水深变化对船用机械密封端面变形的影响

2008年4月第33卷第4期
润滑与密封
LUBR I CATI O N ENGI N EER I N G
Ap r 12008
Vol 133No 14
3基金项目:国家自然科学基金项目(50675162);校博士科研基金资助项目1
收稿日期:2007-11-26
作者简介:朱汉华(1968—),男,副教授,主要从事润滑理论和船舶传动轴动力性与安全性研究1E 2mail:hh 1zhu@1631com 1
水深变化对船用机械密封端面变形的影响
3
朱汉华　刘正林　严新平　范世东
(武汉理工大学能源与动力工程学院　湖北武汉430063)
摘要:机械端面密封常用于深吃水的水面船舶和深潜水的潜艇的艉密封。

研究了水深变化对船用机械端面密封端面变形的影响,结果表明:水深变化将引起密封结合面之间接触力和摩擦热的变化,改变了动静环密封面之间的接触变形和接触应力;密封环接触面上的接触变形和接触应力均随着水深增加而增加,但密封环外周的应力与应变比内周的应力与应变增加快,即动静密封环在水深增加的情况下,由内周紧密接触变为外周紧密接触,偏磨会由内圈转移到外圈。

关键词:机械密封;端面变形;泄漏;摩擦热
中图分类号:T H136　文献标识码:A 文章编号:0254-0150(2008)4-027-3
I nfluence of the Vari a ti on of D i v i n g 2depth
on the Defor ma ti on of M ari n e M echan i ca l Face Sea ls
Zhu Ha nhua L i u Zhe ng li n Ya n Xi np ing Fa n S h i do ng
(School of Energy &Power Engineering,W uhan University of Technol ogy,W uhan Hubei 430063,China )
Abstract:Mechanical face seal is used frequently as the stern sealing equipment of deep 2diving shi p or submarine .The
influence of the variati on of diving 2dep th on the defor mation of the mechanical seal faces was researched .The research re 2sult sho ws that the variation of shi p diving 2dep th leads t o the change of contact stress and fricti on ther mal fl ow,s o the con 2tact defor mati on and stress distribution bet w een the stator and static seal faces are changed .W hen the ship diving 2dep th becomes big,the contact defor mation and stress bet ween the contacting seal faces are increased,however,the stress and strain at the outer circle of seal face increases more quickly than that of inner circle,that is,when the diving 2dep th increa 2ses,the contact situation is changed,first the inner circle contacts more cl oser,then the outer circle contacts more cl oser,so wear bet ween seal faces transfers from the inner circle to the outer circle due t o contact stress .
Keywords:mechanical seal;defor mati on of seal face;leakness;friction heat
　机械端面密封依靠密封面接触副的动环面与静环面之间良好接触而起到密封作用,该种密封常在深吃水的水面船舶和深潜水的潜艇等舰船的推进轴系上用作艉密封装置,防止外部的水由船体外向船舶机舱内泄漏。

由于船舶艉密封装置的泄漏直接影响到船舶航行安全,所以防止泄漏和保证密封装置工作可靠性是密封装置研究的关键技术问题。

在船用机械密封装置中,动密封环和静密封环是一对作相对旋转运动的摩擦接触副,动密封环嵌入在动环座内上并与船舶推进轴一起旋转,静环安装在固定于船体上的静环座体内,静环在蜜蜂弹簧压力和水介质压力的共同作用下将其密封面与动环密封面紧紧贴合在一起,依靠动静环结合面之间良好接触和密封弹簧压力的灵敏调节来
保证密封装置的密封性。

许多关于机械密封的研究成
果表明,导致密封装置泄漏的原因主要有密封面的磨损、接触变形和密封环安装误差等3个方面。

显然,密封接触摩擦副由于接触力分布不均匀和相对回转运
动,密封环面发生单边偏磨和穴蚀[1]
而泄漏,所以提高材料的耐磨性是解决密封装置泄漏的较好办法,文献[2]从密封材料耐磨性方面进行了试验研究,选择了抗磨性能良好的摩擦副材料。

