（流体机械及工程专业论文）船舶艉轴机械密封的数值模拟与试验研究.pdf

独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果，也不包含为获得江苏大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：影正东 1 , 0 1 1 年6 月日 船舶艉轴机械密封的数值模拟与试验研究 t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h o ns t e r ns h a f tm e c h a n i c a ls e a l 2 0 1 1 年6 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 艉轴密封是直接关系到船舶行驶安全的关键部位。机械密封因具有承载能力 高、泄漏量小、功耗低以及磨损自动补偿等显著优点，广泛应用于艉轴密封中。 随着船舶向高速、大型方向发展，艉轴机械密封的轴径、转速及密封介质压力也 越来越大，导致密封环的端面温度升高、磨损加剧，严重影响密封的寿命。艉轴 机械密封端面问的润滑及磨损特性已成为当前急待深入研究的重要课题。本文针 对这一问题，采用数值模拟和试验分析，研究了不同工况条件下艉轴机械密封的 摩擦机理、温升及传热、磨损特性等，为艉轴机械密封设计提供理论依据。论文 研究的主要工作和取得的成果如下： 1 依据摩擦学原理分析了艉轴机械密封环的摩擦机理，判断了其摩擦状态， 同时从摩擦学和实际应用角度分别阐述了艉轴机械密封摩擦副材料选择的原则。 2 利用动、静环整体建模的思路，对密封环进行温度场分析。运用不同的 方法对密封环的对流换热边界进行了计算，以热流密度为加载载荷，计算并分析 了不同工况下密封环的温度场分布情况，获得了转速、介质压力对温度场分布的 关系。 3 在密封环接触端面建立了接触单元，对密封环进行了接触分析。结果表 明接触端面内径处的接触压力要小于外径处，密封环端面有出现扩散锥面的趋 势，密封环的各个边缘处产生较大的集中应力，密封环的变形较小。 4 进行艉轴机械密封的磨损特性研究，在综合分析各种机械磨损模型的基 础上，建立了艉轴机械密封环磨损的数学模型。并对艉轴机械密封和普通机械密 封的磨损率进行了初步预测。 5 开展了机械密封的试验研究，得到了机械密封环摩擦扭矩和摩擦功耗随 介质压力、转速的变化关系，以及艉轴密封腔温度随转速的变化情况，同时与温 度场和磨损特性的模拟结果进行对比分析。 关键字：艉轴机械密封，温度场模拟，磨损模型，接触分析，试验研究 船舶艉轴机械密封的数值模拟与试验研究 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t s t e r ns h a f ts e a l i n gi st h ek e yp a r to fs h i ps e a l i n gd e v i c e ，i t ss t a b i l i t yd i r e c t l y a f f e c t st h es a f e t yo ft h es h i po p e r a t i o n m e c h a n i c a ls e a li sw i d e l yu s e di ns t e ms h a f t s e a l i n gd u et oi t sh i g hb e a r i n gc a p a c i t y ，l e s sl e a k a g e ，l o wp o w e r ，a n dw e a ra u t o m a t i c c o m p e n s a t i o na n ds oo n a st o t h eh i l g hs p e e da n dl a r g ed i a m e t e ri ns h i p ，t h es t e m s h a f tm e c h a n i c a ls e a lr o t a t i o n a ls p e e da n dp r e s s u r eb e c o m em o r ea n dm o r eb i g i t l e a dt ot h e s e a l i n gr i n g st e m p e r a t u r er i s i n g a n da t t r i t i o n i n t e n s i f y i n g e v e n i n e f f e c t i v e n e s s i nt h i sp a p e r ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt e s tm e t h o dw a