船舶艉軸機(jī)械密封振動與熱—熱應(yīng)力研究.pdf

1、艉軸機(jī)械密封是船舶推進(jìn)軸系中的重要部件,主要作用是防止船體外的海水泄漏進(jìn)艙內(nèi),以及艙內(nèi)的潤滑油泄漏出船體而環(huán)境污染,其性能的優(yōu)劣直接影響著船舶的安全運(yùn)行。隨著船舶向高速、大型化和高運(yùn)行可靠性發(fā)展,對艉軸機(jī)械密封的要求越來越高。而端面摩擦、溫度和熱應(yīng)力,以及不均勻的軸向伴流場激振力產(chǎn)生的軸向振動等己成為影響艉軸機(jī)械密封性能和使用壽命的關(guān)鍵問題。目前對這些問題雖然已開展了許多研究工作,但仍不夠系統(tǒng)深入,特別是對在不同材料配對下,溫度場和熱應(yīng)

2、力分布以及軸向激振力對機(jī)械密封影響的研究還很少。故本文主要針對這幾個問題展開研究,主要工作和結(jié)論如下:
　　 1)基于有限元分析軟件ANSYS,采用硬質(zhì)合金、氧化鋁陶瓷、斯太利特、銅合金和細(xì)粒碳石墨五種材料進(jìn)行配對并運(yùn)用直接耦合法進(jìn)行了熱-熱應(yīng)力耦合計(jì)算和分析。研究表明:溫度沿徑向呈降低趨勢,不同的材料配對對于溫度和熱應(yīng)力有著顯著的影響,動環(huán)和靜環(huán)應(yīng)力比較集中在臺階處:硬質(zhì)合金和細(xì)粒碳石墨的配對比較合理。
　　 2)對于

3、動環(huán)采用硬質(zhì)合金、靜環(huán)采用細(xì)粒碳石墨的密封副,計(jì)算得到不同轉(zhuǎn)速、不同介質(zhì)壓力下的端面平均溫度和最大熱應(yīng)力值變化規(guī)律,并進(jìn)行了艉軸機(jī)械密封的溫度測試和驗(yàn)證。研究得到端面平均溫度、最大熱應(yīng)力值隨轉(zhuǎn)速、介質(zhì)壓力的增加而增加;熱應(yīng)力集中的位置受介質(zhì)壓力和轉(zhuǎn)速的影響較小。
　　 3)基于有限元分析軟件ANSYS,對艉軸機(jī)械密封進(jìn)行三維造型和模態(tài)計(jì)算:檢驗(yàn)預(yù)應(yīng)力對模態(tài)計(jì)算的影響以及有實(shí)際約束的模態(tài)計(jì)算和自由模態(tài)計(jì)算。通過提取前六階固有頻率和

4、振型的計(jì)算結(jié)果,分析得到:預(yù)應(yīng)力對模態(tài)分析不產(chǎn)生影響,且約束的施加使其固有頻率明顯增大,可以有效地避免共振。
　　 4)螺旋槳在不均勻伴流場中工作將產(chǎn)生不均勻的軸向激振力,導(dǎo)致艉軸機(jī)械密封產(chǎn)生軸向振動。通過艉軸機(jī)械密封的諧響應(yīng)分析和瞬態(tài)溫度場分析,得到激振力對艉軸機(jī)械密封溫度場的影響關(guān)系。通過ANSYS計(jì)算分析得到軸向振幅隨頻率的增大而先增大后減小,在頻率為7000Hz時達(dá)到最大值;在靜環(huán)與彈簧接觸端面,軸向振幅沿徑向逐漸增大。