机械密封是通过外部的压力作用使动静密封环的密封面结合在一起而起到密封作用的,而作用在密封面上的接触力和摩擦热会引起密封面的变形和接触状况的改变,导致泄漏,所以对机械力和摩擦热耦合变形一直是密封研究的重点[3-4]。

密封环安装后的相对位置会影响密封面之间的接触状况,文献[5]分析了安装不当引起的泄漏问题。

这些文献中所作的研究工作均是在机械密封面之间密封接触力不受水深变化影响的情况下进行的,接触面之间的载荷不变化,但是对于船舶来讲,由于船舶的吃水和潜艇的潜深是经常变化的,水深的变化会改变动静密封环面之间的接触力,从而影响密封面
的变形和接触状况,本文作者主要进行该方面的研究。

1　密封端面载荷分析
船用机械密封装置的结构示意简图如图1所示,该种密封装置是在水下工作环境中作回转运动的动态面接触的密封装置,密封环面之间的密封接触力除了密封弹簧压力之外,还包括密封装置所在水深处的水压力所提供的密封接触力,当船舶的吃水深度或者潜艇的潜水深度发生改变时,密封端面接触力就会发生改变,其密封面之间的摩擦力和摩擦热也随之一起改变。

图1　船用机械密封结构示意简图Fig 1　Sketch of marine mechanical seals
111　接触力分析
设船舶推进轴轴心线中心位于水下深度为h ,则
图1中静密封环右端面上各点处受到的静水压力为
p w =(h -r sin θ)ρg
(1)式中:p w 为密封面上某点处的水压;ρ为水的密度;r 为密封环面上的各点到传播推进轴线中心的距离,其大小介于密封环端面的内径r i 和外径r o 之间;θ为密封面上各点相对于轴线中心水平方向的方位角;g 为重力加速度。

由于密封环是环对称结构,水对密封面的总作用力中心在水平方向上相对于密封环中心(或者说轴线中心)是没有偏移的,而在水深方向上相对于密封环中心(或者说轴线中心)会有一个位于密封环中心之下的偏心e
e=
1
ρgh π(r 2
o
-r 2
i
)∫
2
π0
∫r o
r i
r 2
(h -r sin θ)ρg sin θd r d
θ=14h
(r 2o +r 2
i )(2)
由式(2)可知,在图1中水作用在船舶艉密封静密封环右端面的作用力中心位置随着船舶吃水深度或者潜艇的潜水深度而改变,说明密封装置所在位置的水深变化直接影响水作用力中心的位置变化。

而密封弹簧作用力是均匀分布在静密封环周围,弹簧力的作用中心与密封环中心一致,不随水深变化中而变化。

所以,在综合考虑密封面密封接触力中的密封弹
簧力和水压力时,由于弹簧力和水压力中心不一致,导致在密封接触面上产生的接触力分布就不均匀,密
封面之间的接触力p g (r ,θ
)随位置而变化,但对于静密封环,接触力分布满足下列力的平衡条件
∫2
π0
∫r o
r i
p g
(r ,θ)r d r d θ+∫2
π0
∫r o
r i
p l
(r ,θ)d r d θ=∫2
π0
∫
r o
r i
p w r d r d
θ+A sp p s p
(3)
式中:p g (r ,θ
)为密封环接触面之间接触力;p l (r ,θ)为在考虑密封面之间存在润滑情况下的润滑液膜压力,当忽略润滑作用时,此力为0;p w 为水作用在密封面上某点水压力;A sp 为弹簧力作用面积;p sp 为弹簧作用力。

112　摩擦热及边界散热分析
引起船舶机械密封端面变形的载荷是作用在其上的机械力和摩擦热,密封弹簧力和水压力等机械作用力引起机械变形,动静密封环之间接触摩擦产生的摩擦热量引起热变形,其中摩擦热所产生变形是造成密封泄漏的重要原因。

