船舶艉轴机械密封试验装置的设计及密封试验
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2010年2月 润滑与密封 LUBRICAT10N ENGINEERING Feb.2010 Vo1.35 No.2 第35卷第2期 DO1:10.3969/j.issn.0254—0150.2010.02.024 船舶艉轴机械密封试验装置的设计及密封试验 、 赫晓光 王隽 杨俊 田相玉 湖北武汉430064; (1.海军驻431厂军事代表室辽宁葫芦岛125004;2.中船重工719所3.中船重工711所上海200090) 摘要:研制了船舶艉轴机械密封试验装置,该装置由动力和密封两大部分组成,能模拟各种工况下船舶艉轴机械 密封的工作状况。以合金与青铜材料为密封摩擦副进行了密封性能试验,测试密封端面温度、摩擦因数、泄漏量等主要 性能参数。该密封试验装置可用于探讨机械密封工作机制,筛选机械密封材料,评价密封性能,从而提高机械密封工作 寿命和可靠性。 关键词:船舶艉轴;机械密封;密封端面 中图分类号:TH136文献标识码:A文章编号:0254—0150(2010)2—094—4 The Design of Mechanical Seal Testing Device of Marine Stern Shaft and the Sealing Tests He Xiaoguang Wang Jun Yang Jun Tian Xiangyu (1.Ofice off Military Representatives in 43 1 Shipyard,Huludao Liaoning 125004,China; 2.China Ship 7 1 9 Institute,Wuhan Hubei 430064,China; 3.China Ship 7 1 1 Institute,Shanghai 200090,China) Abstract:A mechanical seal testing device of marine stern shaft was developed,which consists of dynamical set and mechanical seal set.The testing device can simulate the various operating conditions of the mechanical seal of m ne stern shaft.Taking an alloy and bronze materials as the friction pair of a mechanical seal of marine stern shaft.the main perform— ance parameters were measured on the testing device,including the seal surface temperature,friction coeficientf and leak- age.The testing device can be used to analyze the working mechanism of the mechanical seal,select the right seal materi- ls,estiamate the sealing performance and improve the working life and reliability of the mechanical sea1. Keywords:marine stern shaft:mechanical seal:seal surface 机械密封广泛应用于化工、水利以及船舶等领 域。机械密封的性能直接影响相关设备的安全性与可 靠性。对于船舶艉轴而言,最重要的问题是在获得低 泄漏的同时,如何通过控制相关性能参数,以降低密 封端面间的摩擦、磨损,提高密封的使用寿命,保证 船舶运行的安全性。 机械密封工作时,端面温度的高低直接或间接地 反映出端面问流体膜相态和端面摩擦状态,国外许多 学者把机械密封的端面温度作为反馈参数,而把端面 比压或膜压作为控制参数。I Etsion已研究设计出闭 合力可控机械密封。近年来,国内学者在机械密封方 面也做了大量的工作,设计出通过控制开启力或闭合 力而控制膜厚的非接触式机械密封试验装置,以及以 密封端面间流体相态为判定条件,研制开发了机械密 封相态监测控制系统 。 收稿臼期:2009—09—14 本文作者主要研制适应于深水、重载、低速等特 殊工况下的船舶艉轴机械密封装置,探讨机械密封性 能及其影响因素,为密封摩擦副设计提供理论依据及 相关试验数据。 1 船舶艉轴机械密封试验装置研制 i.变频电机2.联轴器3.