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摘要：作为重要组成体系，尾轴机械密封性能会对船舶使用形成直接影响，是保证船舶不受海水侵蚀的重要体系。因此，船舶领域加大了对尾轴机械密封性能的研究，期望通过合理手段达到切实提升机械密封性能的目标。本文将以船舶尾轴机械密封重要性分析为切入点，通过对尾轴机械密封原理的介绍，对尾轴机械密封面形状对密封性能的影响展开全面探究，期望能够为船舶尾轴机械密封相关研究提供一些理论方面支持。
关键词：密封面形状；尾轴机械；船舶；密封性能；摩擦学
目前多数船舶尾轴机械密封方式多以平面密封为主，此种密封模式虽然具有一定优势，但却存在着尾轴易受压、磨损以及轴系未校中等方面的问题，会使船舶密封性能受到破坏。为妥善解决这一问题，船舶行业开始加大了对尾轴机械密封性能的研究力度，期望通过对该体系密封面形状的合理设计与规划，达到切实强化船舶密封性能，增强船舶运行安全性的目的。
1.船舶尾轴机械密封重要性
尾轴机械密封是船舶轴系主要组成内容之一，可防止海水进入到船舶内部，是保证船舶正常运行的关键设备，其密封性能会对船舶使用，特别是深潜器、航行器运行形成直接影响。目前较为常见的机械密封方式，主要以平面密封模式为主，此种密封很容易会出现动、静环密封平面不同轴以及密封开口等方面的问题，会使船舶运行受到直接威胁。为对平面机械密封问题展开科学处理，领域学者开始了对机械密封面形状展开研究与调整，开始尝试运用球面代替平面。与平面密封相比，球面密封具有自动调心等方面的功能，可有效改善密封面接触情况，增强静环追随性能，可在轴系不对中、轴承磨损等环境中继续性发挥作用。
2.尾轴密封工作原理
通过对密封元件防泄漏方式的分析可以发现，尾轴密封装置主要分为非接触式以及接触式两种。其中非接触式密封的元件静、动态部分存在间隙，相互不会产生接触，会通过流体流动路径调整，达到节流、密封效果；接触式密封会通过对填料、橡胶制品的运用，对缝隙实施填充，会与套筒或轴产生接触。
例如尾轴密封装置采用非接触模式，便可通过静摩擦片与摩擦片间的配合，达到对间隙进行密封的效果。操作人员可通过对静摩擦片弹簧强度进行调节的方式，对动、静片间隙紧度实施调节，进而达到相应密封要求。
3.船舶尾轴机械密封面形状对密封性能的影响
3.1密封形状基本问题
就某一层面而言，船舶尾轴密封面形状属于摩擦学问题范畴。摩擦学是对滑动面作用进行研究的学科，主要包括润滑、摩擦力以及磨损几部分内容。根据大量实践表明，多数摩擦都是有益的，但也存在着部分有害摩擦，需要做好摩擦问题分析与研究，克服各项摩擦问题，确保摩擦所产生的能量消耗等问题可以得到妥善处理。尾轴平面接触式密封手段，会在工作过程中与所处边界产生摩擦，会对其密封性形成一定影响，所以为对船舶尾轴密封性能问题展开科学处理，可运用球面代替平面的密封手段，对船舶尾轴密封性能、自动调心功能进行强化。
3.2平面、球面密封参数
平面密封、球面密封装置组成内容基本相同，主要包括弹簧组件、静环以及静环座等几部分内容，静环、动环密封面形状差异是两者主要区别。相同装置球面球心、密封端内径、外径以及平衡直径分别为185、202、218、208mm，球形密封面半径为400毫米，静环、动环球形密封面轴心线与内边界夹角为14.63°，轴心线与外边界夹角为15.82°。
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平面、球面静环材料多以非金属材料为主，会被固定在静环座上，会进行轴向移动。同时，动环材料多以青铜为主，会运用卡环、键槽直接固定在尾轴位置。在海水压力与弹簧力共同作用下，动静环密封面会保持贴合状态，能够有效避免出现海水渗入的状况。