su s e dt os t u d y t h ed i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n so ft h es t e ms h a f tm e c h a n i c a ls e a l t h em a i nc o n t e n t a n dr e s e a r c ha c h i e v e m e n t so b t a i n e da sf o l l o w s ： 1 a n a l y z e dt h es t e ms h a f ts e a l i n gf r i c t i o nm e c h a n i s mb yt r i b o l o g i c a lt h e o r y j u d g e d i t sf r i c t i o ns t a t ea n de x p o u n d e ds t e ms h a f tm e c h a n i c a ls e a lf r i c t i o np a i ro fm a t e r i a l s e l e c t i o np r i n c i p l ef r o mt r i b o l o g ya n da c t u a la p p l i c a t i o n 2 a n a l y z e dt h et e m p e r a t u r e f i e l do fs e a l i n g r i n gb yo v e r a l lm o d e l i n g c o n t a c t e l e m e n tw a se s t a b l i s h e di n s e a l i n gc o n t a c t c a l c u l a t e d t h ed i f f e r e n tw o r k i n g c o n d i t i o n so ft h et e m p e r a t u r ef i e l d ，a n da n a l y z e dt h es p e e d ，m e d i u mp r e s s u r eo n t e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o ne f f e c t 3 e s t a b l i s h e dc o n t a c te l e m e n ti ns e a l i n gc o n t a c t ，a n dm a d ec o n t a c ta n a l y s i s r e s u l t s s h o wt h a tc o n t a c ti nt h ee n dd i a m e t e rl e s st h a ni nc o n t a c tp r e s s u r e ，t h ee n do ft h e s e a lr i n gw a st e n dt oe x p e n d ，a n dt h ed e f o r m a t i o nw a ss m a l l 4 e s t a b l i s h e dt h es t e ms h a f tm e c h a n i c a ls e a l i n gr i n gw e a rm a t h e m a t i c a lm o d e lb y r e f e r e n c i n gv a r i o u sm e c h a n i c a lw e a rm o d e l s a n dt h es t e ms h a f tm e c h a n i c a ls e a l a n do r d i n a r ym e c h a n i c a ls e a lw e a rr a t eh a sc a r r i e do nt h ep r e l i m i n a r yf o r e c a s t 5 t a s t e dt h ef r i c t i o np o w e rc o n s u m p t i o na n df r i c t i o nt o r q u ei nd i f f e r e n tm e d i u m p r e s s u r ea n ds p e e d t e s t e dt h ec h a m b e rt e m p e r a t u r ei nd i f f e r e n ts p e e ds e a l ，a n d a n a l y z e dt h et e s t e dt e m p e r a t u r ea