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        船舶尾軸機械密封面形狀對密封性能的影響

        2018-04-15 07:57:52高星
        商品與質量 2018年45期
        關鍵詞:靜環(huán)動環(huán)密封面

        高星

        中船澄西船舶修造有限公司 機加工車間 江蘇江陰 214433

        1 尾軸密封裝置的工作條件

        船舶尾軸密封裝置的工作條件十分惡劣。它除了受到嚴重的磨損、摩擦和高溫的影響外,還受到河流淤積的影響。特別是對于深吃水的船舶,還必須承受高水壓和油靜壓的壓差。此外,螺旋槳旋轉時還會產生懸臂和不均勻載荷,導致尾軸承中尾軸的徑向跳動和偏心運動較大。此外,主機常用于倒車,在運行過程中,尾軸經常產生一定的橫向和軸向振動,這也可能對尾軸密封裝置產生不利影響。這些工作特性對尾軸的密封非常不利。此外,在發(fā)生故障時的尾軸密封裝置,不僅潤滑油泄漏或生成大量的機艙污水,造成污染的水域,但修復通常需要船碼頭或上層行,影響船舶的正常運行,所以尾軸密封裝置的研究是必要的和必要的。尾軸密封的發(fā)展日新月異。主要有兩種形式:水潤滑密封和油潤滑密封。對于內河船舶,水潤滑密封裝置主要是填料功能,油潤滑密封裝置主要是骨架油封。

        2 尾軸密封的工作原理

        根據密封元件的防泄漏方式,船舶尾軸密封裝置可分為接觸式和非接觸式。接觸密封采用橡膠制品和填料作為填料,填充在縫隙中,接觸軸或套筒;在非接觸式密封中,密封元件的動、靜態(tài)部分有一定間隙,不發(fā)生接觸。而是對流體的流動路徑進行節(jié)流,達到密封的目的。本發(fā)明的尾軸密封裝置為非接觸式,通過摩擦片與靜摩擦片的配合間隙密封。通過調節(jié)靜摩擦片中的彈簧強度,可以控制動、靜片間隙的緊度。

        3 幾種傳統(tǒng)尾軸密封

        3.1 無泄漏型尾軸密封裝置

        緊湊密封01型和 21型密封裝置由日本神戶制鋼所 (KOBELCO) 研制成功。整個無泄漏尾軸密封裝置在結構上最大的亮點就是采用了循環(huán)油設計,通過水壓來控制油槽開關,從而實現了吃水深度和密封性上的同步性。密封環(huán)材料選取上,充分考慮到了強度和變形量,采用 8WW,X( 氟橡膠) ,在相同使用條件下,該材料的壽命明顯較長。襯套材料充分考慮防止腐蝕和磨損,采用特殊高鉻硬質合金不銹鋼,硬度大,抗磨損。

        3.2 組合式密封

        相比較于單一式尾軸密封 ( 唇形橡膠密封) ,組合式密封具有更好的密封效果。組合式密封將機械式密封和唇形密封的優(yōu)點集中在一起,深海密封公司設計的這款組合式無泄漏密封結構,尾部是機械式密封結構,船舶等精密密封設備吃水深度越深,相關的機械結構就壓的越緊,進一步將海水堵在外部。而尾軸中間部分采取唇形密封,2個唇口相對著設計,從而使得 2個唇口之間形成一個閉封的油室,當外部的壓力增大,油就會溢出到油槽,實現回收利用。尾軸內部的潤滑油始終處于唇口與油室間,從而起到了很好的潤滑和密封效果。氣室位于機械密封與唇形密封的中部,與外界大氣相通。組合式密封的優(yōu)越性就在于當其中一個密封方式失靈時,軸承密封結構還有第二道防護,使密封壓力增加,從而保證了密封效果。

        4 新型自適應尾軸密封裝置

        4.1 常規(guī)密封裝置及其存在的缺陷

        通常,尾軸密封裝置由前后尾柜、前軸封油柜、尾軸封油柜、尾管滑油循環(huán)柜、尾軸管滑油泵、連接它們的管系、閥件和報警裝置等組成。其中,傳統(tǒng)尾軸密封結構通常為三環(huán)式設計,即靠近尾部的凸緣環(huán)、中間環(huán)和靠近軸首部的蓋環(huán)。

        3種環(huán)的連接方式為機械式剛性連接,在抗振動、可拆卸性等方面表現不佳。有的常規(guī)設計在金屬環(huán)中間有唇型密封,唇形密封結合橡膠圈、潤滑油和彈簧,從而實現密封。

        常規(guī)尾軸密封設計,唇形密封的好壞主要還是決定于橡膠圈。橡膠圈的箍緊力大,唇形密封抗外界干擾能力強,保持密封性能好;橡膠圈的箍緊力如果小或者不均衡,將會導致整個軸系漏水,后果十分嚴重。在該裝置中,密封油腔中的油自調節(jié)能力差,也無法進行人為外部調節(jié),因此,在尾軸吃水深度不同時,橡皮圈兩側的壓強差就有可能發(fā)生突變。如果壓差過大達到箍緊力的極限,整個密封結構就會失效,就會發(fā)生嚴重的泄漏,引發(fā)更嚴重的事故等。