尾轴机械密封性能参数相对较多，单位面积摩擦功、密封量以及泄露量等，都是密封性能参数。密封系数是粘滞力、水膜荷载比值，表示水膜形成尺寸特征值，一般密封数越大，水膜形成可能性也会越高。而泄露量是指在单位时间内，密封面泄露的海水体积，是对机械密封效果进行衡量的重要标准。为保证船舶尾轴机械密封性能，保证船舶使用期限，需要保证许用值可始终保持在摩擦特性参数以上水平。
3.3平面、球面密封有限元建模
在机械密封处于静止状态过程中，密封面多为紧密贴合状态，具有水膜反力效应。在水膜反力不能对闭合力展开有效抵消时，密封面会出现直接与尾轴机械进行接触的状况。例如，如果平衡型尾轴机械密封在混合摩擦环境中，其会受到轴向受力直接影响，外部海水、弹簧作用上轴向合理以及闭合力均会保持一致。
目前密封模型以轴对称模式较为常见，弹簧压力、海水属于面力状态，密封面间水膜反力会呈现线性分布状态，会借助对流换热边界工艺对海水所产生的密封环冷却问题展开处理，并会运用热流密度边界工艺，对密封面间摩擦热展开处理。同时为保证静动环密封面温度相同性，需要运用整体接触、耦合法实施有限元建模，以克服静动环边界条件、配合部位难以确定的问题，做好分层化粘结处理，落实一体化建模手段，以对边界条件进行确定，将其科学转化为内部边界，且要运用接触向导手段，逐步展开有限元建模操作。
就微观角度而言，有限元建模需要参照以下几个步骤逐步展开：①运用相应软件展开耦合单元设置，做好内部结构优化，并要在定义单元菜单自由度选项作用下，对xy轴方向进行确定，做好温度管控，将轴对称作为单元特性选项；②对静环、静环座、动环、动环座以及弹簧弹性等属性进行确定；③做好动环、动环座、静环、静环座节点、网格划分，并要对单元尺寸展开科学控制，一般如果节点、网格在三千左右，建议将单元尺寸控制在大约0.5mm的尺寸，并要保证其他部分可以被控制在1mm以下；④使用接触向导手段，对静环端面接触单元进行确定，确保目标单元可以被定义在动环端面之上，且要做好键入摩擦因数值筛选，保证摩擦因素选择质量，要保证动环、静环密封面对应节点温度数值相符度，同时要做好刚度矩阵选项内非对称选择与布置；⑤在模型中添加相应外界条件，做好压力载荷控制。一般动环会被安装在轴上位置，会和静环进行接触，因此需要做好密封面平衡位置接触压力、海水压力控制，要按照具体需求，科学展开弹簧压力调节，并要将密封面侵水部位作为外侧，将其他部位作为内侧，做好一系列调整与设置。技术人员需要保证船舶内部空气压力与密封面内侧压力相符度，保证外侧压力、海水压力指数一致性，以为尾轴密封质量提供可靠保障。
结束语：
通过本文对船舶尾轴机械密封相关内容的论述，使我们对尾轴密封重要性与工作原理等有了更加清晰的认知。通过阐述可以发现，尾轴密封面形状与其密封性能有着直密切关联，在对密封面形状问题进行处理时，需要做好球面、平面密封参数以及有限元建模等分析，要在明确认识到两者之间区别与特性的同时，科学做出密封面形状筛选，确定是否要运用球面代替平面，进而达到最佳密封效果，确保船舶运行可以得到有效保护，以为我国船舶行业发展提供有利支持。
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论文作者:周政, 袁钢,
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年第04期
论文发表时间:2019/6/21
标签：船舶论文; 机械论文; 摩擦论文; 性能论文; 球面论文; 平面论文; 形状论文; 《工程管理前沿》2019年第04期论文;