n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t s k e y w o r d s ：s t e ms h a f tm e c h a n i c a ls e a l ，t e m p e r a t u r ef i e l ds i m u l a t i o n ，w e a rm o d e l ， c o n t a c ta n a l y s i s ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h i i i 船舶艉轴机械密封的数值模拟与试验研究 江苏大学硕士学位论文 目录 第一章绪论。1 1 1 船舶艉轴密封装置简介1 1 2 课题的提出。3 1 3 国内外研究现状3 1 3 1 机械密封润滑及摩擦特性研究现状4 1 3 2 机械密封端面温度场和热应力耦合分析的研究现状6 1 3 3 机械密封磨损的研究现状7 1 3 4 机械密封试验研究现状9 1 4 研究的目的和意义9 1 5 研究的主要内容和关键问题1 0 第二章艉轴机械密封的润滑及摩擦特性研究1 1 2 1 润滑与摩擦机理1 1 2 2 摩擦状态的判定1 4 2 3 船舶艉轴机械密封摩擦副材料的选择1 6 2 3 1 摩擦学材料选择原则1 6 2 3 2 机械密封摩擦副材料的选择原则1 7 2 3 3 机械密封常用材料1 7 2 4 本章小结1 9 第三章艉轴机械密封数值分析2 0 3 1 艉轴机械密封环温度场数值模拟2 0 3 1 1 稳态温度场微分方程2 0 3 1 2 基本假设和材料性能2 1 3 1 3 艉轴机械密封环模型的建立。2 3 3 1 4 端面摩擦热的计算和分配2 3 3 1 5 对流换热系数的确定2 5 3 1 6 温度场计算结果分析2 7 3 2 艉轴机械密封环接触分析2 9 3 2 1a n s y s 接触单元的选择3 0 3 2 2 接触分析的基本步骤3 1 3 2 3 密封环受力分析3 3 3 2 4 接触分析结果3 3 v 船舶艉轴机械密封的数值模拟与试验研究 3 3 本章小结3 6 第四章机械密封环磨损模型及试验研究3 7 4 1 机械密封环磨损的主要形式3 7 4 1 1 粘着磨损3 7 4 1 2 磨粒磨损3 8 4 1 3 疲劳磨损3 9 4 1 4 微动磨损3 9 4 1 5 腐蚀磨损。3 9 4 2 机械密封环磨损数学模型建立4 0 4 2 1 磨损的基本模型4 0 4 2 2 艉轴机械密封环磨损数学模型4 2 4 2 3 机械密封环磨损率的预测4 4 4 3 机械密封环摩擦试验4 5 4 3 1 试验台介绍4 5 4 3 2 试验方案。4 7 4 3 3 实验结果分析4 7 4 4 本章小结4 9 第五章艉轴机械密封的性能试验5 0 5 1 试验台介绍5 0 5 2 试验方案5 2 5 3 试验结果分析5 2 5 4 本章小结5 5 第六章总结与展望5 6 6 1 主要工作和结论5 6 6 2 展望5 7 参考文献5 8 致谢6 1 攻读硕士学位期间发表的学术论文6 2 v l 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 船舶艉轴密封装置简介 船舶艉轴密封装置是防止船体外海水从艉轴进入舱内的关键设备，它对船舶 安全运行具有重要的意义。艉轴的一端连接螺旋桨，另一头连接齿轮箱或者连轴 节再与发动机相连，因此艉轴密封装置又可分为前、后两个密封装置。前密封装 置的作用是防止艉轴管内的润滑油泄漏到机舱，后密封装置的作用则既防止艉轴 管内的润滑油泄漏到船体外，又防止海水进入船体内。典型的艉轴后密封装置如 图1 1 所示，后密封装置一般有1 群唇形密封、群气胎、3 撑机械密封三道密封【l 】o 1 圆螺母2 止动块3 动环4 静环5 弹簧固定板( 后) 6 压缩弹簧7 弹簧固定板( 前) 8 基座9 气密封座压盖1 0 气胎压环1 1 气胎1 2 气密封座1 3 、1 4 、1 5 后密封座1 6 后 本体1 7 唇形橡胶圈1 8 轴衬套1 9 、2 1 密封壳体2 0 导柱2 2 键 图1 1船舶艉轴密封装置示意图 f i g 1 1s t e ms h a f ts e a l i n gd e v i c es c h e m e s 唇形密封由固定螺栓紧紧地固定在密封环壳体中，依靠海水压力、密封环自 身的弹性及弹簧提供的预紧力的共同作用，使密封环的唇部被紧压在艉轴衬套 上，即可达到密封的目的。气胎密封是由密封压盖环下的气胎充气膨胀到达密封 船舶艉轴机械密封的数值模拟与试验研究 的效果，当艉轴正常运行的时候，气胎处于未充气状态。当遇到艉轴另外两道密 封都失效的紧急情况，气胎充满高压气体，堵塞泄漏问隙达到防止泄漏的目的。 机械密封是依靠弹性元件、介质压力对静、动环端面密封副的预紧达到密封 的轴向端面密封。