转矩传感器4,5.中问轴承6.试验轴 7.密封水腔8.支架9.弹簧10.螺杆11.压力水系统 图1机械密封试验装置 Fig 1 Testing equipment for mechanical seal 作者简介:赫晓光(1981一),男,学士,助理工程师,研究方 向:船舶动力装置.E—mail:州一ship@hotmail.COB. 船舶艉轴机械密封试验装置有动力和密封两大部 2010年第2期 赫晓光等:船舶艉轴机械密封试验装置的设计及密封试验 95 分 。动力部分主要由变频电机、联轴器、转矩传 水腔中的介质压力通过高压泵来调节,以模拟不同水 感器、中间轴承、试验轴等组成。为了提高测试精 深下,作用在艉轴机械密封的介质压力。压力水系统 度,传动轴之问采用万向联轴器,以保证同心度小于 设置有相应的保压和卸压装置以及介质压力测量仪表。 0.1 mm,避免产生的弯矩对转矩测量造成影响。密 2机械密封试验 封部分主要由支架、弹簧、加载螺杆和密封水腔组 机械密封试验的动 静环材料分别选用合金 成。密封水腔还外带有压力水系统(包括高压泵、 (9Cr18)与青铜(ZQSnl0—2)作为配对摩擦副,在 溢流阀、水箱等)。试验装置如图1所示。 不同转速、介质压力、弹簧比压等工况下,进行密封 密封装置如图2所示。密封水腔可在试验台的导 端面摩擦因数、温度和泄漏量的测试与分析,以考察 轨上作轴向移动。密封摩擦副由动、静环组成,动环 机械密封装置性能,探讨密封装置的运行状况及其影 固定在试验轴上,与轴一起旋转;静环空套在轴上, 响因素 一 通过螺栓固定在密封水腔上。在静环的不同半径r位 测试前,对弹簧与热电偶进行标定。弹簧标定通 置上分别埋设3个热电偶,如图3所示,用于端面温 过计算作用在弹簧上的砝码重力(作用力)与弹簧 度测量。由于静环在密封运行过程中不可避免地会发 长度变化的比例关系,并根据动、静环密封接触面 生磨损,故热电偶端部距端面需有一定的距离,一般 积,将作用力换算成弹簧比压(即闭合力的一部 为1.0~2.0 mnq。多路热电偶信号由计算机自动采集 分)。热电偶标定比较复杂。由于热电偶距密封端面 与处理 . 还有2 him,所以热电偶值不是密封端面的实际温度, 因此须将装有热电偶的静环浸人一定温度的水中,待 热平衡后,将所测取的热电偶值与水银计值进行比 较,以确定两者问的换算关系。 2.1 密封端面摩擦因数测试及分析 密封端面的摩擦因数反映了摩擦功耗的高低。由 转矩仪测出的转矩为整个试验装置的总摩擦力矩,在 计算密封端面摩擦力矩时,必须扣除空载摩擦力矩。 因此,试验时要在机械密封端面没有贴合的情况下, 先测试试验装置的空载摩擦转矩,然后求得密封端面 摩擦因数 Mt—Mo M e—Mo 1.试验轴2.静环3.动环4.换气阀5.压力表6.水腔 J pAc『 7.支絮8.弹簧9.压紧螺杆1O.进水孔II.支座 式中:P为密封端面载荷,N,P=P×A,,P为端面 图2密封装置工作原理图 比压(包括弹簧与介质压力),MPa,A 为摩擦面面 Fig 2 Working schematic diagram of seal equipment 积,m ;r 为密封端面平均半径,Ill;M 为总摩擦力 矩,N・m;M0为空载摩擦力矩,N・m。 L 密封端面摩擦因数测量结果见表l。 \ 1广__ 表l 不同工况下的摩擦因数 Table 1 Friction coefifcient under different working conditions ’ 图3静环结构及热电偶布置 Fig 3 Structure of static ring and thermocouple layout 本试验装置采用变频电机无级调速,输出转速为 0~960 r/min~。转速采用光电式测试仪测量,误差在 ±0.01 r/min范围内。作用在密封端面的弹簧力,通 过正反转加载螺杆,调节弹簧的压缩量来完成。密封 润滑与密封 第35卷 由表1可见,转速、弹簧比压和介质压力对密封 端面的摩擦因数有明显的影响: (1)转速:当密封介质压力和弹簧比压一定时, 随着转速的提高,密封端面间的水膜动压效应增大, 润滑状况得到改善,摩擦因数逐渐减小。 (2)弹簧比压:当密封介质压力和转速一定时, 由于弹簧比压增大,水膜减薄,两端面间的微凸体接 封端面温度上升。 触率及黏附力增大,致使摩擦因数上升。 (3)介质压力:当转速一定,弹簧比压较低时 (P <0.2 MPa),随着介质压力的增大,摩擦因数减 小。这是因为介质压力增大,使得密封端面间的水膜 静压作用增强,开启力略大于介质与弹簧所产生的闭 合力,水膜变厚,从而使摩擦因数稍有减小。 2.2密封端面温度测试及分析 密封端面温度对密封性能有重要影响。温度过 高,水会产生汽化,最终导致密封失效。通过对不同 工况下温度的测量,可以更全面、更深刻地理解转 速、弹簧比压、介质压力等参数对机械密封端面温度 的影响水平。 