魚雷尾軸機械密封參數對泄漏率的影響

詹茂榕, 王志杰, 曹小娟, 徐新棟, 郭 君, 單志雄

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魚雷尾軸機械密封參數對泄漏率的影響

詹茂榕, 王志杰, 曹小娟, 徐新棟, 郭 君, 單志雄

(1. 中國船舶重工集團公司第705研究所, 陜西西安, 710077; 2. 水下信息與控制重點實驗室, 陜西西安, 710077)

在魚雷尾軸機械密封設計時, 為了確定影響尾軸密封泄漏率的設計參數, 建立了魚雷尾軸機械密封泄漏模型, 分析了分形維數、靜環寬度、彈簧比壓等設計參數對泄漏率的影響。同時, 在滿足特定工況及“零泄漏”要求時, 運用遺傳算法選取了分形維數、靜環寬度、彈簧比壓參數的最佳值。結果表明, 對于魚雷特定航行工況, 存在靜環寬度、彈簧比壓、分形維數最佳組合, 使得魚雷尾軸密封的泄漏率小于3 mL/h。

魚雷; 尾軸密封; 泄漏率; 遺傳算法

0 引言

目前, 魚雷的發展趨勢為遠航程、高航速、大深度、安靜型, 世界先進輕型魚雷的最大航行深度從400~500 m提高到1 000 m, 航行速度也由40 kn提高到50 kn左右。為了適應魚雷性能日益提高的需求, 雷內結構設計越來越復雜, 對雷內空間要求也越來越緊張, 其中輕型魚雷內部空間的矛盾尤為突出。因此, 為了滿足魚雷最大航行深度和航行時間的不斷增加以及設計空間的嚴格要求, 尾軸密封性能的要求也在不斷提高。由于機械密封具有運行壽命長、運轉中無需調整、介質泄漏率可以限制到很少甚至無泄漏等優良性能, 因此在魚雷尾軸密封上具有廣泛應用。

關于機械密封的研究, 魏龍等運用數值計算方法分析了機械密封摩擦副的分形維數與接觸面積的關系[1], 但沒有建立分形維數與泄漏之間的關系。杜鵬宇、盛杰等分析了機械密封端面比壓影響因素, 定性分析了彈簧比壓、端面寬度對端面比壓的重大影響[2], 但沒有定量分析彈簧比壓等因素對泄漏率的影響。此外, 針對魚雷尾軸密封自身特點, 彈簧比壓、分形維數等主要設計參數對魚雷尾軸泄漏率的影響尚未進行深入研究。

文章分析了影響魚雷尾軸密封泄漏的幾個重要設計參數, 并在滿足“零泄漏”要求下, 運用遺傳算法對影響泄漏的設計參數進行最優選取。

1 魚雷尾軸機械密封泄漏模型

1.1 密封機理和受力分析

魚雷尾軸密封采用彈簧式端面密封, 由動環、靜環、彈簧座和彈簧等零部件組成, 動環通過螺母裝于主軸, 其余部件裝于尾艙段殼體。工作時, 靜環與動環構成摩擦副, 密封工作面為動靜環貼合面, 當靜環磨損時, 由彈簧力對其進行補償, 使動靜環始終保持貼合工作。尾軸密封結構示意圖、密封工作面放大圖如圖1和圖2所示。

在魚雷尾軸機械密封的動、靜環上作用著各種載荷, 這些載荷歸結起來可分為2種力: 一種是閉合力, 彈簧力與海水作用力為閉合力;一種是開啟力, 密封端面間的流體膜作用力為開啟力。摩擦副的軸向受力如圖2所示。

彈簧作用力為

海水背壓對密封面的作用力為

其中,A為尾軸機械密封的名義接觸面積, 且

尾軸密封端面間的流體膜作用力為

魚雷尾軸密封的摩擦副所受合力為

1.2 魚雷尾軸密封泄漏模型

建立魚雷尾軸密封泄漏模型時考慮了密封端面摩擦副的粗糙度、動靜環的材料屬性、轉速、海水壓力、彈簧比壓等因素的影響, 其中粗糙度用分形維數表示, 分形維數是一種尺度獨立的參數, 代替尺度相關的傳統統計學參數, 用以表征粗糙表面形貌。經過推導, 尾軸密封泄漏率可以表示為