典型的机械密封结构如图1 2 所示，它主要由四个部分组成： 1 、) 密封端面，由静环和动环端面组成； 2 ) 补偿或缓冲机构，弹簧或会属波纹管等，图1 2 中为弹簧； 3 、静密封装置，图1 2 中为o 型密封圈； 4 1 旋转机构，即随动环旋转的传动轴等构件。 i l 1 静环2 动环3 传动销4 弹簧5 弹簧坐6 紧定螺7 传动螺钉8 动环0 形圈9 静环o 形圈1 0 防转销1 1 压盖1 2 推环1 3 轴套 i 、，i ，i v 、v 、一泄漏点 图1 2 典型机械密封示意图 f i g 1 2m e c h a n i c a ls e a ls e a l i n gd e v i c es c h e m e s 图1 2 中，动环镶嵌在动环座上，动环座体固定在轴上与轴同步旋转。静环 内侧与静环座体配合，不可旋转，但是可以轴向运动。在动环的后端面设有弹簧 装置，它给动环提供一定的轴向压力，起到轴向预紧和补偿缓冲的作用。当密封 装置在一定的介质压力下运转时，动环后端面的介质压力和弹簧预紧力形成闭合 力，使密封端面始终保持贴合，从而起到了旋转轴和机体之间的动态密封作用。 2 江苏大学硕士学位论文 当介质压力变化后，动静环端面闭合力将自动进行调整，从而既能保证密封端面 的贴合，又可以有效避免因过高的端面接触力而导致密封寿命缩短和密封失效。 与其它密封形式相比，机械密封具有高承载力、低泄漏、低功耗及磨损自动补偿 等优点，同时随着新技术的出现，机械密封的应用范围更加广泛。目前机械密封 技术广泛应用于石油、化工、航海、航空、原子能核电工业等对密封要求极高的 行业【2 1 。 船舶艉轴机械密封是一类特殊的密封，与普通机械密封装置相比具有以下主 要特点【3 】： 1 1 艉轴转速较低，通常在o - - 4 0 0 r m i n ； 2 1 艉轴直径通常为2 0 卜1 0 0 0 m m ，多数属大轴密封； 3 1 艉轴从机舱到推力器距离有几米到几十米，存在较大的横向和轴向振动； 4 ) 艉轴工作环境比较恶劣，海水具有较强的腐蚀性，江河水中含有泥沙； 5 l 对于深吃水的水面船舶和深潜水的潜艇的艉轴，压力伴随着水深变化而 波动。 1 2 课题的提出 随着船舶向大型化、高速化、高科技化方向发展，船舶密封装置的工作条件 也更加复杂。同时随着密封压力的升高、密封尺寸的增大及艉轴速度的提高，机 械密封的性能迅速恶化，主要表现在密封端面的变形和温度相互影响，形成端面 的局部高负荷区，从而导致端面磨损加剧，泄漏量变大，最终使密封失效而威胁 船舶完全运行。目前，艉轴机械密封的研究主要采用大量试验的方法来总结其规 律，而艉轴机械密封装置价格昂贵，利用数值模拟的研究还不是很系统和深入。 特别是艉轴机械密封环摩擦机理尚不够完善，同时由于现有试验条件的限制，对 温度场的测试还存在很多不足，因此加强艉轴机械密封的摩擦机理研究，采用数 值模拟和试验相结合的方法探讨其性能参数的变化规律是当前和今后的热点和 方向。 1 3 国内外研究现状 本文研究主要涉及艉轴机械密封的摩擦状态、温度场、接触受力分析以及磨 损问题，艉轴机械密封虽有不同于普通机械密封之处，但也有很多的共性问题， 3 船舶艉轴机械密封的数值模拟与试验研究 故以下将对当f j 国内外在机械密封摩擦特性、温度场、磨损等方面的研究现状进 行概括分析。 1 3 1 机械密封润滑及摩擦特性研究现状 机械密封端面间的润滑与摩擦问题一直是学术界和工程界争论的焦点，也是 研究的热点问题。目前，用于解释机械密封端面间的摩擦状念和润滑方式的主要 理论有流体摩擦与润滑的成膜理论、边界摩擦与润滑流体交换的流动理论、干摩 擦热裂理论及固体润滑、混合摩擦与润滑的微凸体接触理论及热流体动力楔效应 理论。e m a y e r 认为普通机械密封端面一般为边界摩擦状态，这一理论解释了为 什么在较大接触压力下，软质摩擦副无论是在高粘度还是低粘度介质中，在不同 转速条件下，仍然具有较长的寿命【4 1 。n a u 认为目前在实践中应用的机械密封大 量处于流体动力摩擦状态【卯。l e b e c k 的实验研究表明，在水润滑条件下的普通机 械密封中并不能形成足够的流体动压承载能力1 6 1 。格鲁别也夫利用流体力学和传 热学相关理论，考虑密封端面缝隙内的流体流动，分析流体膜层出现的流体动压， 认为流体动压是由于摩擦副中的一个环的局部变形所造成的，并提出了说明混合 摩擦的热流体动力楔效应理论 7 1 。s u m m e r s s m i t h 等己证明在一定条件下，机械 密封端面不能运转于完全分离状态，而是处于混合摩擦状态【8 1 。显然机械密封端 面的正常摩擦状态可分为三种：流体摩擦、边界摩擦及混合摩擦。 1 3 1 1 流体润滑与摩擦状态研究现状 流体润滑状态下，两密封端面由一层足够厚的润滑膜隔开，密封端面不直接 接触，此时摩擦仅由粘性流体的剪切产生，其摩擦、磨损及功耗比较低，这种工 况下的摩擦为流体摩擦。