        4.2 新型尾軸密封系統(tǒng)

        尾軸密封系統(tǒng)新要求。隨著海運規(guī)模的劇增,船舶發(fā)動機技術的突飛猛進,船舶不論在噸位還是發(fā)動機功率上都比以往擴大了一個數量級。船舶尾軸承和尾軸封的密封性要求也是越來越高,難度也是進一步提高。在當今的船舶精密機械設備密封設計中,必須要滿足以下需求才算是與時代相符合的密封性設計:(1)船尾軸和軸襯套相對圓周速度 20m/s;(2)尾軸密封機構可以在水壓 3bar下正常工作;(3)軸承和軸封的徑向跳動在 5mm以下;(4)機構可以承受較大的振動;(5)密封系統(tǒng)每月正常工作 8h 以上;6)進行拆卸和維護間隔在 2-3年。就目前來看,設計出一整套滿足需求的尾軸承和尾軸封密封系統(tǒng)有一定的困難:一是尾部吃水深度的改變帶來水壓持續(xù)不斷的變化,鑒于目前傳感器的精度靈敏性,對其檢測還有一定難度;二是由于水下的操作環(huán)境限制,數字化電路要想完全實現動密封還要進一步努力; 三是制造和裝配誤差帶來的不可控性太多[1]。

        4.3 新型密封裝置的工作原理

        針對唇形密封,通過調節(jié)唇口兩邊的壓強差(P1-P2)進而控制密封腔,可以實現整個軸密封的性能調節(jié)。因此,設計出隨著尾部吃水深度不同而進行自動調節(jié)壓力的裝置,是實現零泄漏的重中之重。新型密封設計采用了模塊化壓力控制單元,可以實時的對油腔的壓力進行調節(jié)。

        在這種新型模塊化控制密封系統(tǒng)中,空氣閥、油壓檢測模塊、溢流閥及報警模塊起到了關鍵性作用。在該系統(tǒng)中,尾軸上分布著的橡膠圈將軸分為空氣室、油腔、水壓控制室。在工作時,空氣閥先打開,為空氣室泵入氣壓為 0.5MPa 的氣體,通過空氣噴嘴和傳感器,可以測算出位于該水深時的水壓,并將其壓力信號反饋給空氣室壓力控制單元此時,空氣室壓力控制模塊會將空氣導入 2-3與3-3道之間的空氣密封腔和密封油腔。分別使兩者保持一個穩(wěn)定的氣壓,此時的氣壓為空氣噴嘴測算出的某一位置海水壓 P。與此同時3-3道橡膠圈兩側,就會保持一個穩(wěn)定的壓強差。通過這個可控的壓強差,從而實現了自適應性密封。

        5 船舶尾軸機械密封面形狀對密封性能的影響

        5.1 船舶尾軸機械密封面形狀的基本問題

        從整體上看,船舶尾軸機械密封面形狀的基本問題是摩擦學問題。所謂摩擦學是研究滑動表面之間的相互作用,包括摩擦、磨損和潤滑。許多摩擦被證明是有益的,使現代生活,但許多其他摩擦可以產生嚴重影響,并認真研究如何克服這些不便造成的過度摩擦或磨損,摩擦消耗或浪費了很多人為的能量,和需要足夠的生產力取代變成無用的對象,由于磨損。目前,船舶尾軸主要采用平面接觸式機械密封方法,在工作過程中大多處于邊界摩擦和混合摩擦狀態(tài)。為了減輕摩擦對船舶尾軸及其密封性能的負面影響,需要采用球形密封逐漸取代平面密封的方法,從而提高船舶尾軸的自對準功能和密封性能[2]。

        5.2 球面與平面密封主要參數分析

        (1)結構與材料參數。球面與平面機械密封裝置均由靜環(huán)、靜環(huán)座、動環(huán)、動環(huán)座與彈簧組件等組成,兩者的主要區(qū)別在于靜環(huán)與動環(huán)的密封面形狀不同,見圖1。圖1中:OS為球心;Di為密封端面內徑;Do為密封端面外徑;Db 為平衡直徑;RS為球形密封面半徑;θ1為靜、動環(huán)球形密封面的內邊界與軸心線的夾角;θ2為靜、動環(huán)球形密封面的外邊界與軸心線的夾角。靜環(huán)材料為非金屬,固定在靜環(huán)座上,靜環(huán)座不旋轉,只作軸向移動。動環(huán)材料為青銅,鑲嵌在動環(huán)座上,動環(huán)座直接通過鍵槽與卡環(huán)固定在尾軸上。靜、動環(huán)的密封面在彈簧力與被密封介質(海水)壓力的共同作用下保持貼合,防止海水滲入機艙。其中D為尾軸直徑,球面密封環(huán)的球面半徑假定為400 mm。靜環(huán)、動環(huán)與座體分別選取了進口的 T12飛龍材料、青銅與C15材料。

