船用艉軸機(jī)械密封熱-結(jié)構(gòu)特性數(shù)值分析.pdf

1、船用艉軸機(jī)械密封是船舶推進(jìn)系統(tǒng)的重要組成部分。在復(fù)雜載荷的耦合作用下，艉軸機(jī)械密封端面容易出現(xiàn)局部高溫和高應(yīng)力，導(dǎo)致高磨損和端面泄漏，嚴(yán)重影響了密封裝置整體性能。因此，開展船用艉軸機(jī)械密封熱-結(jié)構(gòu)特性的研究具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。 本文以船用艉軸機(jī)械密封為研究對象，開展了密封受力與變形、溫度場特性、穩(wěn)態(tài)熱-結(jié)構(gòu)耦合特性、變工況瞬態(tài)耦合場分析及優(yōu)化等方面的理論研究，并進(jìn)行了臺架試驗驗證。 1.研究了液膜壓力和端面

2、受力變形規(guī)律。根據(jù)簡化的雷諾方程，推導(dǎo)了三種端面間隙間的液膜壓力分布，應(yīng)用自編的程序?qū)崿F(xiàn)了端面各節(jié)點(diǎn)的液膜壓力的精確加載，并以最小液膜厚度和液膜壓力相對誤差為收斂條件進(jìn)行密封受力變形的迭代分析。結(jié)果表明，密封端而在力和力矩作用下產(chǎn)生變形，形成接觸閉合區(qū)和錐形開口區(qū)，并在接觸區(qū)有應(yīng)力集中。 2.建立了密封熱-結(jié)構(gòu)耦合分析的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行了密封溫度場數(shù)值計算，給出了端面摩擦熱、混合摩擦狀態(tài)下的摩擦系數(shù)和新的對流換熱系數(shù)的計算表達(dá)式；

3、采用整體與隔離分析方法完成了端面總體熱量分配及端面徑向熱量分配的迭代數(shù)值求解。研究結(jié)果表明：動環(huán)外側(cè)的溫升較靜環(huán)低；端面總熱量分配系數(shù)與密封材料的特性及密封工況有關(guān)，動環(huán)端面分配總熱量較靜環(huán)多；密封端面徑向熱量分配系數(shù)與半徑位置、密封環(huán)導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān)。 3.研究了穩(wěn)態(tài)熱-結(jié)構(gòu)耦合作用下的端面特性，給出了耦合節(jié)點(diǎn)溫度自由度法和接觸導(dǎo)熱系數(shù)法兩種耦合場計算方法，并通過示例計算說明二者的等效性。提出了四個計算收斂準(zhǔn)則，并根據(jù)收斂準(zhǔn)則和邊

4、界條件完成了密封穩(wěn)態(tài)熱—結(jié)構(gòu)數(shù)值計算。結(jié)果表明：在熱力作用下，密封端面液膜分布、接觸壓力及溫升等特征呈強(qiáng)耦合特性關(guān)系，在接觸區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)高溫、高應(yīng)力和高接觸壓力。 4.研究了瞬態(tài)熱—結(jié)構(gòu)耦合作用下的端面特性。運(yùn)用耦合場分析方法完成了兩種典型變工況及交變載荷作用下的密封瞬態(tài)分析。分析表明：在瞬態(tài)積分效應(yīng)的影響下，各變工況時刻的端面特性與穩(wěn)態(tài)計算結(jié)果不同。在降速減載工況時端面溫度變化存在滯后現(xiàn)象，未能隨工況參數(shù)的降低而降低；在交變載荷

5、作用下，密封端面特性(溫度、接觸壓力等)也呈現(xiàn)出交變的瞬態(tài)特征。 5．提出了密封耦合場優(yōu)化的原則，建立了優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，并運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-遺傳算法和改善內(nèi)側(cè)散熱條件完成了熱-結(jié)構(gòu)耦合場的優(yōu)化分析。通過選擇優(yōu)化后的密封端面伸出長度和寬度以及加裝內(nèi)側(cè)沖洗冷卻裝置，可以有效地抑制端面溫升，改善端面特性，并能在一定工況下和小錐度的收斂型間隙條件下降低端面局部最高溫度。 6．在自行研制的艉軸機(jī)械密封性能試驗臺上對端面溫度、摩擦力矩