流体润滑状态下研究重点在于流体动压效应和流体静压 效应。目前大量的研究投入到了密封端面的粗糙度、波度及表面改形对流体动压 效应的影响。c h r i s t e n s e n 提出的考虑表面粗糙度的混合摩擦模型是对密封摩擦表 面粗糙度引起的凹凸不平及运转中受热、振动从而形成很小的润滑楔形，产生流 体动压效应最早的研究模型之一1 9 1 。戈建志、李克永应用c h r i s t e n s e n 的润滑理论 建立了处于流体动压润滑状态下的机械密封理论模型，并以2 0 样机油为密封介质， 测定实际的摩擦扭矩，对理论模型进行了实验验证【1 0 l 。结果表明，对于密封油类 等粘度较大的流体，密封端面可以处于流体动压摩擦工况。s t a n g h a n b a t c h 给出 了由波度引起的流体动压力的试验结果，建立了数学模型，并认为当密封端面存 4 江苏大学硕士学位论文 在波度时，确实会引流体动压效应【1 l 】。l e b e c k 也对机械密封表面波度及其对流 体动压效应的作用进行了详细分析，给出了端面波度的理论计算公式和测试方法 等【1 2 】。表面改形技术是在机械密封端面上加工各种几何形貌的造型来改善机械密 封端面的润滑状态。以色列教授e t s i o n 提出了环表面带有规则微观凹坑的机械密 封，当两环作相对转动时，由于相对速度、流体粘度等因素，会在凹坑及其周围 区域产生流体动压力，随后他又建立了表面微造型机械密封的物理模型，分析了 密封面间压差为零时，微凹坑深径比等参数对机械密封面问流体膜平均无量纲压 力的影响【1 3 , 1 4 】；于新奇在单个微坑上建立了激光加工多孔端面机械密封的理论模 型，采用有限差分法求解r e y n o l d s 方程，分析结果表明，密封面上的微孔可以 产生明显的动压效应。流体静压润滑是指利用外部的流体压力源，将具有一定压 力的流体润滑剂送到密封间隙内，形成具有足够静压力的流体润滑膜来承受载 荷，并将密封端面分隔开的一种润滑状态f 1 5 】。l e b e c k 建立了考虑机械密封端面 粗糙度、热变形锥度和磨损对密封性能影响的流体静压模型，并认为流体静压效 应是形成流体膜压的主要因素。d o u s t 认为机械密封端面由力变形、热变形引起 的锥度以及加工而成的各种流槽可以形成流体静压效应，并计算了各种形状的密 封端面流体静压平均值【1 6 1 。 1 3 1 2 边界润滑与摩擦研究现状 在两密封端面摩擦时，其表面吸附着一种流体分子的边界膜。此流体膜非常 的薄，使两端面处于被极薄的分子膜所隔开的状态。这种润滑状态叫做边界润滑 状态。边界润滑状态下起润滑作用的是边界膜，但是此状念下液体的压力是测不 出来的。这是由于边界膜的分子有三到四层，其厚度为2 0 n m 左右，并且部分是 不连续的，局部地方为固体接触，载荷几乎都由表面的高峰承担。液膜介质的粘 度对摩擦性质没有太大的影响，摩擦性能主要取决于膜的润滑性和摩擦副材料。 在机械密封实践中，只有重载低速工况的接触式液体端面密封中才可能出现具有 分子膜的边界摩擦状态。e m a y e r 基于边界摩擦学说提出了流体交换理论，流体 主要通过单个的没有相互连通的空隙涌入到密封面上。由于密封面的整个宽度上 都存在粗糙不平的不连续的迷宫形凹隙，所以当密封环旋转时，在残余压力和离 心压力的作用下，流体在两个摩擦面上相互碰到的极小的空隙和沟槽间发生交换 4 1 。格鲁别也夫认为，摩擦副的相对滑动速度高于5 m s ，其间的单位压力小于 0 9 8 m p a 时，不会出现边界摩擦。 5 船舶艉轴机械密封的数值模拟与试验研究 - 1 3 1 3 混合润滑与摩擦研究现状 随着端面波度的减小，摩擦副的间隙变小，会出现表面粗糙度的第一高峰的 接触，即出现接触表面间同时存在几种摩擦状态的混合摩擦工况。1 9 7 7 年l e b e c k 首次提出了在接触式机械密封中同时考虑一维纵向粗糙度和切向波度的混合摩 擦模型。而后，利用新方法重新对试验数据作了分析与评价，导出了平行面混合 摩擦和波度混合摩擦模型【1 7 , 1 8 】。近年来国内一些学者对机械密封混合摩擦也进行 了研究，杨惠霞等于1 9 9 4 年提出了同时考虑机械密封端面径向锥度、环向波度、 各向同性表面粗糙度以及油膜发散区的空化作用两维混合摩擦的模型。基于此模 型，1 9 9 8 年又提出了考虑微凸体塑性变形的接触式机械密封的二维混合摩擦模 型，该模型更接近于常用的密封环硬软配对的接触式机械密封的实际运转工况。 葛培琪等根据雷诺方程和弹性固体接触模型，提出了一种简单实用的机械密封混 合摩擦计算模型，结果表明，机械密封端面压力分布呈凸抛物线状，增加密封端 面锥度可降低摩擦系数【1 9 】。 与流体润滑与摩擦相比，目前对边界摩擦及混合摩擦的研究还不是很成熟， 特别是在试验研究方面还有较大的差距。