水的深度對船用機械密封端面變形的影響探析

朱擁軍

摘要：機械密封具有工作可靠、摩擦磨損小、密封性好、泄漏量少等特點，在機泵設備中廣泛使用。對于船用機械端面密封而言，當水深發生變化時，密封結合面之間的摩擦熱、接觸力隨之發生變化，封面之間的接觸應力也隨之改變。本文主要對機械密封進行概述，并探析水深的變化對船用機械密封端面變形所產生的作用。

關鍵詞：機械密封；水深；端面變形；接觸力

依靠靜環端面與動環端面間的緊密貼合，機械端面密封對密封介質進行阻止，進而通過密封端面而實現密封目的[1]。在深潛水的潛艇、深吃水的水面船舶等推進軸系上，機械端面密封被用于艉密封裝置中，防止船體外部的水泄漏。對于密封裝置泄漏，常由密封環安裝誤差、接觸變形、磨損等原因造成，在船舶行駛中，潛艇的潛深、船舶的吃水隨時變化，動靜密封環面的接觸力改變，機械密封端面受到不同的力，在受力不均勻的情況下端面發生變形。

1.機械密封概述

機械端面密封的基本構成是靜環、動環，多在旋轉機械的軸系中應用。在應用中，隨著旋轉軸，動環發生轉動，而靜環固定于殼體上，利用其后彈簧軸向發生浮動。這樣，在轉軸運行過程中，通過彈簧力與靜環背后的介質壓力的共同作用，機械密封閉合力形成，對密封介質起到阻止作用，阻礙其通過密封端面。同時，封端面間的接觸力、液膜壓力共同作用形成開啟力，平衡于閉合力[2]。機械密封結構圖如圖1所示。

圖1 機械密封結構圖

由圖可知，當介質壓力、彈簧力變化時，密封端面間隙也隨之變化。同時，密封端面間開啟力較大于閉合力時，端面間隙增大，增加密封泄漏量。在船用機械密封裝置中，在水下回旋運動中，密封環面不僅受到彈簧力、接觸力，還受到該裝置所在水深的水壓力，當水深變化時，水深壓力所提供的密封接觸力不同，從而使密封面間產生不同的摩擦力、摩擦熱。

2.水深變化對船用機械密封端面的作用力分析

2.1邊界散熱、摩擦熱分析

作用于密封端面上的機械力、摩擦熱是其變形的載荷，動靜密封環之間接觸摩擦，所產生的摩擦熱量使端面發生熱變形，而水壓力與密封彈簧的機械做出產生機械力，從而使密封端面發生機械變形，且密封泄漏多是由摩擦熱變形引起的。密封接觸面在密封裝置工作時處于完全潤滑、潤滑與接觸共存、完全干接觸等接觸狀態[3]。當處于潤滑狀態時，密封環面之間產生潤滑液膜內摩擦，形成摩擦熱。當處于直接接觸狀態時，密封環摩擦直接產生摩擦熱。在船舶運行過程中，密封水位發生變化，當液膜潤滑存在于動靜密封環的接觸面中時，其封面產生的熱量就不受水深影響，直接與潤滑剪切率相關，其計算摩擦熱的公式為：

2.2接觸力分析

在船舶行駛過程中，其推進軸軸心線處于的水位不同，各點受到的靜水壓力不同，靜水壓力公式為PW=（h-rsinθ）ρg，其中PW為密封端面某點受到的水壓，r為密封面各點距離軸線中心的長度，h為中心軸線的水下深度，θ為密封點與軸線中心水平方向所呈的角度，ρ為水密度，g為重力加速度[4]。這樣，在船舶吃水深度改變時，受到的水的作用力不同，在運行中，密封端面便持續受到不同力的作用，內外應力始終處于變化中，使端面變形。其接觸力與水深的關系圖如圖2所示，而其變形與水深的關系如圖3所示。

圖2 接觸力與水深的關系 圖3 變形與水深的關系

有圖2可知，當水的深度增加時，密封端面的內外各點的作用力都隨之增加，且邊緣計算點的接觸應力比內緣點增加的速度快，接觸力增加量不一致。在水位較淺狀況位置時，內緣點接觸應大于外緣點，到了水位較深的位置，外緣點接觸力便大于內緣點，密封環的接觸狀態發生變化，使偏磨向外圈轉移。同時，在此接觸力變化的過程中，端面變形程度也發生一致變化。

3.結束語

由于機械密封具有使用壽命長、密封性好等特性，在化工、石油、航天等行業中廣泛使用。而在機械密封使用中，受工作條件中高溫、高速、高壓等因素的影響，端面易發生變形，造成磨損不均勻、密封性降低、泄漏量增加等問題，影響正常工作。對于船用機械密封而言，潛水深度、船舶吃水深度的變化使密封環受到不同的作用力，密封面的接觸力不斷變化，造成端面變形，影響密封性能。

參考文獻：

[1]朱漢華，劉正林，嚴新平等.水深變化對船用機械密封端面變形的影響[J].潤滑與密封，2008，33（4）：27-29，36.

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[3]楊延明，樸日晶，高永鵬等.船舶艉軸機械密封試驗裝置的設計及密封試驗[J].農家科技（下旬刊），2013，（10）：174.

[4]周旭輝，疏舒，王雋等.某型船舶艉軸密封裝置端面密封失效分析及試驗研究[J].潤滑與密封，2011，36（1）：98-101，106.