船用艉轴机械密封热—结构特性数值分析

论文摘要

船用艉轴机械密封是船舶推进系统的重要组成部分。在复杂载荷的耦合作用下,艉轴机械密封端面容易出现局部高温和高应力,导致高磨损和端面泄漏,严重影响了密封装置整体性能。因此,开展船用艉轴机械密封热—结构特性的研究具有重要的理论意义和实际应用价值。本文以船用艉轴机械密封为研究对象,开展了密封受力与变形、温度场特性、稳态热—结构耦合特性、变工况瞬态耦合场分析及优化等方面的理论研究,并进行了台架试验验证。1.研究了液膜压力和端面受力变形规律。根据简化的雷诺方程,推导了三种端面间隙间的液膜压力分布,应用自编的程序实现了端面各节点的液膜压力的精确加载,并以最小液膜厚度和液膜压力相对误差为收敛条件进行密封受力变形的迭代分析。结果表明,密封端而在力和力矩作用下产生变形,形成接触闭合区和锥形开口区,并在接触区有应力集中。2.建立了密封热—结构耦合分析的数学模型,进行了密封温度场数值计算,给出了端面摩擦热、混合摩擦状态下的摩擦系数和新的对流换热系数的计算表达式;采用整体与隔离分析方法完成了端面总体热量分配及端面径向热量分配的迭代数值求解。研究结果表明:动环外侧的温升较静环低;端面总热量分配系数与密封材料的特性及密封工况有关,动环端面分配总热量较静环多:密封端面径向热量分配系数与半径位置、密封环导热系数有关。3.研究了稳态热—结构耦合作用下的端面特性,给出了耦合节点温度自由度法和接触导热系数法两种耦合场计算方法,并通过示例计算说明二者的等效性。提出了四个计算收敛准则,并根据收敛准则和边界条件完成了密封稳态热—结构数值计算。结果表明:在热力作用下,密封端面液膜分布、接触压力及温升等特征呈强耦合特性关系,在接触区域内出现高温、高应力和高接触压力。4.研究了瞬态热—结构耦合作用下的端面特性。运用耦合场分析方法完成了两种典型变工况及交变载荷作用下的密封瞬态分析。分析表明:在瞬态积分效应的影响下,各变工况时刻的端面特性与稳态计算结果不同。在降速减载工况时端面温度变化存在滞后现象,未能随工况参数的降低而降低;在交变载荷作用下,密封端面特性(温度、接触压力等)也呈现出交变的瞬态特征。5.提出了密封耦合场优化的原则,建立了优化数学模型,并运用BP神经网络—遗传算法和改善内侧散热条件完成了热—结构耦合场的优化分析。通过选择优化后的密封端面伸出长度和宽度以及加装内侧冲洗冷却装置,可以有效地抑制端面温升,改善端面特性,并能在一定工况下和小锥度的收敛型间隙条件下降低端面局部最高温度。6.在自行研制的艉轴机械密封性能试验台上对端面温度、摩擦力矩等参数进行了测试,测试数据与理论计算结果基本一致,验证了理论分析得到的结论。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 端面液膜压力分布研究
• 1.2.2 端面变形的研究
• 1.2.3 端面温度场分析及耦合场的研究
• 1.2.4 密封端面测试及可控技术的研究
• 1.2.5 变工况端面特性及优化研究
• 1.3 论文研究的目的
• 1.4 课题来源及研究主要内容
• 第2章 艉轴机械密封受力与变形分析
• 2.1 概述
• 2.2 密封的几何参数与力学参数
• 2.2.1 几何参数
• 2.2.2 力学参数
• 2.2.3 密封端面液膜特性分析
• 2.3 密封受力变形分析
• 2.3.1 端面液膜压力施加精度与提高
• 2.3.2 密封受力变形分析的实现
• 2.4 本章小结
• 第3章 艉轴机械密封温度场及耦合场数学描述
• 3.1 概述
• 3.2 密封弹性力学理论
• 3.3 密封稳态热传导有限元法
• 3.3.1 稳态热传导控制方程
• 3.3.2 稳态热传导有限元单元分析及端面节点处理
• 3.3.3 稳态导热有限元单元平衡方程的建立
• 3.4 密封瞬态热传导有限元法
• 3.4.1 瞬态热传导控制方程
• 3.4.2 瞬态导热有限元单元平衡方程的建立
• 3.5 密封耦合场传热模型的建立
• 3.5.1 耦合场接触压力分布及接触面传热规律分析模型
• 3.5.2 考虑接触面摩擦热源的数学分析模型
• 3.5.3 密封耦合场中热应力计算
• 3.6 密封热传导数学模型
• 3.6.1 密封热分析边界条件确定
• 3.6.2 传热边界条件的数学表达
• 3.6.3 耦合场分析方法及边界条件描述
• 3.7 本章小结
• 第4章 艉轴机械密封温度场特性数值分析
• 4.1 概述
• 4.2 密封热量平衡及计算
• 4.2.1 密封热量平衡
• 4.2.2 密封端面摩擦热的计算
• 4.3 密封端面摩擦特性分析
• 4.3.1 密封端面三种摩擦状态特性分析
• 4.3.2 密封端面混合摩擦状态的摩擦系数
• 4.4 密封端面温度场数值计算的关键问题
• 4.4.1 对流换热系数
• 4.4.2 端面摩擦热分配
• 4.5 密封端面温度场数值计算
• 4.5.1 考虑端面平均温度的数值计算
• 4.5.2 考虑端面径向热量分配系数的数值计算
• 4.6 本章小结
• 第5章 艉轴机械密封稳态耦合特性数值分析
• 5.1 概述
• 5.2 基于摩擦界面传热规律的耦合场分析方法研究
• 5.3 密封整体热—结构耦合场研究收敛准则
• 5.3.1 液膜压力收敛准则
• 5.3.2 热流密度的施加收敛准则
• 5.3.3 摩擦系数收敛准则
• 5.3.4 端面径向热流分配系数求解收敛准则
• 5.4 密封稳态热—结构耦合场研究
• 5.4.1 稳态耦合场有限元分析模型及计算流程
• 5.4.2 稳态热—结构耦合场有限元计算结果
• 5.5 本章小结
• 第6章 艉轴机械密封瞬态耦合场及优化研究
• 6.1 概述
• 6.2 瞬态求解工况分析及处理前提
• 6.3 瞬态耦合分析关键问题及实现方法
• 6.4 密封瞬态耦合场分析
• 6.4.1 计算流程
• 6.4.2 瞬态分析中参数的确定
• 6.4.3 数值分析结果
• 6.4.4 端面瞬态耦合特性分析
• 6.5 密封交变载荷瞬态耦合特性分析
• 6.5.1 交变载荷假设及数学表达
• 6.5.2 交变载荷耦合场分析及结果讨论
• 6.6 密封优化数学模型分析
• 6.6.1 密封耦合场优化的原则
• 6.6.2 密封结构优化参数的确定
• 6.7 基于BP-GA混合算法的密封优化研究
• 6.7.1 遗传算法与神经网络的结构优化策略
• 6.7.2 BP神经网络模型的建立
• 6.7.3 遗传算法的寻优流程及具体实现
• 6.8 密封环境优化
• 6.9 本章小结
• 第7章 艉轴机械密封性能试验验证
• 7.1 密封试验台的组成和工作原理
• 7.2 试验研究
• 7.2.1 测试方法
• 7.2.2 试验结果与分析
• 7.3 本章小结
• 第8章 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间公开发表的论文及所参加科研的情况