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0引言

對于船舶軸系來講，尾軸機械密封屬于重要組成體系之一，優化該體系設計，避免海水侵蝕入艙，必須合理規劃船舶尾軸機械密封面形狀，提高其密封性能，加強船舶主軸、深潛器和水下航行器的安全性。當前船舶尾軸大多采用的是平面機械密封方式，這種密封方式雖然能夠起到一定的作用，卻存在多方面的問題。如果船舶尾軸已彎曲，軸系未校中以及尾軸因長時期受壓而被磨損，就很容易弱化船舶的密封性能。本文將簡單分析船舶尾軸機械密封面形狀的基本問題，論述球面與平面密封的重要參數，并淺談球面和平面密封的有限元建模方式。

1.船舶尾軸機械密封面形狀的基本問題

從整體上來講，船舶尾軸機械密封面形狀的基本問題是摩擦學的問題，所謂的“摩擦學”（tribology）是研究滑動面間相互作用的學科，包括摩擦力、磨損和潤滑三方面。許多摩擦證明是有益的，使現代生活成為可能，但是，其他許多摩擦會引起嚴重的影響，而需要仔細研究如何去克服這些由過度摩擦或者磨損而導致的不便，摩擦消耗或者浪費大量人類產生的能量，并且需要足夠的生產力取代因磨損而變得無用的物體。當前船舶尾軸主要采用的是平面接觸式機械密封法，在工作過程中大多處于邊界摩擦和混合摩擦的狀態。緩解摩擦對船舶尾軸及其密封性能的負面影響，則需要使用球面密封來逐漸替代平面密封方式，以此增強船舶尾軸的自動調心功能和密封性能。

2.球面與平面密封的重要參數

球面與平面密封的基本裝置均為動環座、動環、靜環座、靜環和彈簧組件。這兩種密封方式的主要區別是動環和靜環的密封面形狀不同。同樣裝置的球面球心是185mm，密封端面內徑是202mm，密封端面外徑是218mm，平衡直徑是208mm，球形密封面半徑是400mm，動環和靜環球形密封面的內邊界與軸心線夾角是14.63度，動環和靜環球形密封面的外邊界與軸心線夾角是15.82度。平面密封動環的球面球心是185mm，密封端面內徑是202mm，密封端面外徑是218mm，平衡直徑是208mm。由此可見，球面與平面密封的重要參數基本一致。此外，球面與平面密封的靜環材料皆為非金屬材料，將其固定在靜環座上，就會阻止靜環座旋轉，保持其軸向運動。動環材料多為青銅原料，通常是將青銅材料鑲嵌在動環座上，這樣，動環座就能直接經過鍵槽和卡環將其固定在尾軸上。而且，靜環與動環的密封面會在彈簧力和被密封介質（即海水）壓力的共同作用下密切貼合，以此防止海水浸入船艙之內。另一方面，船舶尾軸機械密封的性能參數比較多，主要參數項目包括密封準數、泄漏量、接觸面積和單位面積摩擦功。一般情況下，密封準數是黏性力和水膜負荷的比值，用以表示水膜形成難易程度的量綱特性值。目前，用ＧＳ、ＧＰ來表示球面和平面密封的密封準數，參數公式如下：ＧＳ＝ηｖＬＳ/Ｆ，ＧＰ＝ηｖＬＰ/Ｆ。其中，η用以表示密封流體動力的黏度系數，ｖ是指密封面的平均線速度，Ｌ是指水膜形成難易程度的量綱特性值，Ｆ則是指密封面上的總負荷。從正比的視角來看，密封準數的數值越大，就越容易形成水膜，水膜的厚度也隨之遞增。泄漏量主要是指在單位時間里從密封面泄漏的被密封介質的體積，以此衡量機械密封的效果。接觸面積是指球面與平面密封的接觸面積。單位面積摩擦功通常用ｐｖ來表示，ｐ是指密封面的比載荷，ｖ用以表示密封面的平均線速度，因此，常用ｐｖ表示單位面積摩擦功。提高船舶尾軸機械密封性能，確保該性能的長期性，則需要將允許值控制在密封幅摩擦特性的參數以上。

3.球面和平面密封的有限元建模方式

當機械密封處于靜止狀態時，密封面多處于緊密貼合狀態，密封面上的作用具備水膜反力效應，如果水膜反力無法滿足抵消閉合力的要求，密封面就會出現船舶尾軸機械接觸現象。如果平衡型尾軸機械密封處于混合摩擦狀態下，就會收到軸向受力的作用，此時的閉合力與外部海水以及彈簧作用上的軸向合力相等。新時代的機械密封模型大多為軸對稱模式，海水和彈簧壓力呈面力，其中，密封面之間的水膜反力會被假定成線性分布模型，先運用對流換熱邊界工藝來處理海水對密封環的冷卻作用，然后，用熱流密度邊界法來處理密封面之間的摩擦熱。為了維持靜環與動環的密封面溫度一致性，則需要采用耦合法和整體接觸來進行建模。因為靜環座與靜環以及動環座與動環的配合部位及其邊界條件尚難以明確，所以，需要對靜環座與靜環以及動環座與動環進行分層化黏結，實施一體化建模，以此明確邊界條件，并將其轉化成內部邊界。與此同時，需要采用接觸向導法來進行有限元建模。從微觀視角來看，有限元建模分為以下五個步驟如下：①借助ＡＮＳＹＳ軟件組建完善的耦合單元，著重優化其內結構，使用ＰＬＡＮＥ１３定義單元菜單的自由度選項，明確ｘ和ｙ的方向，控制好溫度，使單元特性選項保持為軸對稱。②定義靜環座與靜環以及動環座與動環和彈簧的彈性、泊松比、模量、熱導系數和熱膨脹系數等屬性。③將靜環座與靜環以及動環座與動環科學劃分成３０６９個網格和３１９１個節點。將單元尺寸控制在０．５ｍｍ左右，其他部分不得超出1ｍｍ。④運用接觸向導法對靜環端面實施定義接觸單元，將目標單元定義于動環端面之上。在挑選摩擦因數時需要正確選擇鍵入摩擦因數值。此外，要充分保障靜環與動環在密封面對應節點的溫度一致性。然后，在剛度矩陣選項中正確布設選擇非對稱。⑤添加最合適的外界條件，控制好壓力載荷。因為動環安裝通常在軸上而且會和靜環接觸，所以，要控制好平衡位置所承載的海水壓力和密封面的接觸壓力，并根據實際情況，調節好彈簧壓力，將密封面的浸水部位設置為外側，非浸水部位則為內側。此外，要將密封面的內側壓力和船艙內的空氣壓力保持一致，使外側壓力和海水壓力趨于相等指數。

4.結束語

綜上所述，解決船舶尾軸機械密封面形狀的基本問題，提升船舶尾軸機械密封性能，必須正確分析球面與平面密封的重要參數，優化球面和平面密封的有限元建模方式。