張良平 李淑敏 丁小玲

摘 要：在船舶密封工業(yè)當(dāng)中，船舶艉軸密封工作對(duì)于船舶安全影響較為顯著，但是在實(shí)際生產(chǎn)中，機(jī)械密封摩擦卻會(huì)造成磨損并產(chǎn)生熱量。本文在對(duì)船舶密封工藝進(jìn)行研究和分析后，提出了關(guān)于船舶艉軸在密封環(huán)溫度場分析方面的假設(shè)，依據(jù)假設(shè)的定義內(nèi)容，選定了有限元分析方法。最后利用耦合模型分析對(duì)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(guān)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(duì)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(shù)在實(shí)際應(yīng)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(nèi)部端面則會(huì)由于溫度分布布局從而產(chǎn)生內(nèi)部熱應(yīng)力，造成變形。針對(duì)這一規(guī)律進(jìn)行有限元分析，并對(duì)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(shè)

隨著密封工藝的發(fā)展，艉軸密封工藝在實(shí)際的密封應(yīng)用當(dāng)中極具復(fù)雜性，為了保證有限元模型分析能夠?qū)γ芊猸h(huán)溫度場作出精確判斷，從而完成模型建設(shè)，使有限元模型能夠獲得可求解性。[1]本文結(jié)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(shè)。

假設(shè)一：模型設(shè)定當(dāng)中，為軸機(jī)械密封環(huán)的模型形態(tài)需要具有軸對(duì)稱的點(diǎn)，軸對(duì)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(duì)稱特征

假設(shè)二：艉軸密封環(huán)應(yīng)當(dāng)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(diǎn)。

假設(shè)三：密封環(huán)所選擇的材料及其所具有的密封介質(zhì)具有極高穩(wěn)定性，該材料不會(huì)隨時(shí)間推移、環(huán)境溫度變化而發(fā)生改變的，表明機(jī)械密封環(huán)材料本身溫度場保持恒定。

假設(shè)四：位于密封端面位置的流體換熱邊界當(dāng)中，介質(zhì)溫度不會(huì)對(duì)密封工藝差生影響，因而可以完成換熱邊界的簡化，成為對(duì)流換熱邊界。

假設(shè)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(gòu)建與分析

（一）有限元模型設(shè)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(xué)模型方式，對(duì)常用船舶中某型號(hào)艉軸密封裝置進(jìn)行了建模，在模型當(dāng)中，主體表現(xiàn)的內(nèi)容為靜環(huán)和動(dòng)環(huán)兩個(gè)部分，其中模型表達(dá)的靜環(huán)為常規(guī)密封裝置當(dāng)中的補(bǔ)償力提供部分裝置，在實(shí)際的密封裝置當(dāng)中，該部分的材料通常為丁晴橡膠材料；而動(dòng)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(yīng)用材料WCNI材料，完成模型搭建。[2]

在完成了數(shù)學(xué)表達(dá)模型建構(gòu)之后，本文選用了著名的有限元處理軟件ANSYS對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，從而對(duì)密封裝置的動(dòng)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(yīng)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(dǎo)熱系數(shù)等方面存在較大差異，以導(dǎo)熱系數(shù)為例，常規(guī)橡膠材料的導(dǎo)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(dá)到1700J，而45#鋼與WCNI兩種材料則相對(duì)較低，分別為460J和480J。本文所進(jìn)行的模型分析材料對(duì)象為某型號(hào)密封環(huán)裝置，其靜環(huán)采用了丁晴橡膠材料，動(dòng)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(jìn)行摩擦的材料，需要借助有限元模型進(jìn)行溫度變化規(guī)律的分析。

密封環(huán)所接觸到的動(dòng)環(huán)與靜環(huán)的摩擦為混合狀態(tài)下的機(jī)械摩擦，所產(chǎn)生的摩擦熱量Q如下公式所進(jìn)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(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)所形成的線速度。

通過分析計(jì)算能夠獲取到模型分析狀態(tài)下密封環(huán)受到摩擦所產(chǎn)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(dǎo)熱穩(wěn)態(tài)共識(shí)等對(duì)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(shí)用性，往往難以奏效，本文在進(jìn)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(jié)果顯示，模型當(dāng)中密封環(huán)在不同的邊界下所表現(xiàn)出的對(duì)流換熱系數(shù)數(shù)值差異巨大，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果中，最高對(duì)流換熱系數(shù)已經(jīng)接近1.1萬，而最小的對(duì)流換熱系數(shù)約為392，表明密封環(huán)當(dāng)中的溫度場因摩擦所產(chǎn)生的溫度變化極為不均衡。

三、耦合模型下的機(jī)械密封環(huán)變形情況

受到溫度場內(nèi)部的各個(gè)便捷在對(duì)流換熱系數(shù)上極高的差異值影響，動(dòng)環(huán)與靜環(huán)材料會(huì)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(jīng)完成計(jì)算的對(duì)流換熱系數(shù)部分帶入到耦合模型當(dāng)中，對(duì)變形規(guī)律作出判斷。在模型當(dāng)中，為了作出準(zhǔn)確判斷，筆者以有限元網(wǎng)格劃分為基礎(chǔ)，對(duì)下端面和上端面進(jìn)行了節(jié)點(diǎn)劃分。通過控制主軸速度和接觸端面溫度對(duì)其位移量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示，靜環(huán)下端面受溫差所產(chǎn)生的變形量下端面明顯高于上端面，進(jìn)過分析可以了解，靜環(huán)上端面與動(dòng)環(huán)直接接觸，而下端面則與動(dòng)環(huán)存在一定空間，空間內(nèi)部構(gòu)造形態(tài)為錐形，受熱后會(huì)造成熱流密度逐漸提升，造成變形量增大。

四、結(jié)論

綜上所述，通過利用有限元分析和耦合模型分析，能夠?qū)σ欢l件下的機(jī)械密封環(huán)運(yùn)行狀態(tài)作出模擬，并判斷其對(duì)流換熱系數(shù)，從而獲得密封環(huán)內(nèi)部的溫度場溫度分布情況。動(dòng)環(huán)和靜環(huán)的相對(duì)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(xiàn)：

[1]何繼鋒.船舶艉軸腐蝕原因及船機(jī)管理方面應(yīng)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(jié)構(gòu)系統(tǒng)的碰撞載荷響應(yīng)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(jī)械設(shè)計(jì)與制造。