鱼雷尾轴机械密封参数对泄漏率的影响

詹茂榕, 王志杰, 曹小娟, 徐新栋, 郭 君, 单志雄



鱼雷尾轴机械密封参数对泄漏率的影响

詹茂榕, 王志杰, 曹小娟, 徐新栋, 郭 君, 单志雄

(1. 中国船舶重工集团公司第705研究所, 陕西西安, 710077; 2. 水下信息与控制重点实验室, 陕西西安, 710077)

在鱼雷尾轴机械密封设计时, 为了确定影响尾轴密封泄漏率的设计参数, 建立了鱼雷尾轴机械密封泄漏模型, 分析了分形维数、静环宽度、弹簧比压等设计参数对泄漏率的影响。同时, 在满足特定工况及“零泄漏”要求时, 运用遗传算法选取了分形维数、静环宽度、弹簧比压参数的最佳值。结果表明, 对于鱼雷特定航行工况, 存在静环宽度、弹簧比压、分形维数最佳组合, 使得鱼雷尾轴密封的泄漏率小于3 mL/h。

鱼雷; 尾轴密封; 泄漏率; 遗传算法

0 引言

目前, 鱼雷的发展趋势为远航程、高航速、大深度、安静型, 世界先进轻型鱼雷的最大航行深度从400~500 m提高到1 000 m, 航行速度也由40 kn提高到50 kn左右。为了适应鱼雷性能日益提高的需求, 雷内结构设计越来越复杂, 对雷内空间要求也越来越紧张, 其中轻型鱼雷内部空间的矛盾尤为突出。因此, 为了满足鱼雷最大航行深度和航行时间的不断增加以及设计空间的严格要求, 尾轴密封性能的要求也在不断提高。由于机械密封具有运行寿命长、运转中无需调整、介质泄漏率可以限制到很少甚至无泄漏等优良性能, 因此在鱼雷尾轴密封上具有广泛应用。

关于机械密封的研究, 魏龙等运用数值计算方法分析了机械密封摩擦副的分形维数与接触面积的关系[1], 但没有建立分形维数与泄漏之间的关系。杜鹏宇、盛杰等分析了机械密封端面比压影响因素, 定性分析了弹簧比压、端面宽度对端面比压的重大影响[2], 但没有定量分析弹簧比压等因素对泄漏率的影响。此外, 针对鱼雷尾轴密封自身特点, 弹簧比压、分形维数等主要设计参数对鱼雷尾轴泄漏率的影响尚未进行深入研究。

文章分析了影响鱼雷尾轴密封泄漏的几个重要设计参数, 并在满足“零泄漏”要求下, 运用遗传算法对影响泄漏的设计参数进行最优选取。

1 鱼雷尾轴机械密封泄漏模型

1.1 密封机理和受力分析

鱼雷尾轴密封采用弹簧式端面密封, 由动环、静环、弹簧座和弹簧等零部件组成, 动环通过螺母装于主轴, 其余部件装于尾舱段壳体。工作时, 静环与动环构成摩擦副, 密封工作面为动静环贴合面, 当静环磨损时, 由弹簧力对其进行补偿, 使动静环始终保持贴合工作。尾轴密封结构示意图、密封工作面放大图如图1和图2所示。

在鱼雷尾轴机械密封的动、静环上作用着各种载荷, 这些载荷归结起来可分为2种力: 一种是闭合力, 弹簧力与海水作用力为闭合力;一种是开启力, 密封端面间的流体膜作用力为开启力。摩擦副的轴向受力如图2所示。

弹簧作用力为

海水背压对密封面的作用力为

其中,A为尾轴机械密封的名义接触面积, 且

尾轴密封端面间的流体膜作用力为

鱼雷尾轴密封的摩擦副所受合力为

1.2 鱼雷尾轴密封泄漏模型

建立鱼雷尾轴密封泄漏模型时考虑了密封端面摩擦副的粗糙度、动静环的材料属性、转速、海水压力、弹簧比压等因素的影响, 其中粗糙度用分形维数表示, 分形维数是一种尺度独立的参数, 代替尺度相关的传统统计学参数, 用以表征粗糙表面形貌。经过推导, 尾轴密封泄漏率可以表示为

