艉轴唇形密封圈密封性能与开启特性研究

作     者：古彦飞 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李双喜

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0824[工学-船舶与海洋工程] 082401[工学-船舶与海洋结构物设计制造] 

主      题：唇形密封圈 接触压力 反向开启压力 密封性能 

摘      要：旋转轴唇形密封圈作为大中型船舶艉轴密封的关键零部件,具有良好的追随性和自适应性,保证其在复杂的海洋环境中稳定运转,对提高艉轴密封长期服役性具有重要意义。开启式艉轴唇形密封,采用空气反向气压平衡,实现密封唇口与转轴非接触运转,进而实现海水“零泄漏和密封长寿命。本文针对大轴径艉轴用开启式唇形密封圈展开深入和系统的研究,以期获得更好的密封可靠性和稳定性。考虑接触区域流体压力和唇口变形的相互作用关系,根据实际应用密封结构和工况合理施加边界条件,采用ANSYS分析软件,建立唇形密封圈固体场和区域流体场耦合的数值分析模型。探究开启式唇形密封静态密封和动态开启的密封机理。计算开启前后,唇形密封圈的Mises应力、接触压力、摩擦应力、摩擦扭矩以及接触宽度等特征参数的变化规律。计算开启后,流场速度场和压力场的分布,气相和液相边界的变化,得到耗气量的变化规律。研究唇口结构参数、橡胶材料参数和工况参数对唇形密封圈反压开启特性的影响,得到反压开启过程中接触压力、接触宽度以及径向力等随反向压力的变化趋势。结果表明,介质压力对反向开启压力的影响最为明显,介质压力每升高0.01MPa,反向开启压力随之升高0.01MPa;前唇角的影响最不明显,改变唇口的结构参数可以提高静态接触密封性能。分析介质压力和反向压力对唇口内外侧腔体内流场的影响,得到流体流速、压力和泄漏率的变化规律。结果表明,在唇口两侧恒压差(0.01MPa)下开启时,不同介质压力对流速的影响不大。唇口开启高度在0～2.5mm范围内,反向开启压力对流体流速和泄漏率的影响较大。针对唇形密封圈未开启时的接触状态,开展橡胶材料的摩擦磨损试验,得到橡胶材料在干磨、海水以及润滑油条件下的摩擦系数和表面磨损情况,测得不同转速对橡胶材料摩擦磨损性能的影响。搭建大轴径唇形密封性能试验系统,基于摩擦扭矩的数值变化,准确测量出唇口反向开启压力,试验值与仿真计算值对比误差小于15%,说明分析模型准确、可靠。本文通过对大轴径船舶艉轴唇形密封圈密封性能和开启特性研究,包括理论研究与试验研究的结果,可为唇口结构设计、橡胶材料选择提供理论参考,提升其在船舶艉轴密封场合长期服役的稳定性。