水的深度对船用机械密封端面变形的影响探析

朱拥军

摘要：机械密封具有工作可靠、摩擦磨损小、密封性好、泄漏量少等特点，在机泵设备中广泛使用。对于船用机械端面密封而言，当水深发生变化时，密封结合面之间的摩擦热、接触力随之发生变化，封面之间的接触应力也随之改变。本文主要对机械密封进行概述，并探析水深的变化对船用机械密封端面变形所产生的作用。

关键词：机械密封；水深；端面变形；接触力

依靠静环端面与动环端面间的紧密贴合，机械端面密封对密封介质进行阻止，进而通过密封端面而实现密封目的[1]。在深潜水的潜艇、深吃水的水面船舶等推进轴系上，机械端面密封被用于艉密封装置中，防止船体外部的水泄漏。对于密封装置泄漏，常由密封环安装误差、接触变形、磨损等原因造成，在船舶行驶中，潜艇的潜深、船舶的吃水随时变化，动静密封环面的接触力改变，机械密封端面受到不同的力，在受力不均匀的情况下端面发生变形。

1.机械密封概述

机械端面密封的基本构成是静环、动环，多在旋转机械的轴系中应用。在应用中，随着旋转轴，动环发生转动，而静环固定于壳体上，利用其后弹簧轴向发生浮动。这样，在转轴运行过程中，通过弹簧力与静环背后的介质压力的共同作用，机械密封闭合力形成，对密封介质起到阻止作用，阻碍其通过密封端面。同时，封端面间的接触力、液膜压力共同作用形成开启力，平衡于闭合力[2]。机械密封结构图如图1所示。

图1 机械密封结构图

由图可知，当介质压力、弹簧力变化时，密封端面间隙也随之变化。同时，密封端面间开启力较大于闭合力时，端面间隙增大，增加密封泄漏量。在船用机械密封装置中，在水下回旋运动中，密封环面不仅受到弹簧力、接触力，还受到该装置所在水深的水压力，当水深变化时，水深压力所提供的密封接触力不同，从而使密封面间产生不同的摩擦力、摩擦热。

2.水深变化对船用机械密封端面的作用力分析

2.1边界散热、摩擦热分析

作用于密封端面上的机械力、摩擦热是其变形的载荷，动静密封环之间接触摩擦，所产生的摩擦热量使端面发生热变形，而水压力与密封弹簧的机械做出产生机械力，从而使密封端面发生机械变形，且密封泄漏多是由摩擦热变形引起的。密封接触面在密封装置工作时处于完全润滑、润滑与接触共存、完全干接触等接触状态[3]。当处于润滑状态时，密封环面之间产生润滑液膜内摩擦，形成摩擦热。当处于直接接触状态时，密封环摩擦直接产生摩擦热。在船舶运行过程中，密封水位发生变化，当液膜润滑存在于动静密封环的接触面中时，其封面产生的热量就不受水深影响，直接与润滑剪切率相关，其计算摩擦热的公式为：

2.2接触力分析

在船舶行驶过程中，其推进轴轴心线处于的水位不同，各点受到的静水壓力不同，静水压力公式为PW=（h-rsinθ）ρg，其中PW为密封端面某点受到的水压，r为密封面各点距离轴线中心的长度，h为中心轴线的水下深度，θ为密封点与轴线中心水平方向所呈的角度，ρ为水密度，g为重力加速度[4]。这样，在船舶吃水深度改变时，受到的水的作用力不同，在运行中，密封端面便持续受到不同力的作用，内外应力始终处于变化中，使端面变形。其接触力与水深的关系图如图2所示，而其变形与水深的关系如图3所示。

图2 接触力与水深的关系 图3 变形与水深的关系

有图2可知，当水的深度增加时，密封端面的内外各点的作用力都随之增加，且边缘计算点的接触应力比内缘点增加的速度快，接触力增加量不一致。在水位较浅状况位置时，内缘点接触应大于外缘点，到了水位较深的位置，外缘点接触力便大于内缘点，密封环的接触状态发生变化，使偏磨向外圈转移。同时，在此接触力变化的过程中，端面变形程度也发生一致变化。

3.结束语

由于机械密封具有使用寿命长、密封性好等特性，在化工、石油、航天等行业中广泛使用。而在机械密封使用中，受工作条件中高温、高速、高压等因素的影响，端面易发生变形，造成磨损不均匀、密封性降低、泄漏量增加等问题，影响正常工作。对于船用机械密封而言，潜水深度、船舶吃水深度的变化使密封环受到不同的作用力，密封面的接触力不断变化，造成端面变形，影响密封性能。

参考文献：

[1]朱汉华，刘正林，严新平等.水深变化对船用机械密封端面变形的影响[J].润滑与密封，2008，33（4）：27-29，36.

[2]王隽，王娟，周旭辉等.船舶艉轴密封装置端面密封摩擦副温度场稳态分析[J].润滑与密封，2007，32（7）：122-124，139.

[3]杨延明，朴日晶，高永鹏等.船舶艉轴机械密封试验装置的设计及密封试验[J].农家科技（下旬刊），2013，（10）：174.

[4]周旭辉，疏舒，王隽等.某型船舶艉轴密封装置端面密封失效分析及试验研究[J].润滑与密封，2011，36（1）：98-101，106.