為了求得魚雷在水下特定工況下的尾軸密封泄漏率, 首先需求得魚雷在水下航行過程中, 尾軸機械密封摩擦副間的實際接觸面積為

魚雷在不同工況下摩擦副端面間的受力不同, 其摩擦副間的實際接觸面積A也將隨之改變, 由1.1節求得在特定工況下魚雷尾軸密封受力F, 以及根據選擇的魚雷尾軸密封摩擦副材料屬性, 通過求解如下方程求得魚雷尾軸密封摩擦副的實際接觸面積。

0為靜環的屈服強度與摩擦副當量彈性模量之比, 且

2 計算分析

2.1 計算參數選取

1) 計算參數選取: 依據工程上的經驗[3], 機械密封端面寬度

2) 分形維數選取: 由于分形維數越大, 代表機械密封摩擦副越光滑, 當摩擦副的分形維數很小時, 達不到尾軸密封的要求; 當分形維數很大時, 對摩擦副光滑程度要求高, 提高了加工成本, 經過計算, 分形維數太小, 泄漏率很大, 不能滿足要求, 因此文中選取

3) 魚雷尾軸密封摩擦副選取: 靜環選取浸銻石墨材料, 動環選取9Cr18材料;

其他計算參數選取如表1所示。

表1 計算參數的選取

2.2 計算結果

1) 首先根據上述的魚雷尾軸密封泄漏模型及選取的魚雷尾軸密封特定工況, 通過Matlab軟件分別計算出端面分形維數、靜環寬度、彈簧比壓、背壓、尾軸轉速對尾軸密封泄漏的影響, 分別如圖3~圖5所示。

從圖3可以看出, 分形維數小時, 泄漏比較大, 當分形維數達到1.82左右時, 可以滿足泄漏的要求。

從圖4可以看出, 隨著靜環寬度的增大, 尾軸密封的泄漏率減小, 因為靜環寬度的增大使得外界水壓作用在摩擦副之間的壓緊力增大, 當靜環寬度在之間時, 滿足摩擦副間的泄漏要求, 當靜環寬度在進一步增大后, 摩擦副端面摩擦產生較大的熱量, 破壞端面的形貌以及磨損狀況, 使得泄漏率有所增大。

（2）創新申報模式，突出工作“服務點”。昆明醫科大學第三附屬醫院積極探索開展黨建與思想政治研究申報工作模式，建立黨建思想政治理論研究項目申報制度，在工作中突出黨委的指導及相關職能部門的服務。在項目申報全過程進行指導、跟蹤、審核及問效。根據高校附屬醫院病患多、職工工作繁忙的特點，對項目申報采取申報前、申報中、申報后的全過程服務。申報前，按照當前黨中央政策及國家發展導向，結合申報指南對申報基層黨支部進行廣泛性引導；申報中，針對申報選題及項目申報書召開項目評審會，對項目組成員進行針對性指導；立項后，對項目研究開展中期檢查和結題要求提醒，對項目負責人進行單獨性輔導。

從圖5可以看出, 隨著彈簧比壓的增大, 彈環對摩擦副的預緊力增大, 端面間的泄漏率將減小。

以上計算結果表明, 代表密封端面粗糙度的分形維數對泄漏率的影響最大, 隨著分形維數的增大, 尾軸密封泄漏率快速減小, 在分形維數達到1.82左右時, 分形維數的提高對降低泄漏率效果已經不是很明顯; 在特定工況下, 靜環寬度存在一定的合理取值以達到泄漏規范要求; 同時可以看出, 隨著彈簧比壓的增大, 泄漏率也在不斷地減小。

