船舶艉轴机械密封的数值模拟与试验研究

摘要

艉轴密封是直接关系到船舶行驶安全的关键部位。机械密封因具有承载能力高、泄漏量小、功耗低以及磨损自动补偿等显著优点,广泛应用于艉轴密封中。随着船舶向高速、大型方向发展,艉轴机械密封的轴径、转速及密封介质压力也越来越大,导致密封环的端面温度升高、磨损加剧,严重影响密封的寿命。艉轴机械密封端面间的润滑及磨损特性已成为当前急待深入研究的重要课题。本文针对这一问题,采用数值模拟和试验分析,研究了不同工况条件下艉轴机械密封的摩擦机理、温升及传热、磨损特性等,为艉轴机械密封设计提供理论依据。论文研究的主要工作和取得的成果如下:
　　 1.依据摩擦学原理分析了艉轴机械密封环的摩擦机理,判断了其摩擦状态,同时从摩擦学和实际应用角度分别阐述了艉轴机械密封摩擦副材料选择的原则。
　　 2.利用动、静环整体建模的思路,对密封环进行温度场分析。运用不同的方法对密封环的对流换热边界进行了计算,以热流密度为加载载荷,计算并分析了不同工况下密封环的温度场分布情况,获得了转速、介质压力对温度场分布的关系。
　　 3.在密封环接触端面建立了接触单元,对密封环进行了接触分析。结果表明接触端面内径处的接触压力要小于外径处,密封环端面有出现扩散锥面的趋势,密封环的各个边缘处产生较大的集中应力,密封环的变形较小。
　　 4.进行艉轴机械密封的磨损特性研究,在综合分析各种机械磨损模型的基础上,建立了艉轴机械密封环磨损的数学模型。并对艉轴机械密封和普通机械密封的磨损率进行了初步预测。
　　 5.开展了机械密封的试验研究,得到了机械密封环摩擦扭矩和摩擦功耗随介质压力、转速的变化关系,以及艉轴密封腔温度随转速的变化情况,同时与温度场和磨损特性的模拟结果进行对比分析。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 船舶艉轴密封装置简介

1.2 课题的提出

1.3 国内外研究现状

1.3.1 机械密封润滑及摩擦特性研究现状

1.3.2 机械密封端面温度场和热应力耦合分析的研究现状

1.3.3 机械密封磨损的研究现状

1.3.4 机械密封试验研究现状

1.4 研究的目的和意义

1.5 研究的主要内容和关键问题

第二章 艉轴机械密封的润滑及摩擦特性研究

2.1 润滑与摩擦机理

2.2 摩擦状态的判定

2.3 船舶艉轴机械密封摩擦副材料的选择

2.3.1 摩擦学材料选择原则

2.3.2 机械密封摩擦副材料的选择原则

2.3.3 机械密封常用材料

2.4 本章小结

第三章 艉轴机械密封数值分析

3.1 艉轴机械密封环温度场数值模拟

3.1.1 稳态温度场微分方程

3.1.2 基本假设和材料性能

3.1.3 艉轴机械密封环模型的建立

3.1.4 端面摩擦热的计算和分配

3.1.5 对流换热系数的确定

3.1.6 温度场计算结果分析

3.2 艉轴机械密封环接触分析

3.2.1 ANSYS接触单元的选择

3.2.2 接触分析的基本步骤

3.2.3 密封环受力分析

3.2.4 接触分析结果

3.3 本章小结

第四章 机械密封环磨损模型及试验研究

4.1 机械密封环磨损的主要形式

4.1.1 粘着磨损

4.1.2 磨粒磨损

4.1.3 疲劳磨损

4.1.4 微动磨损

4.1.5 腐蚀磨损

4.2 机械密封环磨损数学模型建立

4.2.1 磨损的基本模型

4.2.2 艉轴机械密封环磨损数学模型

4.2.3 机械密封环磨损率的预测

4.3 机械密封环摩擦试验

4.3.1 试验台介绍

4.3.2 试验方案

4.3.3 实验结果分析

4.4 本章小结

第五章 艉轴机械密封的性能试验

5.1 试验台介绍

5.2 试验方案

5.3 试验结果分析

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 主要工作和结论

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文