        圖1 機械密封結構

        此外,球形和平面密封靜環(huán)材料為非金屬材料,將其固定在靜環(huán)閥座上,可防止靜環(huán)閥座旋轉,保持其軸向運動。動環(huán)材料多為青銅材料,通常青銅材料嵌在動環(huán)座內,使動環(huán)座可通過鍵槽和卡環(huán)直接固定在尾軸上。靜環(huán)和動環(huán)密封面在彈簧力和密封介質(海水)壓力的共同作用下緊密結合,防止海水進入艙室。

        另一方面,船舶尾軸機械密封的性能參數很多。主要參數包括密封量、泄漏量、接觸面積和單位面積摩擦功。通常,密封系數為粘滯力與水膜荷載的比值,是表征水膜易形成的尺寸特征值。目前,用GS和GP來表示球面和平面密封的密封系數。參數公式如下:GS =ηvLS / F,GP =ηvLS / F。

        η是用于指示密封流體動力學的粘度系數,v是密封表面的平均線速度,L是困難的空間特征值形成的水膜,和F是密封面的總負載。從比例的角度看,密封數的數值越大,越容易形成水膜,水膜的厚度也隨之增加。

        泄漏量主要是指單位時間內密封介質從密封面泄漏的體積,從而測量機械密封的效果。接觸面積是指球面與平面密封之間的接觸面積。單位面積的摩擦功通常用pv表示,p為密封面的比載荷,v表示密封面的平均線速度。因此,單位面積的摩擦功通常用pv表示。為了提高船舶尾軸的機械密封性能,保證性能的長期可靠性,有必要將許用值控制在密封摩擦特性參數以上。

        5.3 球面和平面密封的有限元建模方式

        當機械密封處于靜止狀態(tài)時,密封面多處于緊密貼合狀態(tài),密封面上的作用具備水膜反力效應,如果水膜反力無法滿足抵消閉合力的要求,密封面就會出現船舶尾軸機械接觸現象。如果平衡型尾軸機械密封處于混合摩擦狀態(tài)下,就會收到軸向受力的作用,此時的閉合力與外部海水以及彈簧作用上的軸向合力相等。

        新時代的機械密封模型大多為軸對稱模式,海水和彈簧壓力呈面力,其中,密封面之間的水膜反力會被假定成線性分布模型,先運用對流換熱邊界工藝來處理海水對密封環(huán)的冷卻作用,然后,用熱流密度邊界法來處理密封面之間的摩擦熱。為了維持靜環(huán)與動環(huán)的密封面溫度一致性,則需要采用耦合法和整體接觸來進行建模。因為靜環(huán)座與靜環(huán)以及動環(huán)座與動環(huán)的配合部位及其邊界條件尚難以明確,所以,需要對靜環(huán)座與靜環(huán)以及動環(huán)座與動環(huán)進行分層化黏結,實施一體化建模,以此明確邊界條件,并將其轉化成內部邊界。與此同時,需要采用接觸向導法來進行有限元建模。

        從微觀視角來看,有限元建模分為以下五個步驟如下:①借助ANSYS 軟件組建完善的耦合單元,著重優(yōu)化其內結構,使用PLANE13定義單元菜單的自由度選項,明確 x 和 y 的方向,控制好溫度,使單元特性選項保持為軸對稱。②準確定義靜環(huán)座與靜環(huán)以及動環(huán)座與動環(huán)和彈簧的彈性、泊松比、模量、熱導系數和熱膨脹系數等屬性。③將靜環(huán)座與靜環(huán)以及動環(huán)座與動環(huán)科學劃分成3069個網格和3191個節(jié)點。將單元尺寸控制在0.5mm 左右,其他部分不得超出1mm。④運用接觸向導法對靜環(huán)端面實施定義接觸單元,將目標單元定義于動環(huán)端面之上。在挑選摩擦因數時需要正確選擇鍵入摩擦因數值。此外,要充分保證靜環(huán)與動環(huán)在密封面對應節(jié)點的溫度一致性。然后,在剛度矩陣選項中正確布設選擇非對稱。⑤添加最合適的外界條件,控制好壓力載荷。因為動環(huán)安裝通常在軸上而且會和靜環(huán)接觸,所以,要控制好平衡位置所承載的海水壓力和密封面的接觸壓力,并根據實際情況,調節(jié)好彈簧壓力,將密封面的浸水部位設置為外側,非浸水部位則為內側。此外,要將密封面的內側壓力和船艙內的空氣壓力保持一致,使外側壓力和海水壓力趨于相等指數。

        綜上所述,解決船舶尾軸機械密封面形狀的基本問題,提升船舶尾軸機械密封性能,必須正確分析球面與平面密封的重要參數,全面優(yōu)化球面和平面密封的有限元建模方式。

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