为了求得鱼雷在水下特定工况下的尾轴密封泄漏率, 首先需求得鱼雷在水下航行过程中, 尾轴机械密封摩擦副间的实际接触面积为

鱼雷在不同工况下摩擦副端面间的受力不同, 其摩擦副间的实际接触面积A也将随之改变, 由1.1节求得在特定工况下鱼雷尾轴密封受力F, 以及根据选择的鱼雷尾轴密封摩擦副材料属性, 通过求解如下方程求得鱼雷尾轴密封摩擦副的实际接触面积。

0为静环的屈服强度与摩擦副当量弹性模量之比, 且

2 计算分析

2.1 计算参数选取

1) 计算参数选取: 依据工程上的经验[3], 机械密封端面宽度

2) 分形维数选取: 由于分形维数越大, 代表机械密封摩擦副越光滑, 当摩擦副的分形维数很小时, 达不到尾轴密封的要求; 当分形维数很大时, 对摩擦副光滑程度要求高, 提高了加工成本, 经过计算, 分形维数太小, 泄漏率很大, 不能满足要求, 因此文中选取

3) 鱼雷尾轴密封摩擦副选取: 静环选取浸锑石墨材料, 动环选取9Cr18材料;

其他计算参数选取如表1所示。

表1 计算参数的选取

2.2 计算结果

1) 首先根据上述的鱼雷尾轴密封泄漏模型及选取的鱼雷尾轴密封特定工况, 通过Matlab软件分别计算出端面分形维数、静环宽度、弹簧比压、背压、尾轴转速对尾轴密封泄漏的影响, 分别如图3~图5所示。

从图3可以看出, 分形维数小时, 泄漏比较大, 当分形维数达到1.82左右时, 可以满足泄漏的要求。

从图4可以看出, 随着静环宽度的增大, 尾轴密封的泄漏率减小, 因为静环宽度的增大使得外界水压作用在摩擦副之间的压紧力增大, 当静环宽度在之间时, 满足摩擦副间的泄漏要求, 当静环宽度在进一步增大后, 摩擦副端面摩擦产生较大的热量, 破坏端面的形貌以及磨损状况, 使得泄漏率有所增大。

（2）创新申报模式，突出工作“服务点”。昆明医科大学第三附属医院积极探索开展党建与思想政治研究申报工作模式，建立党建思想政治理论研究项目申报制度，在工作中突出党委的指导及相关职能部门的服务。在项目申报全过程进行指导、跟踪、审核及问效。根据高校附属医院病患多、职工工作繁忙的特点，对项目申报采取申报前、申报中、申报后的全过程服务。申报前，按照当前党中央政策及国家发展导向，结合申报指南对申报基层党支部进行广泛性引导；申报中，针对申报选题及项目申报书召开项目评审会，对项目组成员进行针对性指导；立项后，对项目研究开展中期检查和结题要求提醒，对项目负责人进行单独性辅导。

从图5可以看出, 随着弹簧比压的增大, 弹环对摩擦副的预紧力增大, 端面间的泄漏率将减小。

以上计算结果表明, 代表密封端面粗糙度的分形维数对泄漏率的影响最大, 随着分形维数的增大, 尾轴密封泄漏率快速减小, 在分形维数达到1.82左右时, 分形维数的提高对降低泄漏率效果已经不是很明显; 在特定工况下, 静环宽度存在一定的合理取值以达到泄漏规范要求; 同时可以看出, 随着弹簧比压的增大, 泄漏率也在不断地减小。

2) 当前大多数文献都是针对影响泄漏率的分形维数、弹簧比压等因素进行的单一参数分析。根据相关文献指出: 当被密封介质为液体, 轴外径小于50 mm, 平均泄漏率不大于3 mL/h时, 可以认为鱼雷尾轴密封为“零泄漏”[4]。因此, 文中对在背压为6 MPa、尾轴转速为2 500 r/min的工况下, 运用遗传算法求取在满足“零泄漏”的要求时, 分形维数、静环宽度和弹簧比压的最优选值。