在密封装置工作时,密封接触面之间接触状态有完全干接触、接触与润滑共存、完全润滑等3种可能的状态。

在直接接触状况下,摩擦热是密封环摩擦产生的;在润滑状态下,摩擦热是密封环面之间的润滑液膜内摩擦产生的;在混合状态下,热量是上述2种形式热量之和。

当动静密封环的密封面处于干接触情况时,密封接触面上摩擦热的热流密度与接触力相关,随密封水
深而变化,热流密度计算公式如下[6]
:
q (r ,θ)=fp g (r ,θ)r
ω(4)式中:q (r ,θ
)为接触面上接触点(r ,θ)处的热流密度;f 为密封环摩擦副材料对的干摩擦因数;r 、θ分
别为密封端面接触点相对于推进轴中心(或者密封环中心)的向径和相角;ω为船舶推进轴(或者动环)的旋转角速度。

当动静密封环的接触面之间存在液膜润滑时,密封面之间的热量为润滑液体内摩擦热,它与密封面之间的润滑剪切率相关,而不收水深影响。

摩擦热计算
公式如下[7]
:
q (r ,θ
)=ηr 2ω2
δ(r ,θ)
(5)式中:η为机械密封面之间液体介质的粘度;δ(r ,θ
)为密封面上点(r ,θ
)处的液膜厚度;其它符号意义同式(4)。

密封环的热变形除了与摩擦热密度相关外,还与密封环周边的散热条件相关。

在图1中,密封环的外径处由于在动密封环的搅动下水的流速较大,密封环与水直接的换热形式为对流换热,而在密封环的内径
82润滑与密封第33卷
处水的搅动作用很小,密封环与水之间为若传导换热。

因此,在密封环的外径处,密封环外周的对流换热系数计算公式为
a =01135
λ[(12
Re 2c +Re 2a )pr]0133
/(2r o )(6)
式中:a 为密封环外周的对流换热系数;λ为流体介质的导热系数;r o 为密封环的外径;pr 为流体介质的
普朗克常数;Re c =ωr 2
o /(4
ν),是流体介质的周向雷诺数,其中ω为密封环转动的角速度,ν为流体介质
的运动粘度;Re a =ur 0/(2
ν),为流体介质的轴向雷诺数,其中u 为流体的轴向流速。

2　密封端面变形计算分析
以某船用机械密封装置为例,分析在水深改变的情况下密封环接触面的变形和接触英力。

密封环的几何参数、物性参数及其它相关的基本工况参数分别为:静密封环面内半径r i =72mm ,外半径r o =77mm ;静环材料为碳炭精石墨,其热导率为9197W /(m ・K );动环材料为不锈钢,其热导率为16W /(m ・K ),环
座体材料为45#
钢;密封介质为水,水温为14℃,动
力粘度为η=01001Pa ・s ,运动粘度为ν=1×10-6
m 2
/s ;液体的轴向流速为u =0115m /s ,船舶推进轴的回转速度为ω=180r/m in ;密封弹簧比压0120MPa ;碳炭石墨与不锈钢之间的摩擦因数为f =0107。

密封装置的水深变化范围为2～100m 。

以静密封环为分析对象,分别取密封环接触面外缘一点r =76mm ,和内缘一点r =73mm ,通过计算得到如图2所示的端面变形2水深关系曲线和图3所示的接触应力2
水深关系曲线。

从图2可知,随着船舶密封装置所在处的水深增加,静密封环端面的内、外边缘所取的计算点处的变形量都随着增加,这是由于随着船舶吃水或者潜艇潜水深度的增加时,水作用在密封环上的力增加,从而增加了密封面之间的接触力以及由接触摩擦产生的摩
擦热,使得密封环的接触应变量增大。

但是,在水深增加的情况下,从图2同时可知静密封环的内、外周的变形增加量不一样,内边缘所取的计算点处变形量增加慢,而外边缘所取的计算点处变形量增加快,这是由于水深增加时,静密封环上所受到的水作用力增加的同时水作用力的作用中心也同时发生变化,改变了密封接触力和摩擦热的分布,即由于水作用力中心的改变,导致静密封环的内周接触力比外周接触力增加的慢,而不是保持同比例增加。

