對船舶艉軸機械密封環溫度場與變形的理論分析

張良平 李淑敏 丁小玲

摘 要：在船舶密封工業當中，船舶艉軸密封工作對于船舶安全影響較為顯著，但是在實際生產中，機械密封摩擦卻會造成磨損并產生熱量。本文在對船舶密封工藝進行研究和分析后，提出了關于船舶艉軸在密封環溫度場分析方面的假設，依據假設的定義內容，選定了有限元分析方法。最后利用耦合模型分析對密封環在密封端面的發熱情況做出分析論證，討論溫度場和變形情況。

關鍵詞：船舶密封工藝；艉軸密封；有限元分析；密封環

現代船舶的密封技藝發展相對迅猛，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在實際應用中具有一定意義，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，其內部端面則會由于溫度分布布局從而產生內部熱應力，造成變形。針對這一規律進行有限元分析，并對其作出判斷，有助于艉軸密封的工藝提升。

一、艉軸密封環溫度場假設

隨著密封工藝的發展，艉軸密封工藝在實際的密封應用當中極具復雜性，為了保證有限元模型分析能夠對密封環溫度場作出精確判斷，從而完成模型建設，使有限元模型能夠獲得可求解性。[1]本文結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。

假設一：模型設定當中，為軸機械密封環的模型形態需要具有軸對稱的點，軸對稱下的密封環，其中尺寸、形狀、載荷等具體外形。數據都具有軸對稱特征

假設二：艉軸密封環應當是理想狀態下的彈性體，表明該環具有均勻連續、同向性等材料特點。

假設三：密封環所選擇的材料及其所具有的密封介質具有極高穩定性，該材料不會隨時間推移、環境溫度變化而發生改變的，表明機械密封環材料本身溫度場保持恒定。

假設四：位于密封端面位置的流體換熱邊界當中，介質溫度不會對密封工藝差生影響，因而可以完成換熱邊界的簡化，成為對流換熱邊界。

假設五：模型分析不考慮因熱輻射所造成的熱量損失數據。

二、有限元幾何模型構建與分析

（一）有限元模型設定

為了能夠精確探究密封環溫度場中艉軸變形情況，本文利用數學模型方式，對常用船舶中某型號艉軸密封裝置進行了建模，在模型當中，主體表現的內容為靜環和動環兩個部分，其中模型表達的靜環為常規密封裝置當中的補償力提供部分裝置，在實際的密封裝置當中，該部分的材料通常為丁晴橡膠材料；而動環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，遵循了傳統應用材料WCNI材料，完成模型搭建。[2]

在完成了數學表達模型建構之后，本文選用了著名的有限元處理軟件ANSYS對模型進行網格劃分，從而對密封裝置的動環和靜環作出有限元的分析判斷。

（二）邊界材料有限元分析

目前應用于艉軸密封工藝中的密封環裝置，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、比熱容以及導熱系數等方面存在較大差異，以導熱系數為例，常規橡膠材料的導熱系數僅為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，常規橡膠材料能夠達到1700J，而45#鋼與WCNI兩種材料則相對較低，分別為460J和480J。本文所進行的模型分析材料對象為某型號密封環裝置，其靜環采用了丁晴橡膠材料，動環則選用WCNI材料，這兩種材料作為密封環溫度場中直接進行摩擦的材料，需要借助有限元模型進行溫度變化規律的分析。

密封環所接觸到的動環與靜環的摩擦為混合狀態下的機械摩擦，所產生的摩擦熱量Q如下公式所進行表述的。

公式1：Q=f·Fc·V

式中，f為摩擦系數常數，取值為0.36，Fc為模型中密封端面所受到的壓力，V則為動環轉動所形成的線速度。

通過分析計算能夠獲取到模型分析狀態下密封環受到摩擦所產生熱量的分布情況。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熱穩態共識等對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用性，往往難以奏效，本文在進行分析研究中，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先傳遞，從而獲取密封環中溫度場的基本狀態。

模型分析結果顯示，模型當中密封環在不同的邊界下所表現出的對流換熱系數數值差異巨大，數據統計結果中，最高對流換熱系數已經接近1.1萬，而最小的對流換熱系數約為392，表明密封環當中的溫度場因摩擦所產生的溫度變化極為不均衡。

三、耦合模型下的機械密封環變形情況

受到溫度場內部的各個便捷在對流換熱系數上極高的差異值影響，動環與靜環材料會由于受熱不均而發生一定程度的變形。為了能夠探究其變形情況，需要將已經完成計算的對流換熱系數部分帶入到耦合模型當中，對變形規律作出判斷。在模型當中，為了作出準確判斷，筆者以有限元網格劃分為基礎，對下端面和上端面進行了節點劃分。通過控制主軸速度和接觸端面溫度對其位移量進行統計，結果顯示，靜環下端面受溫差所產生的變形量下端面明顯高于上端面，進過分析可以了解，靜環上端面與動環直接接觸，而下端面則與動環存在一定空間，空間內部構造形態為錐形，受熱后會造成熱流密度逐漸提升，造成變形量增大。

四、結論

綜上所述，通過利用有限元分析和耦合模型分析，能夠對一定條件下的機械密封環運行狀態作出模擬，并判斷其對流換熱系數，從而獲得密封環內部的溫度場溫度分布情況。動環和靜環的相對位置，受到溫度變化影響，從而影響變形量數據，數據信息可以挺過耦合模型分析獲取。

參考文獻：

[1]何繼鋒.船舶艉軸腐蝕原因及船機管理方面應注意的問題[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——艉部結構系統的碰撞載荷響應研究[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：機械設計與制造。