对于大多数的机械密封装置，除了端面 开槽及轻载、高速或高粘度工况的机械密封是处于全膜流体摩擦工况外，实际运 转的普通机械密封都是在混合摩擦与润滑状态下工作的。而对于边界摩擦状态， 也只有重载低速的接触式流体端面密封中才有可能出现。所以对机械密封端面摩 擦及润滑状态的研究，特别是混合摩擦工况的试验及理论研究还需进一步的深 入。 1 3 2 机械密封端面温度场和热应力耦合分析的研究现状 端面温度是机械密封实际工作中的重要参数之一。端面温度的高低直接或者 间接反映出密封面问流体膜的相态和摩擦状态。国内外学者一直都很重视密封环 温度场的研究。机械密封运转产生大量热量的同时，由于温度变化还会引起端面 热变形，热变形又会引起接触状态的变化，使密封端面产生局部高温和高应力的 趋势，进而影响密封的使用效果、寿命和安全性，所以仅仅对机械密封环进行温 度场分析是不能准确全面地获得密封性能的，尤其是近年来有限元技术的发展， 利用有限元分析软件对密封环进行热一结构，热一力耦合分析已取得了很大的进 步。程建辉等推导了用于机械密封环温度场计算的有限元方程，并且通过试验 6 江苏大学硕士学位论文 和理论计算研究了转速和密封面宽度对密封环端面温度的影响【删。单晓亮等在合 理的假设条件下，建立了机械密封环温度场的数学模型，利用有限元分析软件 a n s y s 计算了特定工况下机械密封环的温度场，得到了端面温度的分布规律及 密封环内温度沿轴向的变化趋势【2 1 】。熊佳等对高压工作条件下的机械密封温度场 进行了研究，根据热平衡方程推导出高压机械密封中的温升计算公式，利用有限 元软件求解密封环内部各节点的温度，并且对影响密封环热效应的主要因素进行 了深入的讨论【2 2 1 。 在耦合分析的研究方面，国外学者研究的比较多，包括稳态和瞬态，耦合的 物理场包括应力场和、温度度场和流场等。r a h u ln s a m a n t 等就利用有限元软件 对机械密封环进行了热结构耦合分析提出一些基本思路：使用具有热结构分析能 力的二维轴对称单元p l a n e l 3 建立动、静环的实体模型【2 3 】；使用杆元l i n k 3 4 模拟动、静环端面间的接触热传导；采用二维点一点接触单元c o n t a c l 2 模拟 动、静环端面问的摩擦生热。基于以上理论，朱学明等分别用隔离体法和整体接 触耦合法对机械密封环进行了稳态和瞬态的热一结构耦合分析【搠。田相玉对船舶 可控机械密封装置进行了温度场与应力场的耦合分析，提出了基于真实对流换热 边界的动、静环整体建模的新思路，在端面问定义大的热传导促使热量优先在端 面传递的方法，采用耦合方法实现摩擦热量的自动分配，求解了不同情况下密封 环温度场与应力场的分布【2 5 1 。严国平在对船舶艉轴机械密封热一结构特性的研究 中，给出了考虑搅拌热影响的对流换热系数计算公式，提出了基于稳态耦合分析 的变工况下机械密封装置的密封动态耦合特性分析的方法，建立了求解时间和实 际工况时间对应的处理模型，为研究动态工况下端面温度滞后的影响创造了条件 2 6 1 o 1 3 3 机械密封磨损的研究现状 机械密封摩擦副端面的磨损是运转过程中发生摩擦的必然结果，也是机械密 封的主要失效形式，因此，端面磨损是影响机械密封正常工作寿命的重要因素【2 7 1 。 郝点采用电阻磨损测试法，不拆卸摩擦副测试不同工况条件下机械密封碳石墨静 环的磨损变化量。利用推导出的机械密封摩擦磨损过程简化准则，对磨损实验数 据进行了回归和整理，研究磨损系数与其它工作参数之间的综合关系，对实现密 封磨损量的连续测试和磨损规律研究进行了初步的探讨【捌。顾永泉根据摩擦学及 7 船舶艉轴机械密封的数值模拟与试验研究 相关的密封技术，推导出摩擦副材料的粘着磨损量的简易计算公式，利用机械密 封磨损率简易的预估方法，求得普通机械密封的平均磨损率，进而预算出各种工 况下机械密封的使用寿命，同时又利用磨损的特性，反过来可以得到机械密封的 不同工况及材料组合密封副的磨损犁2 9 1 。随着计算机数值仿真技术的发展和计算 机辅助工程分析软件的出现，在摩擦学领域，摩擦磨损仿真技术的研究也正在蓬 勃发展。国内外许多学者做了大量的研究来定量地描述接触体的摩擦磨损特性。 1 9 3 7 年德国的顿尼根据磨损与材料机械特性之间的关系第一个建立了磨料磨损 的计算模型。后来许多学者也提出了各种不同的计算磨损公式，但是这些公式只 能定性地说明某些特定因素的影响，不能够完全用于计算机器零件的磨损和寿 命。1 9 5 3 年j e a r c h a r d 提出了著名的a r c h a r d 粘着磨损计算模型，该公式没有 考虑到众多特定条件的影响，并且做了实际接触面积与载荷成正比关系的假设， 虽然有其局限性，但是此模型还是成为摩擦磨损仿真模型的重要数学模型【。 