对船舶艉轴机械密封环温度场与变形的理论分析

张良平 李淑敏 丁小玲

摘 要：在船舶密封工业当中，船舶艉轴密封工作对于船舶安全影响较为显著，但是在实际生产中，机械密封摩擦却会造成磨损并产生热量。本文在对船舶密封工艺进行研究和分析后，提出了关于船舶艉轴在密封环温度场分析方面的假设，依据假设的定义内容，选定了有限元分析方法。最后利用耦合模型分析对密封环在密封端面的发热情况做出分析论证，讨论温度场和变形情况。

关键词：船舶密封工艺；艉轴密封；有限元分析；密封环

现代船舶的密封技艺发展相对迅猛，在艉轴密封方面，主要采用高压、高速、大轴径的密封策略。随着这种密封工艺技术在实际应用中具有一定意义，但是由于工况条件，其摩擦副间极容易受到密封工艺影响造成摩擦力不断增大，其内部端面则会由于温度分布布局从而产生内部热应力，造成变形。针对这一规律进行有限元分析，并对其作出判断，有助于艉轴密封的工艺提升。

一、艉轴密封环温度场假设

随着密封工艺的发展，艉轴密封工艺在实际的密封应用当中极具复杂性，为了保证有限元模型分析能够对密封环温度场作出精确判断，从而完成模型建设，使有限元模型能够获得可求解性。[1]本文结合艉轴密封的工艺特色，提出了以下几方面艉轴密封的假设。

假设一：模型设定当中，为轴机械密封环的模型形态需要具有轴对称的点，轴对称下的密封环，其中尺寸、形状、载荷等具体外形。数据都具有轴对称特征

假设二：艉轴密封环应当是理想状态下的弹性体，表明该环具有均匀连续、同向性等材料特点。

假设三：密封环所选择的材料及其所具有的密封介质具有极高稳定性，该材料不会随时间推移、环境温度变化而发生改变的，表明机械密封环材料本身温度场保持恒定。

假设四：位于密封端面位置的流体换热边界当中，介质温度不会对密封工艺差生影响，因而可以完成换热边界的简化，成为对流换热边界。

假设五：模型分析不考虑因热辐射所造成的热量损失数据。

二、有限元几何模型构建与分析

（一）有限元模型设定

为了能够精确探究密封环温度场中艉轴变形情况，本文利用数学模型方式，对常用船舶中某型号艉轴密封装置进行了建模，在模型当中，主体表现的内容为静环和动环两个部分，其中模型表达的静环为常规密封装置当中的补偿力提供部分装置，在实际的密封装置当中，该部分的材料通常为丁晴橡胶材料；而动环装置处于模型中的摩擦部分，其主要的功能在与提升整体装置的耐腐蚀性能和耐磨性能，因此在材料方面，遵循了传统应用材料WCNI材料，完成模型搭建。[2]

在完成了数学表达模型建构之后，本文选用了著名的有限元处理软件ANSYS对模型进行网格划分，从而对密封装置的动环和静环作出有限元的分析判断。

（二）边界材料有限元分析

目前应用于艉轴密封工艺中的密封环装置，通常采用的材料主要由橡胶、45#钢材以及WCNI材料三种，三种材料在密度、弹性模量、比热容以及导热系数等方面存在较大差异，以导热系数为例，常规橡胶材料的导热系数仅为0.25WK，而45#钢材则可以超过65W，WCNI材料则接近100W。相反，在比热容方面，常规橡胶材料能够达到1700J，而45#钢与WCNI两种材料则相对较低，分别为460J和480J。本文所进行的模型分析材料对象为某型号密封环装置，其静环采用了丁晴橡胶材料，动环则选用WCNI材料，这两种材料作为密封环温度场中直接进行摩擦的材料，需要借助有限元模型进行温度变化规律的分析。

密封环所接触到的动环与静环的摩擦为混合状态下的机械摩擦，所产生的摩擦热量Q如下公式所进行表述的。

公式1：Q=f·Fc·V

式中，f为摩擦系数常数，取值为0.36，Fc为模型中密封端面所受到的压力，V则为动环转动所形成的线速度。

通过分析计算能够获取到模型分析状态下密封环受到摩擦所产生热量的分布情况。在以往的模型研究中，研究者向借助摩擦热比例分配或者二维导热稳态共识等对密封摩擦的具体分布情况作出推断，但是首先与模型材料和实用性，往往难以奏效，本文在进行分析研究中，所采用的是摩擦热分配方法，在模型分析中能够通过端面控制完成热量的优先传递，从而获取密封环中温度场的基本状态。

模型分析结果显示，模型当中密封环在不同的边界下所表现出的对流换热系数数值差异巨大，数据统计结果中，最高对流换热系数已经接近1.1万，而最小的对流换热系数约为392，表明密封环当中的温度场因摩擦所产生的温度变化极为不均衡。

三、耦合模型下的机械密封环变形情况

受到温度场内部的各个便捷在对流换热系数上极高的差异值影响，动环与静环材料会由于受热不均而发生一定程度的变形。为了能够探究其变形情况，需要将已经完成计算的对流换热系数部分带入到耦合模型当中，对变形规律作出判断。在模型当中，为了作出准确判断，笔者以有限元网格划分为基础，对下端面和上端面进行了节点划分。通过控制主轴速度和接触端面温度对其位移量进行统计，结果显示，静环下端面受温差所产生的变形量下端面明显高于上端面，进过分析可以了解，静环上端面与动环直接接触，而下端面则与动环存在一定空间，空间内部构造形态为锥形，受热后会造成热流密度逐渐提升，造成变形量增大。

四、结论

综上所述，通过利用有限元分析和耦合模型分析，能够对一定条件下的机械密封环运行状态作出模拟，并判断其对流换热系数，从而获得密封环内部的温度场温度分布情况。动环和静环的相对位置，受到温度变化影响，从而影响变形量数据，数据信息可以挺过耦合模型分析获取。

参考文献：

[1]何继锋.船舶艉轴腐蚀原因及船机管理方面应注意的问题[J].中国修船，2018，31（01）：28-30.

[2]董良雄，楊意，高军凯，等.基于船舶艉轴——油膜——艉部结构系统的碰撞载荷响应研究[J].中国舰船研究，2017，12（01）：122-127.

作者简介：张良平（1984-），男，汉族，江苏如皋人，大专，助理工程师，研究方向：机械设计与制造。