从图3可知,在密封装置所在处水深增加的时,水作用在密封面上的作用力增加,从而使密封环的接触应力在所取的内、外边缘的计算点处增加,但是,应力增加量不一致,随着水深的增加,密封环接触应力外边缘计算点的接触应力比内边缘计算点的接触应力增加。

同时从计算计算结果可知,在浅水深处密封环内边缘应力大于外边缘的应力,而在深水处,外边缘的接触应力大于内边缘的接触应力,即随着水深的变化,密封环的接触状态会发生改变,由外周紧密接触变成外周紧密接触,从而偏磨会由内圈转移到外圈。

3　结论
(1)当水面船舶的吃水或者潜艇的潜水深度发生改变时,由于水介质作用在密封环上的作用力中心的改变,改变了密封面上力和摩擦热的分布,从而改变了船用机械动静环密封面之间的接触变形和接触应力。

(2)随着水深的增加,船用机械密封环的接触面上的接触变形和接触应力均随着增加,但密封环的内周应力与应变与外周应力与应变增加不一致,外周的应力与应变比内周的应力与应变增加快,即动静密封环在水深增加的情况下,由内周紧密接触变为外周紧密接触,偏磨会由内圈转移到外圈。

参考文献
【1】Har p Susan R,Salant R ichard F .
Inter 2as perity cavitati on and
global cavitation in seals:an average flow analysis [J ].Tri 2
bology Internati onal,2002,35:113-121.
【2】姚世卫,王娟,王隽.深水艉轴密封装置摩擦副试验研究
[J ].润滑与密封,2006(10):154-156.
Yao Shi wei,W ang Juan,W ang Jun .Research of Friction Ma 2terials Matching Exam ination of Great -diving Stern Shaft Seal 2ing [J ].Lubricati on Engineering,2006(10):154-156.
【3】朱学明.机械密封性能的数值分析及优化研究[D ].武
汉:武汉理工大学,2005:20-28;37-68.
【4】洪先志.机械密封端面力变形的研究[D ].成都:四川大
学,2002:25-48.
【5】来永斌,陈秀.机械密封失效的原因分析及装配[J ].润
滑与密封,2005(2):163-164.
(下转第36页)
9
22008年第4期朱汉华等:水深变化对船用机械密封端面变形的影响
5　结论
(1)BN2C2硅油胶体具有良好的润滑性。