结合上文中鱼雷尾轴密封泄漏模型, 运用遗传算法优化计算模型为

其中泄漏率不大于3 mL/h为目标函数, 在给定鱼雷航行工况(转速及背压)下, 对密封端面分形维数、端面宽度、弹簧比压为优化对象, 其他材料参数及尺寸参数如表1所示。运用遗传算法的计算流程为如图6所示。

遗传算法收敛曲线及最优解如图7所示。

遗传算法计算对分形维数、动静环端面接触宽度、弹簧比压进行最优选取为:=时, 满足了鱼雷尾轴“零泄漏”的要求。

通过实航试验对建立的尾轴密封模型以及计算的结果进行验证, 试验时航行深度、尾轴转数如图8和图9所示。

根据试验数据测得尾轴密封处的泄漏量约为10 mL, 理论计算的泄漏量为7.888 5 mL, 故建立的模型适合对尾轴密封泄漏进行预测分析。

4 结论

1) 表征摩擦副粗糙度的分形维数及弹簧比压的增大, 鱼雷尾轴机械密封的泄漏率随之减小; 同时, 对于鱼雷航行的特定工况, 密封面的静环宽度存在合理的取值范围来满足泄漏率的要求。

2) 对于鱼雷特定航行工况, 分形维数、弹簧比压和端面宽度等影响尾轴密封泄漏的因素, 存在最优组合使得泄漏率最小。因此设计时需综合考虑这3个因素, 其可改善目前研究中只对单一影响因素进行分析的现状。

后续研究还需要考虑不同的密封材料对尾轴密封的影响以及轴系跳动、摩擦副尺寸公差等工程实际条件下对尾轴密封的影响。

[1] 魏龙, 顾伯勤. 机械密封摩擦副端面分形维数的优化[J]. 化工学报, 2010, 61(1): 132-136.Wei Long, Gu Bo-qin. Optimization of Surface Fractal Dimension of Friction Pair in Mechanical Seals[J]. CIESC Journal, 2010, 61(1): 132-136.

[2] 杜鹏宇, 盛杰. 机械密封端面比压影响因素分析[J]. 北京石油化工学院学报, 2013, 21(4): 22-25.Du Peng-yu, Sheng Jie. Analysis of Influential Factors of Face Pressure in Mechanical Seal[J]. Journal of Beijing Institute of Petro-chemical Technology, 2013, 21(4): 22-25.

[3] 崔建昆. 密封设计与实用数据速查[M]. 北京: 机械工业出版社, 2010.

[4] 郝木明. 机械密封技术及应用[M]. 北京: 中国石化出版社, 2010.

Effects of Mechanical Seal Parameters of Torpedo Tail Shaft on Leakage Rate

ZHAN Mao-rong1,2, WANG Zhi-jie1, CAO Xiao-juan1, XU Xin-dong1, GUO Jun1, SHAN Zhi-xiong1

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710077, China; 2.Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory, Xi′an 710077, China)

This paper establishes a mechanical seal leakage model of torpedo tail shaft, and analyzes the effects of fractal dimension, width of static ring, and spring pressure on leakage rate in order to determine design parameters of torpedo tail shaft seal leakage rate. In the condition of meeting the requirement of no leakage, this paper optimizes the parameters by using genetic algorithm in the specific conditions. The results show that the leakage rate is lower than 3mL/h in the specific navigation condition of a torpedo when the width of static ring, spring pressure and fractal dimension are in optimum combination.

torpedo; seal of tail shaft; leakage rate; genetic algorithm

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.01.004

TJ630.31

A

1673-1948(2016)01-0018-05

2015-09-21;

2015-11-10.

詹茂榕(1990-), 男, 在读硕士, 主要研究方向为鱼雷总体技术.

(责任编辑: 陈 曦)