2) 當前大多數文獻都是針對影響泄漏率的分形維數、彈簧比壓等因素進行的單一參數分析。根據相關文獻指出: 當被密封介質為液體, 軸外徑小于50 mm, 平均泄漏率不大于3 mL/h時, 可以認為魚雷尾軸密封為“零泄漏”[4]。因此, 文中對在背壓為6 MPa、尾軸轉速為2 500 r/min的工況下, 運用遺傳算法求取在滿足“零泄漏”的要求時, 分形維數、靜環寬度和彈簧比壓的最優選值。

結合上文中魚雷尾軸密封泄漏模型, 運用遺傳算法優化計算模型為

其中泄漏率不大于3 mL/h為目標函數, 在給定魚雷航行工況(轉速及背壓)下, 對密封端面分形維數、端面寬度、彈簧比壓為優化對象, 其他材料參數及尺寸參數如表1所示。運用遺傳算法的計算流程為如圖6所示。

遺傳算法收斂曲線及最優解如圖7所示。

遺傳算法計算對分形維數、動靜環端面接觸寬度、彈簧比壓進行最優選取為:=時, 滿足了魚雷尾軸“零泄漏”的要求。

通過實航試驗對建立的尾軸密封模型以及計算的結果進行驗證, 試驗時航行深度、尾軸轉數如圖8和圖9所示。

根據試驗數據測得尾軸密封處的泄漏量約為10 mL, 理論計算的泄漏量為7.888 5 mL, 故建立的模型適合對尾軸密封泄漏進行預測分析。

4 結論

1) 表征摩擦副粗糙度的分形維數及彈簧比壓的增大, 魚雷尾軸機械密封的泄漏率隨之減小; 同時, 對于魚雷航行的特定工況, 密封面的靜環寬度存在合理的取值范圍來滿足泄漏率的要求。

2) 對于魚雷特定航行工況, 分形維數、彈簧比壓和端面寬度等影響尾軸密封泄漏的因素, 存在最優組合使得泄漏率最小。因此設計時需綜合考慮這3個因素, 其可改善目前研究中只對單一影響因素進行分析的現狀。

后續研究還需要考慮不同的密封材料對尾軸密封的影響以及軸系跳動、摩擦副尺寸公差等工程實際條件下對尾軸密封的影響。

[1] 魏龍, 顧伯勤. 機械密封摩擦副端面分形維數的優化[J]. 化工學報, 2010, 61(1): 132-136.Wei Long, Gu Bo-qin. Optimization of Surface Fractal Dimension of Friction Pair in Mechanical Seals[J]. CIESC Journal, 2010, 61(1): 132-136.

[2] 杜鵬宇, 盛杰. 機械密封端面比壓影響因素分析[J]. 北京石油化工學院學報, 2013, 21(4): 22-25.Du Peng-yu, Sheng Jie. Analysis of Influential Factors of Face Pressure in Mechanical Seal[J]. Journal of Beijing Institute of Petro-chemical Technology, 2013, 21(4): 22-25.

[3] 崔建昆. 密封設計與實用數據速查[M]. 北京: 機械工業出版社, 2010.

[4] 郝木明. 機械密封技術及應用[M]. 北京: 中國石化出版社, 2010.

Effects of Mechanical Seal Parameters of Torpedo Tail Shaft on Leakage Rate

ZHAN Mao-rong1,2, WANG Zhi-jie1, CAO Xiao-juan1, XU Xin-dong1, GUO Jun1, SHAN Zhi-xiong1

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710077, China; 2.Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory, Xi′an 710077, China)

This paper establishes a mechanical seal leakage model of torpedo tail shaft, and analyzes the effects of fractal dimension, width of static ring, and spring pressure on leakage rate in order to determine design parameters of torpedo tail shaft seal leakage rate. In the condition of meeting the requirement of no leakage, this paper optimizes the parameters by using genetic algorithm in the specific conditions. The results show that the leakage rate is lower than 3mL/h in the specific navigation condition of a torpedo when the width of static ring, spring pressure and fractal dimension are in optimum combination.

torpedo; seal of tail shaft; leakage rate; genetic algorithm

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.01.004

TJ630.31

A

1673-1948(2016)01-0018-05

2015-09-21;

2015-11-10.

詹茂榕(1990-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向為魚雷總體技術.

(責任編輯: 陳 曦)