无论在常温还是高温下,该胶体的摩擦因数显著低于BN2硅油胶体和纯硅油的摩擦因数。

(2)BN2C2硅油胶体浸渍到金属陶瓷烧结体的孔隙中可以使其成为摩擦因数很低的自润滑烧结体。

(3)BN2C2硅油胶体的润滑性能受摩擦副粗糙度的影响,粗糙度值越小,胶体的摩擦因数越小。

参考文献
【1】陈爽.油酸修饰纳米粒子的摩擦学性能比较[J].润滑与密封,2007,32(2):108-110.
Chen parison of the Tribological Properties of O leic Acid Capped I norganic Nanoparticles[J].Lubrication Engineering,2007,32(2):108-110.
【2】胡泽善,王立光,黄令,等.纳米硼酸铜颗粒的制备及其用作润滑油添加剂的摩擦学性能[J].摩擦学学报,2000,
20(4):292-295.
Hu Zeshan,Wang Liguang,Huang Ling,et al.Preparation and Tribological Properties of Nanometer Copper Borate as Lu2 bricating O il Additive[J].Tribology,2000,20(4):292-
295.
【3】A Kotnarowski.Modificati on of oils with use of metal m icr o2 and nano2powders[J].International Journal of App lied Me2 chanics and Engineering,2004,9:269-274.
【4】史佩京,刘谦,于鹤龙,等.纳米铜微粒作为润滑油添加剂的分散方法及其摩擦学性能研究[J].石油炼制与化工,2005,36(3):33-38.
Shi Peijing,L iu Q ian,Yu Hel ong,et al.Study on the D is2 persi on Method of Copper Nanoparticles as Lube O il Additive and their Tribilogical Pr operties[J].Petr oleum Processing and Petr ochem icals,2005,36(3):33-38.
【5】W u Y Y,TsuiW C,L iu T C.Experi mental analysis of tribo2 l ogical p roperties of lubricating oils with nanoparticle additives [J].W ear,2007,262(7/8):819-825.
【6】L Rapoport,V Leshchinsky,M Lvovsky,et al.Friction and
wear of powdered composites i m p regnated with W S
2inorganic
fullerent2like nanoparticles[J].W ear,2002,252:581-
527.
【7】黄文润.硅油及二次加工品[M].北京:化学工业出版
社,2004.
【8】中国机械工程学会摩擦学学会《润滑工程》编写组.润
滑工程[M].北京:机械工业出版社,1986.
【9】郭红,刘佐民,南旭东.BN2硅油复合胶体润滑特性的研
究[J].润滑与密封,2007,32(5):34-36.
Guo Hong,L iu Zuom in,Nan Xudong.Study on the Lubrica2
ting Characteristics of BN2silicone O il Coll oid[J].Lubrica2
tion Engineering,2007,32(5):34-36.
【10】王砚军,刘佐民.汗腺式微孔结构金属陶瓷烧结体的制备
及其性能[J].机械工程学报,2006,42(2):27-32.
Wang Yanjun,Liu Zuom in.Pr operties and Manufacture of
Ceram ic Sinter with S weat2gland Pore2structure[J].Chinese
Journal of Mechanical Engineering,2006,42(2):27-32.
【11】张赐成,刘佐民,卢平.新型偏心式行星球磨机动力学
研究[J].机械设计与制造,2006(9):13-15.
Zhang Cicheng,L iu Zuom in,Lu p ing.The study of grinding
dynam ic of a new eccentricity p lanet muller[J].Machinery
Design&Manufacture,2006(9):13-15.
【12】白锁柱,姚斌,郑大方,等.新型BCN化合物的结构表
征和相转变[J].物理学报,2006,55(11):5740-
5744.
Bai SuoZhu,Yao B in,Zheng Dafang,et al.Structural
characterizati on and phase transition of an unknown phase of
boron carbon nitride compound[J].Chin Phys Soc,2006,
55(11):5740-5744.
【13】何巨龙,田永君,于栋利,等.高压合成B2C2N化合物
的结构表征[J].硅酸盐学报,2002,30(1):51-56.
He Julong,Tian Y ongjun,Yu Dongli,et al.Structure char2
acterization of high2pressure2synthesized B2C2N compounds
[J].Journal of the Chinese Ceram ic Society,2002,30
(1):51-56.
【14】T A St olarski.Evaluation of the Heat of Ads or p tion of a
Boundary Lubricant[J].AS LE Transactions,1987,30
(4):472-478.
(上接第29页)
Lai Yongbin,Chen Xiu.Mechanical Seal Failure Analysis and A ssembly[J].Lubrication Engineering,2005(2):
163-164.
【6】程建辉,葛培琪,刘鸣.机械密封环温度场的有限元分析与试验研究[J].山东大学学报:工学版,2002(4):
385-388.
Cheng J ianhui,Ge Peiqi,L iu M ing.Finite Element Analysis
and Experi ment Research on Temperature Field of Mechanical Seal R ings[J].Journal of Shandong University:Engineering Editi on,2002(4):385-388.
【7】周剑锋,顾伯勤.机械密封环的传热特性分析[J].机械工程学报,2006,42(9):201-205.
Zhou J ianfeng,Gu Boqin.Heart-transfer Character Analysis of R ings ofMachanical Seal[J].Chinese Journal ofMechani2 cal Engineering,2006,42(9):201-205.
63润滑与密封第33卷。