船舶尾軸環機械密封裝置端面變形研究

簡多榮

摘要：本文以新式船舶密封裝置的變形分析方法為主要研究對象，改善傳統變形分析帶來的計算失真問題，保障計算數據的準確性。依據密封時動環的受力值，分析得出動環端面的變形問題，計算結果更精準，適用于端面變形問題研究。

Abstract： This paper takes the deformation analysis method of the new ship sealing device as the main research object to improve the calculation distortion problem caused by the traditional deformation analysis and ensure the accuracy of the calculation data. According to the force value of the movable ring during sealing， the deformation of the end face of the movable ring is analyzed， and the calculation result is more accurate， which is suitable for the study of the deformation of the end face.

關鍵詞：機械密封裝置;靜環;動環

0? 引言

在船舶尾軸環位置采取的密封措施，擁有高度可靠功能、產生的能耗較低、占地空間較小等優勢。在實際船舶使用期間，密封裝置能夠承載的負荷量，難以順應時代的發展，逐漸呈現出功能的滯后性，加之長期反復使用，產生較為嚴重軸環磨損，引發了端面變形問題，造成泄漏事故頻發。

1? 建模

機械密封裝置1中，含有相對獨立的配件共計14組，依據裝置的內部元素，假設裝置的動環為a1，其內徑大小為r1，其外圍直徑大小為d1。假設裝置的靜環為a2，其內徑值為r2，外圍O型圈內的直徑值為d2。參考對稱原理概念，結合應變函數公式，確定端面分析模型關系：①F=（cosα×Ebt×lims×h）/（λk），其中lim的取值范圍為[s，∞]。關系中，F代表的是端面承載的局部受力值;E表示的是一種彈性量值;bt表示的是在t時間內，產生的轉速;s代表的是面積，是由動環與靜環相關數據計算得出的端面面積值，單位為平方米;h表示的是船舶尾軸在行駛期間所承受的作用力大小;k表示的是裝置的密封強度;λ表示的是裝置所產生的摩擦阻力強度;α代表的是密封端面變形時產生的傾斜度。

2? 變形分析

2.1 動環端面比壓

端面比壓值，是產生端面變形的關鍵因素，確定比壓值，是變形分析的基礎，以便于迅速確定端面變形成因。應確定動環與靜環涉及的相關參數。動環在實際運行期間，尾軸在密封狀態下，其受力情況較為繁復，具有較大的變化幅度，引起動環與其他配件產生無規律的接觸。圖1中h1表示的是動環初始化產生的預緊力;h2代表的是動環在橫閉操作時，產生的合力;h3指的是在密封條件下，動環承受的壓力值;h4代表的是液膜在發生反作用時，產生的力;h5表示的是端面實際負載的受力[1]。

依據圖1假設h1=h0，h2=q0，由此可得②q0=h3+h4+h5;由此發現，在混合狀態下，密封裝置所具有的閉合力值應為q0，此力是三個力之和，分別為：端面受力、液膜作用力、密封壓力。如若h1與h2兩個力能夠互相抵消，則裝置處于良好的工作狀態。在h1、h2兩端同時接入摩擦面積因素：K1與K2，由η表示承載的受力系數，滿足η=K2/K1的關系式;ω表示密封狀態承受壓力的強度值，滿足v4=τv3，得出關系式③v1+v2=v4+v5+（K2/K1）×v3=v5+ηv3+ωv3。關系式中，v1表示的是受力狀態下的比壓值;v2表示的是摩擦狀態下的比壓值;v3代表的是密封狀態下，內外產生的壓力差值;v4指的是液膜作用下的比壓值;v5表示的是軸環端面產生的比壓值。當動環與靜環間距縮小時，即為+;當兩者間距增大時，即為-，實現了彈性分析過程。

2.2 分析靜環位移變化規律

分析軸環所具有的物理性質，考慮溫度因素，對軸環產生的影響。假設動環與靜環，兩者材質存在物理差異，故而選擇橡膠素材的靜環端面，建立有限元模型，設定與計算靜環相關參數。橡膠材質的物理性質屬于多元化非線性，依據模型因素設定，參考應變產生的密度函數關系，得出動靜環材質彈性計算關系式：④g=（c（l1-y）+c1（l2-y）+（m-1）2）/x。關系式中的字母含義：g代表的是在應變密度函數的作用下，靜環產生的諸多關系;c、c1表示的一種常數值，在RM模型下擁有具體定義;m表示的是變化因數;y是一種固定數值;l1、l2表示的是應變作用下，不具有變化能力的數值[2]。

基于橡膠材質具有較強的穩定性，不具有壓縮能力，得出關系式：⑤ξ=g（1+（c/c1））×{E（ψ+εDP）/（100-DP）}。關系式中E表示的是彈性常數值;ψ代表的是材質的物理特性，包括抗變形能力;ε代表的是泊松比值;DP代表的是靜環材質所具有硬度值。依據④與⑤的關系式，可以確定靜環材質成分，與其他參數之間產生的相互關系，包括關聯性與影響力。靜環與參數產生的相互關系，變化趨勢如圖2所示。

由圖2可知，靜環在位移期間產生的變形程度d，與端面比壓，兩者存在線性關系，當比壓值=3kPa時，變形程度呈現迅速增加趨勢。由此可知，端面比壓值與d存在一定相互關系。由此實現了分析密封裝置的變形成因。

3? 實驗

3.1 實驗準備

為提升分析結果的準確性，隨機挑選密封裝置若干個，作為實驗研究主體。準備各類參數，便于開展實驗，電功率值p1設為5kW，主軸功率p2數值保持在3kW，充分利用變頻調速器，實現對主軸轉速的控制，保持轉速v不大于2990，單位為rpm。測試完成后，保障無誤差，開展實驗分析。

3.2 方案設計

啟動實驗所需的變頻器電源，調整其穩定的運行狀態。當變頻器轉速v=1000時，維持此狀態15分鐘，觀察設備異常現象，如若未發生異常，開展實驗流程。將v調成2920，在變頻器運行20分鐘時記錄實驗數據，記錄多組數據，保障實驗結果具有精準性[3]。

3.3 分析實驗結果

將其中2個密封裝置設為實驗主體M與N，按照方案設計流程，記錄實驗數據。設置相關參數，將端面大小，假設為自變量o，分析其與真實變形量z之間的相互關系。密封裝置在型號不相同時，端面的變形點有所差異，產生的zo兩者差值趨近于0。由此說明，自變量對設備變形影響不明顯。

4? 結論

新的變形分析方式，從根本上解決傳統分析法的思維限制性，以裝置屬性為實驗依據，計算裝置內相關參數數值，從而判定端面變形的影響因素，即作用力。此分析方式在計算期間，存在數據誤差較小，應綜合考量材料具有物理量，包括張力與應力等，實現計算結果更為精準，分析流程更為完善。

參考文獻：

[1]何濤，王雋，劉旭康，等.密封面寬度對大潛深船舶尾軸機械密封性能的影響[J].潤滑與密封，2018，43（09）：71-75.

[2]徐媛媛，顧海，馬小勇，等.船舶尾軸環機械密封裝置端面變形分析[J].艦船科學技術，2019，41（24）：64-66，204.

[3]劉良瑞.船舶尾軸環機械密封裝置端面變形分析[J].艦船科學技術，2019，41（16）：73-75.