船舶艉轴密封变形控制技术与试验研究

发布时间：2017-07-18 08:18

  本文关键词：船舶艉轴密封变形控制技术与试验研究

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【摘要】：船舶艉轴机械密封装置是船舶艉轴推进系统的关键组成部分,被广泛应用在螺旋桨开放式水润滑密封系统中。艉轴密封主要用来防止海水从艉轴处流入船舱之内,其稳定运行是船舶正常推进乃至船员人身安全的重要保障。导致艉轴密封过早失效的原因有很多,其中端面温度过高、接触端面变形是导致密封提前失效的两大主要原因,也是解决艉轴密封过早失效的关键问题。本文主要针对这两个问题进行研究,主要工作与结论如下:1、基于ANSYS有限元分析软件,对橡胶与硬质合金材料配对的内漏式艉轴密封进行了力变形、热变形以及耦合变形的计算与分析。研究得出:耦合变形不是力变形与热变形的简单叠加;对于橡胶等弹性模量较小的材料与硬质合金配对的艉轴密封而言,力变形为主要的变形形式。2、考虑初始介质压力产生的密封接触端面变形,对密封环温度分布进行了计算与分析。结果表明:初始介质压力使得两密封环接触端面间产生非接触的锥形间隙,减小了两密封环的实际接触宽度,增大了端面接触压力;考虑锥形间隙区域介质对密封环端面的散热作用,最高温度产生在靠近端面变形后实际接触的内径位置。3、对船舶艉轴密封在不同结构、介质压力下的接触端面变形进行了计算分析。得出在结构与介质压力综合影响下艉轴密封达到最佳密封性能的工况条件;提出橡胶与硬质合金配对艉轴密封适合小吨位任意转速的船舶使用。4、改善了材料配对并优化了密封环整体结构,并对新型密封端面变形进行了有限元分析。分析表明:对于碳石墨与硬质合金材料配对的艉轴密封,热变形是主要变形形式。采用力变形与热变形相结合的方式对密封环接触端面变形进行了协调分析;得到了弹簧压力与介质压力关系方程,介质压力变化时根据方程调整弹簧压力来控制密封端面变形;提出碳石墨与硬质合金配对密封适合低转速的船舶使用。5、研制了基于普通车床的船舶艉轴密封性能试验装置,并对端面温度、接触端面磨损进行了测试,通过接触端面磨损量大小的径向分布情况间接的分析出端面变形的情况。测试得到的数据与理论计算的结果基本一致,验证了理论分析的正确性。
【关键词】：船舶艉轴密封 热力耦合 温度分布 变形控制 有限元分析
【学位授予单位】：青岛理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U664.21
【目录】：

• 摘要9-11
• Abstract11-13
• 第1章 绪论13-19
• 1.1 课题研究的选题背景及意义13-14
• 1.2 国内外研究现状14-17
• 1.2.1 端面变形及控制研究14-16
• 1.2.2 端面温度场研究16-17
• 1.2.3 机械密封试验研究17
• 1.3 论文研究的目的17-18
• 1.4 本论文研究的主要内容和方法18-19
• 第2章 艉轴密封在力场、热场及耦合场的变形研究19-43
• 2.1 有限元法和有限元分析软件ANSYS简介19-21
• 2.1.1 有限元法19-20
• 2.1.2 有限元分析软件ANSYS20-21
• 2.2 有限元模型的建立21-23
• 2.2.1 艉轴密封结构21-22
• 2.2.2 密封计算几何模型22-23
• 2.2.3 计算模型的工况及物性参数23
• 2.3 静力学计算及变形分析23-29
• 2.3.1 艉轴密封弹性力学理论23-25
• 2.3.2 液膜力的计算25-27
• 2.3.3 建模及边界条件的施加27-29
• 2.3.4 静力变形计算结果分析29
• 2.4 艉轴密封温度场有限元计算29-35
• 2.4.1 基本假设29
• 2.4.2 稳态温度场微分方程29-31
• 2.4.3 温度场计算模型31
• 2.4.4 边界条件的计算31-34
• 2.4.5 温度场计算及结果分析34-35
• 2.5 热应力计算及变形分析35-39
• 2.5.1 热分析数学理论35-38
• 2.5.2 计算结果分析38-39
• 2.6 热-力耦合应力及变形分析39-41
• 2.6.1 热-力耦合分析数学理论39-40
• 2.6.2 计算结果分析40-41
• 2.7 本章小结41-43
• 第3章 艉轴密封变形影响因素及控制技术研究43-53
• 3.1 静环结构对密封端面变形的影响43-44
• 3.2 介质压力对密封端面变形的影响44-45
• 3.3 静环材料对密封端面变形的影响45-48
• 3.4 不同密封材料的船舶艉轴密封端面变形控制48-52
• 3.4.1 橡胶密封端面变形控制48-49
• 3.4.2 碳石墨密封端面变形控制49-52
• 3.5 本章小结52-53
• 第4章 艉轴密封变形试验研究及分析53-66
• 4.1 试验装置的设计53-57
• 4.2 艉轴密封性能的试验研究57-61
• 4.2.1 试验方案步骤58-59
• 4.2.2 试验静、动环接触端面性能测量59-61
• 4.3 试验结果与分析61-65
• 4.3.1 静环端面温度分析61-62
• 4.3.2 静环端面磨损分析62-63
• 4.3.3 泄漏量分析63-65
• 4.4 本章小结65-66
• 第5章 结论与展望66-68
• 5.1 主要工作与结论66-67
• 5.2 展望67-68
• 参考文献68-72
• 攻读硕士学位期间的研究成果及发表论文72-73
• 致谢73

【参考文献】

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本文编号：556785