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0引言
对于船舶轴系来讲，尾轴机械密封属于重要组成体系之一，优化该体系设计，避免海水侵蚀入舱，必须合理规划船舶尾轴机械密封面形状，提高其密封性能，加强船舶主轴、深潜器和水下航行器的安全性。当前船舶尾轴大多采用的是平面机械密封方式，这种密封方式虽然能够起到一定的作用，却存在多方面的问题。如果船舶尾轴已弯曲，轴系未校中以及尾轴因长时期受压而被磨损，就很容易弱化船舶的密封性能。本文将简单分析船舶尾轴机械密封面形状的基本问题，论述球面与平面密封的重要参数，并浅谈球面和平面密封的有限元建模方式。
1.船舶尾轴机械密封面形状的基本问题
从整体上来讲，船舶尾轴机械密封面形状的基本问题是摩擦学的问题，所谓的“摩擦学”（tribology）是研究滑动面间相互作用的学科，包括摩擦力、磨损和润滑三方面。许多摩擦证明是有益的，使现代生活成为可能，但是，其他许多摩擦会引起严重的影响，而需要仔细研究如何去克服这些由过度摩擦或者磨损而导致的不便，摩擦消耗或者浪费大量人类产生的能量，并且需要足够的生产力取代因磨损而变得无用的物体。当前船舶尾轴主要采用的是平面接触式机械密封法，在工作过程中大多处于边界摩擦和混合摩擦的状态。缓解摩擦对船舶尾轴及其密封性能的负面影响，则需要使用球面密封来逐渐替代平面密封方式，以此增强船舶尾轴的自动调心功能和密封性能。
2.球面与平面密封的重要参数
球面与平面密封的基本装置均为动环座、动环、静环座、静环和弹簧组件。这两种密封方式的主要区别是动环和静环的密封面形状不同。同样装置的球面球心是185mm，密封端面内径是202mm，密封端面外径是218mm，平衡直径是208mm，球形密封面半径是400mm，动环和静环球形密封面的内边界与轴心线夹角是14.63度，动环和静环球形密封面的外边界与轴心线夹角是15.82度。平面密封动环的球面球心是185mm，密封端面内径是202mm，密封端面外径是218mm，平衡直径是208mm。由此可见，球面与平面密封的重要参数基本一致。此外，球面与平面密封的静环材料皆为非金属材料，将其固定在静环座上，就会阻止静环座旋转，保持其轴向运动。动环材料多为青铜原料，通常是将青铜材料镶嵌在动环座上，这样，动环座就能直接经过键槽和卡环将其固定在尾轴上。而且，静环与动环的密封面会在弹簧力和被密封介质（即海水）压力的共同作用下密切贴合，以此防止海水浸入船舱之内。另一方面，船舶尾轴机械密封的性能参数比较多，主要参数项目包括密封准数、泄漏量、接触面积和单位面积摩擦功。一般情况下，密封准数是黏性力和水膜负荷的比值，用以表示水膜形成难易程度的量纲特性值。目前，用ＧＳ、ＧＰ来表示球面和平面密封的密封准数，参数公式如下：ＧＳ＝ηｖＬＳ/Ｆ，ＧＰ＝ηｖＬＰ/Ｆ。其中，η用以表示密封流体动力的黏度系数，ｖ是指密封面的平均线速度，Ｌ是指水膜形成难易程度的量纲特性值，Ｆ则是指密封面上的总负荷。从正比的视角来看，密封准数的数值越大，就越容易形成水膜，水膜的厚度也随之递增。泄漏量主要是指在单位时间里从密封面泄漏的被密封介质的体积，以此衡量机械密封的效果。接触面积是指球面与平面密封的接触面积。单位面积摩擦功通常用ｐｖ来表示，ｐ是指密封面的比载荷，ｖ用以表示密封面的平均线速度，因此，常用ｐｖ表示单位面积摩擦功。提高船舶尾轴机械密封性能，确保该性能的长期性，则需要将允许值控制在密封幅摩擦特性的参数以上。
3.球面和平面密封的有限元建模方式
当机械密封处于静止状态时，密封面多处于紧密贴合状态，密封面上的作用具备水膜反力效应，如果水膜反力无法满足抵消闭合力的要求，密封面就会出现船舶尾轴机械接触现象。如果平衡型尾轴机械密封处于混合摩擦状态下，就会收到轴向受力的作用，此时的闭合力与外部海水以及弹簧作用上的轴向合力相等。新时代的机械密封模型大多为轴对称模式，海水和弹簧压力呈面力，其中，密封面之间的水膜反力会被假定成线性分布模型，先运用对流换热边界工艺来处理海水对密封环的冷却作用，然后，用热流密度边界法来处理密封面之间的摩擦热。为了维持静环与动环的密封面温度一致性，则需要采用耦合法和整体接触来进行建模。因为静环座与静环以及动环座与动环的配合部位及其边界条件尚难以明确，所以，需要对静环座与静环以及动环座与动环进行分层化黏结，实施一体化建模，以此明确边界条件，并将其转化成内部边界。与此同时，需要采用接触向导法来进行有限元建模。从微观视角来看，有限元建模分为以下五个步骤如下：①借助ＡＮＳＹＳ软件组建完善的耦合单元，着重优化其内结构，使用ＰＬＡＮＥ１３定义单元菜单的自由度选项，明确ｘ和ｙ的方向，控制好温度，使单元特性选项保持为轴对称。②定义静环座与静环以及动环座与动环和弹簧的弹性、泊松比、模量、热导系数和热膨胀系数等属性。③将静环座与静环以及动环座与动环科学划分成３０６９个网格和３１９１个节点。将单元尺寸控制在０．５ｍｍ左右，其他部分不得超出1ｍｍ。④运用接触向导法对静环端面实施定义接触单元，将目标单元定义于动环端面之上。在挑选摩擦因数时需要正确选择键入摩擦因数值。此外，要充分保障静环与动环在密封面对应节点的温度一致性。然后，在刚度矩阵选项中正确布设选择非对称。⑤添加最合适的外界条件，控制好压力载荷。因为动环安装通常在轴上而且会和静环接触，所以，要控制好平衡位置所承载的海水压力和密封面的接触压力，并根据实际情况，调节好弹簧压力，将密封面的浸水部位设置为外侧，非浸水部位则为内侧。此外，要将密封面的内侧压力和船舱内的空气压力保持一致，使外侧压力和海水压力趋于相等指数。
4.结束语
综上所述，解决船舶尾轴机械密封面形状的基本问题，提升船舶尾轴机械密封性能，必须正确分析球面与平面密封的重要参数，优化球面和平面密封的有限元建模方式。
