初始力变形对船舶艉轴机械密封温度场的影响

　　机械密封温度场传统分析方法不考虑初始力变形对温度场影响，假设认为密封端面平行，计算得到密封环温度与实际温度存在较大的偏差。建立考虑初始力变形的艉轴密封装置的有限元模型，运用ANSYS 分析软件通过间接耦合法研究特定工况下船舶艉轴机械密封端面温度的分布规律及密封环内温度沿轴向的变化规律，并与传统方法结果进行比较。结果表明：提出的数值分析方法考虑了初始力变形的作用，得到的密封端面径向最高温度发生在靠近端面变形后实际接触的内径位置，而不是传统方法的靠近内径处；相比传统方法，提出的数值分析方法计算得到的端面比压更大，端面温度更高，尤其是在高温高压的工况以及采用弹性模量较小的密封材料时。

　　机械密封正常工作时，由于动静环的相互贴合并相对转动而产生摩擦热，导致密封环特别是密封端面的温度升高。密封环的温度升高会产生一系列的问题，如端面温度升高有可能使液膜汽化，导致密封工作的不稳定； 密封端面磨损加剧，缩短密封使用寿命； 使密封环内的温度梯度增大，产生热变形，改变端面的润滑和接触状态，增加端面间的磨损和泄漏；当密封端面间的热应力过大时还会导致端面热裂。所以，研究机械密封的温度场具有重要意义。许多学者对密封副的温度场进行了研究，但由于密封环的结构和边界条件以及变形情况复杂，传统的间接耦合法往往假设密封端面平行，而实际机械密封在运行前因受介质压力的影响始终存在力变形，忽略初始的力变形，虽然简化了计算，但计算精度降低，尤其是在高温、高压工况下，计算结果偏差较大。

　　本文作者利用ANSYS13.0 对某大型船舶的艉轴密封装置进行温度场分析，以应力场的计算结果为基础建立了考虑初始力变形的具有收敛间隙的计算模型，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规律，并将计算结果与传统法结果进行比较，得出考虑初始力变形的计算模型比传统计算模型更加准确。

1、几何模型的建立

　　1.1、基本假设

　　由于机械密封温度场以及边界条件非常复杂，为了提高效率，作以下假设:

　　(1) 密封环具有或近似具有轴对称结构，边界条件也是轴对称的，所以假设温度场的分布也是轴对称的；

　　(2) 环内温度分布不随时间变化，即温度场是稳态的；

　　(3) 密封面间泄漏量很小，忽略泄漏所带走的摩擦热，假定摩擦热全部由密封环传递；

　　(4) 忽略因热辐射产生的热损耗；

　　(5) 分析时将动静环作为整体考虑，避免密封环间的热量分配比的计算。

　　1.2、计算模型的结构

　　假设艉轴机械密封模型是轴对称模型，因此取艉轴机械密封的横截面进行求解计算，其横截面主要计算尺寸如图1所示。

图1 模型主要几何尺寸(mm)

　　1.3、工况及物性参数

　　研究的密封为软硬配对组合，动环采用碳化硅，静环选用碳石墨，密封环材料参数见表1。工作参数为：主轴转速100 r /min，面积比0.8，弹簧比压0.15MPa，密封介质压力为0.1MPa，密封介质为20 ℃的海水。根据相关船舶实际运行情况和相关文献资料，选取碳石墨作密封环时，因碳石墨具有自润滑性，使其在与碳化硅配对进入稳定状态后，摩擦因数很小且波动很小，故取摩擦因数为0.1。密封介质参数见表2。

表1 密封环材料参数

表2 密封介质参数

2、结论

　　(1) 在考虑初始力变形的作用时，密封端面径向最高温度发生在靠近端面变形后实际接触的内径位置，与传统法计算得到的密封端面最高温度发生在靠内径处，且沿径向逐渐减小不同。

　　(2) 在考虑初始力变形的作用时，计算得到的端面比压比传统方法更大，端面温度更高。

　　(3) 初始力变形改变了密封端面接触宽度，尤其是在高温高压的工况环境下，对机械密封性能产生重大影响，在设计计算中是不容忽略的。在设法降低密封端面温度的设计时，应当改变密封环结构或采用端面预变形等方法，尽量使两接触端面在受到介质压力作用下达到平行。