p r i i t 利用a r c h a r d 磨损模型并采用有限元方法进行了滑动磨损仿真的研究，他通 过实验和有限元相结合的方法研究了销与盘在无润滑条件下的磨损特性【3 1 1 。在国 内，江亲瑜等人进行了有关数值仿真技术在磨损研究中应用方面的研究，提出了 一个研究磨损问题的数值仿真模型，并探讨了该模型在多种磨损问题中的应用前 景【3 2 1 。冯伟基于销盘滑动磨损试验采用数值计算和有限元分析方法，对销盘接触 特性作了对比分析，并在有限元分析软件a n s y s 上实现仿真；建立的磨损表面 微凸体的物理、计算模型和销盘磨损仿真模型，对往复式机械有很强的适用性【3 3 】。 摩擦学发展的年代不是很长，从1 9 6 6 年英国人乔斯特提出至今4 0 多年，它 涉及的学科极广泛，包括数学、物理、化学、材料学、润滑理论、弹性力学、流 体力学、热力学等方面的内容。机械零件的摩擦磨损是一个非常普遍和复杂的现 象，它的普遍性在于几乎存在于任何运动机械中，复杂性表现在它的影响因素众 多既有内在的因素，又有外界的因素，它受磨损过程中许多相互作用的因素影响， 并且这些因素又是由具有不稳定的、易逆变的影响，其中任何因素的微小变化都 可能引起磨损特性难以预测的变化，因此对磨损特性进行定量的分析是很困难 的。学者们提出的各种摩擦磨损模型都有很大的局限性，因此只能通过大量的试 验来研究摩擦磨损与各种因素之间的关系。但是不论是实验研究还是具体工程机 械摩擦副试验，其试验结果只能代表特定系统条件的磨损特性，其结论和规律也 只能适用该系统条件，并不能代表其它与特定系统条件不相同的系统磨损特性。 8 江苏大学硕士学位论文 对于机械密封摩擦副的研究，只能定性的研究其磨损状态，通过修正后的 磨损模型对密封环磨损量及磨损规律进行预测，尽量多的考虑可能的影响因素， 通过大量的试验来最终确定其磨损量，从而验证磨损模型的正确性。 1 3 4 机械密封试验研究现状 机械密封的理论研究在近几年取得了很大的进步，但是由于结构和工况的差 别，至今尚未形成完整的理论体系。目前，大部分的密封设计还是要依据经验和 试验研究结果。机械密封的试验研究无论对密封理论体系的建立，还是对产品的 设计、检验都十分的必要。机械密封的实验主要又可分为现场试验和模拟试验。 刘志国等利用新型气浮摆架式机械密封试验台试验参数范围宽和测试端面摩擦 力矩的高度准确等优点，研究了石墨动、静环端面的摩擦特性【3 4 1 。郝点采用电阻 磨损测试方法，在不拆卸摩擦副的情况下，测试了不同工况条件下机械密封环的 磨损变化量，对实现密封磨损量的连续测试和磨损规律研究做出了重大贡献【2 8 1 。 宋鹏云等利用在静环内埋设热电偶的方法对机械密封端面温度进行t n 定【3 5 】。孙 见君利用自行研制的动态下弹簧比压可控机械密封试验装置对平衡型机械密封 进行了试验，分析了弹簧比压对平衡型机械密封摩擦特性和密封性能的影响【矧。 赵增顺等在电动机与密封主轴之间安装扭矩传感器，测量转轴扭矩，再将所测得 的扭矩减去空载运行时主轴承的摩擦扭矩和旋转件在介质中的搅拌扭矩，间接测 得机械密封端面摩擦扭矩。谢沛霖等对船用机械密封摩擦副的材料配对进行了对 比实验，利用销盘摩擦试验机，在不同的温度和不同的介质中对多种摩擦副配对 进行了耐磨性能对比，得出了几种最佳的材料配对方案f 3 7 1 。 随着机械密封技术的日益发展，对试验装置和检测手段的要求也越来越高， 特别是端面摩擦特性参数的测试精度，可靠性要求更加严格。由于测试原理的限 制，与密封端面摩擦有关的特性参数测试难度较大，测试精度和可靠性也还要进 一步提高。同时为了提高试验效率，利用计算机进行数据采集、处理己成为一种 趋势。 1 4 研究的目的和意义 船舶艉轴机械密封是船舶推进系统中的重要部件，其性能的好坏直接影响船 舶航行的可靠性和安全性。同时随着船舶向大型化、高速化方向发展，船舶密封 9 船舶艉轴机械密封的数值模拟与试验研究 装置的工作条件更加的复杂，艉轴机械密封的端面温度过高，磨损严重，使密封 装置的故障率增加，又由于船舶艉轴机械密封装置的制造和实验成本高，周期长， 维修难度大，因此开展船舶艉轴机械密封温度、应力以及磨损的研究具有重要的 意义。 本文针对某大型船舶艉轴机械密封装置开展研究，目的在于探索一些基本规 律，对当前研究不足进行补充和完善，为船用机械密封装置的设计提供一定的理 论指导。 1 5 研究的主要内容和关键问题 本论文研究的主要内容和关键问题如下： ( 1 ) 主要研究内容 1 ) 分析大型艉轴机械密封端面间的润滑与摩擦状态，探讨机械密封端面的 润滑与摩擦机理； 2 ) 建立艉轴机械密封环的整体有限元模型，进行温度场有限元分析； 3 ) 对艉轴机械密封环进行接触分析，分析其受力、变形特点； 4 ) 建立艉轴机械密封环端面磨损的数学模型，对端面磨损率进行初步预测； 5 ) 对艉轴机械密封性能进行试验研究。 ( 2 ) 关键问题 1 ) 密封环温度场边界条件的确定，包括接触边界对流换热系数、接触热导 率等 2 ) 磨损数学模型的建立，包括条件的假设、磨损机理的选择等。 1 0 江苏大学硕士学位论文 第二章艉轴机械密封的润滑及摩擦特性研究 机械密封端面间的润滑及摩擦特性对机械密封的正常工作至关重要，因为它 决定了机械密封的泄漏量、摩擦发热量、摩擦功耗、端面温度及磨损量等主要性 能，从而影响机械密封的寿命和工作可靠性。因此，在机械密封的设计和使用中， 首先就要判断出密封所处的摩擦状态，然后才能按照其状态的不同而采用不同的 计算方法和相应措施【3 8 洲。 影响船舶艉轴机械密封摩擦特性的因素相当复杂，它与密封面表面形貌、所 受载荷大小、运动速度、材料性能及介质粘度等都有密切的关系。船舶艉轴机械 密封摩擦特性研究的目的就是深入了解摩擦端面的摩擦状态，提高艉轴机械密封 的可靠性，延长其使用寿命。 2 1 润滑与摩擦机理 艉轴机械密封的摩擦副一方面要求有一定的载荷使密封面贴合，另一方面要 求流体膜具有一定的承载能力使密封面能稳定地保持贴合并且又不至于发生过 热和过度磨损。图2 1 是机械密封端面摩擦机理的微观模型。h d 是液膜的平均厚 度，密封环表面存在一层很薄的边界膜，在密封面闭合力只的作用下，表面微 凸体的尖峰接触以支承载荷，同时伴随着弹、塑性变形。当闭合力较大时，微凸 体尖峰处的表面膜将破裂而导致固体的直接接触，如图中的a 部分。图中b 部 分为边界膜接触，c 部分为微凸体之间形成的微观空腔。在机械密封工作过程中 可能会出现四种不同的摩擦状态：干摩擦、边界摩擦、混合摩擦和流体摩擦。 图2 1 机械密封摩擦端面微观模型 f i g 2 1m i c r om o d e lo fm e c h a n i c a ls e a lf r i c t i o ne n d 船舶艉轴机械密封的数值模拟与试验研究 1 ) 干摩擦状态 在两个密封端面间不存在润滑液膜h d 的情况下，摩擦主要取决于滑动表面 的固体相互作用，当密封面上吸附有气体或氧化层时，固体与固体的接触磨损也 很大，并主要取决于载体和配合的材料特性。理论上，只有在真空条件下的摩擦 是无介质的干摩擦，但是在工程条件下，密封面可能吸附着气体或蒸汽薄膜的干 摩擦，也统称为干摩擦。机械密封的干摩擦状态大多数是在开、停车时短暂的发 生，这个时候可能的原因主要有：密封端面间缺乏合适的润滑，比如冲洗液中断 等；密封面载荷或者p v 值过大；密封面处产生了液体汽化：密封面热变形过大。 干摩擦会使摩擦系数剧增，磨损加剧，导致密封环烧损，从而发生大量的泄漏故 障，机械密封实际运转过程中要避免干摩擦的发生。 2 ) 边界摩擦状态 当液膜厚度h d 较小时，各个微观空腔c 之间基本上是不连续的，其中没有 充满流体或虽然充满了流体但压力很小，密封闭合力主要由边界膜和固体直接接 触来承受，此时对应于边界摩擦状态。 如图2 2 所示，在实际工作过程中，摩擦面虽然存在很薄的润滑液膜，可是 缝隙中测不出任何流体压力，此液膜只有几个分子的距离，并且是不连续的，局 部发生固体接触。迈尔基于边界摩擦学说，在研究了机械密封端面缝隙中没有明 显的缝隙压力情况下的泄漏流动真实状态后，建立了流体交换流动理论。 k 固体接触区 6 边界膜 图2 2 边界摩擦状态示意图 f i g 2 2b o u n d a r yf r i c t i o ns t a t es c h e m e s 如图2 3 所示，密封端面间的微观空隙较少，当其中一个密封环旋转时，就 好像人通过旋转门或者物体经由计量机器那样，流体从一个空隙转移到另一个空 隙中去，从而导致泄漏。在机械密封实践中，只有重载低速工况的接触式流体端 面密封中才有可能出现具有分子膜的边界摩擦状态。 1 2 江苏大学硕士学位论文 0 控制点a 液体质点 表面2 图2 3 流体交换流动模型 f i g 2 3f l u i de x c h a n g em o d e l 3 ) 流体摩擦状态 在理想状态下，当液膜厚度增大到一定值时，两密封面由一层足够厚的 润滑膜所隔开，此时微观空腔c 连成一片，密封缝隙中的流体静压力和流体动 压足以承受密封闭合力，密封端面不直接接触，此时对应于流体摩擦状态。该状 态下的摩擦由粘性流体的剪切产生，所以其大小通常要比固体摩擦小得多，并且 不存在固体磨损。在完全流体摩擦状态下，润滑剂的动力粘度影响摩擦的性质。 此时润滑流体表现出它的体积特性，摩擦发生在润滑剂的内部，属于润滑剂的内 摩擦。非接触式的液体端面密封都是处于液体摩擦状态，此时的磨损量最小，但 泄漏量较大。 4 ) 混合摩擦状态 随着液膜厚度h d 的增加，微观空腔c 将部分的连接起来，产生较大的流体 静压力和流体动压力，密封闭合力由流体压力、边界膜和固体接触三部分承受， 此时对应于混合摩擦状态。混合摩擦状态是介于上述三种摩擦之间的一种摩擦状 态，在密封端面问，接触