證, 試驗(yàn)時(shí)航行深度、尾軸轉(zhuǎn)數(shù)如圖8和圖9所示。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)得尾軸密封處的泄漏量約為10 mL, 理論計(jì)算的泄漏量為7.888 5 mL, 故建立的模型適合對(duì)尾軸密封泄漏進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。

4 結(jié)論

1) 表征摩擦副粗糙度的分形維數(shù)及彈簧比壓的增大, 魚(yú)雷尾軸機(jī)械密封的泄漏率隨之減小; 同時(shí), 對(duì)于魚(yú)雷航行的特定工況, 密封面的靜環(huán)寬度存在合理的取值范圍來(lái)滿(mǎn)足泄漏率的要求。

2) 對(duì)于魚(yú)雷特定航行工況, 分形維數(shù)、彈簧比壓和端面寬度等影響尾軸密封泄漏的因素, 存在最優(yōu)組合使得泄漏率最小。因此設(shè)計(jì)時(shí)需綜合考慮這3個(gè)因素, 其可改善目前研究中只對(duì)單一影響因素進(jìn)行分析的現(xiàn)狀。

后續(xù)研究還需要考慮不同的密封材料對(duì)尾軸密封的影響以及軸系跳動(dòng)、摩擦副尺寸公差等工程實(shí)際條件下對(duì)尾軸密封的影響。

[1] 魏龍, 顧伯勤. 機(jī)械密封摩擦副端面分形維數(shù)的優(yōu)化[J]. 化工學(xué)報(bào), 2010, 61(1): 132-136.Wei Long, Gu Bo-qin. Optimization of Surface Fractal Dimension of Friction Pair in Mechanical Seals[J]. CIESC Journal, 2010, 61(1): 132-136.

[2] 杜鵬宇, 盛杰. 機(jī)械密封端面比壓影響因素分析[J]. 北京石油化工學(xué)院學(xué)報(bào), 2013, 21(4): 22-25.Du Peng-yu, Sheng Jie. Analysis of Influential Factors of Face Pressure in Mechanical Seal[J]. Journal of Beijing Institute of Petro-chemical Technology, 2013, 21(4): 22-25.

[3] 崔建昆. 密封設(shè)計(jì)與實(shí)用數(shù)據(jù)速查[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2010.

[4] 郝木明. 機(jī)械密封技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京: 中國(guó)石化出版社, 2010.

Effects of Mechanical Seal Parameters of Torpedo Tail Shaft on Leakage Rate

ZHAN Mao-rong1,2, WANG Zhi-jie1, CAO Xiao-juan1, XU Xin-dong1, GUO Jun1, SHAN Zhi-xiong1

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710077, China; 2.Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory, Xi′an 710077, China)

This paper establishes a mechanical seal leakage model of torpedo tail shaft, and analyzes the effects of fractal dimension, width of static ring, and spring pressure on leakage rate in order to determine design parameters of torpedo tail shaft seal leakage rate. In the condition of meeting the requirement of no leakage, this paper optimizes the parameters by using genetic algorithm in the specific conditions. The results show that the leakage rate is lower than 3mL/h in the specific navigation condition of a torpedo when the width of static ring, spring pressure and fractal dimension are in optimum combination.

torpedo; seal of tail shaft; leakage rate; genetic algorithm

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.01.004

TJ630.31

A

1673-1948(2016)01-0018-05

2015-09-21;

2015-11-10.

詹茂榕(1990-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向?yàn)轸~(yú)雷總體技術(shù).

(責(zé)任編輯: 陳 曦)