2.2.1 转速对端面温度的影响 在介质压力和弹簧比压一定情况下,随转速的提 高,端面摩擦生热与对流换热程度相比,摩擦生热占 主导地位,使得密封环端面温度对转速比较敏感,呈 直线上升,如图4所示。 50 46 42 董 兰38 昌 34 30 5U lOO l50 200 250 300 Speed nl(r・min’ 1 图4转速对端面温度的影响(弹簧比压 0.15 MPa,密封介质压力1.20 MPa) Fig 4 Effect of rotary speed on temperature of end face (specific pressure of spring 0.15 MPa,specific pressure of sealed medium 1.20 MPa1 2.2.2 弹簧比压对端面温度的影响 在介质压力、转速一定的情况下,弹簧比压与端 面温度的关系如图5所示。弹簧比压增大,会直接增 加密封端面微凸体的接触机会,导致摩擦热增多,密 图5 弹簧比压对端面温度的影响(转速 180 r/min,密封介质压力1.2 MPa) Fig 5 Effect of speciifc pressure of spring on temperature fo end face(rotary speed 180 r/min,specific pressure of sealed medium 1.2 MPa) 2.2.3介质压力对端面温度的影响 . 介质压力与机械密封的端面温度间的关系如图6 所示。可以看出,在转速和弹簧比压一定的情况下, 密封介质压力与端面温度基本呈线性关系。 42 p ≥38 甚 I_ 暑34 30 0 U.4 0.8 1.2 1.6 Pressureofsealed mediumPi/MPa 图6介质压力对端面温度的影响(弹簧 比压0.10 MPa,转速120 r/min) Hg 6 Effect of pressure of sealed medium on tern— perature fo end face(specific pressure of spfing 0.10 MPa,rotary speed 120 r/min) 2.3泄漏量的测试与分析 泄漏量是机械密封重要的性能参数。密封介质主 要通过端面摩擦副构成的径向间隙泄漏。本试验采用 量杯在规定时间和工况下,测量密封介质的泄漏量, 探讨泄漏量与转速、弹簧比压、介质压力间的关系。 2.3.1 转速对泄漏量的影响 泄漏量与速度之间基本上呈线性关系。随着转速 的增加,泄漏量增加,如图7所示。 2010年第2期 赫晓光等:船舶艉轴机械密封试验装置的设计及密封试验 97 f .量 吕 +弹簧比压0.10MPa. 二】 介质压力1.2 MPa 目 +弹簧比压0.15MPa. 介质压力0.8 MPa +弹簧比压0.20MPa。 互 24 介质压力0.4 MPa 基 20 50 1O0 150 200 250 3O0 Speed n/(r・min ) 图7转速对泄漏量的影响 Fig 7 Effect of rotary speed on leakage 2.3.2弹簧比压对泄漏量的影响 随着弹簧比压的增大,泄漏量迅速减小,但当弹 簧达到一定的程度时,泄漏量趋于稳定如图8所示。 泄漏主要由表面粗糙度、变形、振动等所形成的间隙 产生,此时端面微凸体接触面积较大,对闭合力不大 敏感,所以泄漏量变化不大。 f .毫 +转速60 r/arin. 介质压力1.2 MPa 昌 +转速120 r/arin。 介质压力0.8MPa +转速200 r/min. 互 介质压力0.4 MPa 嚣 图8弹簧比压对泄漏量的影响 Fig 8 Effect of speciifc pressure of spring on leakage 2.3.3介质压力对泄漏量的影响 转速180 r/rain, 弹簧压力1.0 MPa 转速120 r/min。 弹簧压力1.5 MPa 转速60 r/mln. 弹簧压力2.0MPa 0 0.4 0.8 1.2 1.6 Pressure ofsealed mediumpj/MPa 图9介质压力对泄漏量的影响 Fig 9 Effect ofpressure of sealed medium on leakage 图9示出了介质压力对泄漏量的影响。可以看 出,在弹簧比压较大情况下(P >l MPa),随着介质 压力的增加,端面总闭合力大于此时水膜开启力,两 端面间的接触面积增大,故泄漏量减小。 3 结论 (1)设计的船舶艉轴机械密封试验装置结构合 理,测试系统完整,其性能满足机械密封试验要求。 (2)在设计的机械密封试验装置上对合金(动 环)与青铜(静环)密封摩擦副进行了试验研究, 结果表明:随着转速、介质压力的增大,密封端面摩 擦因数逐渐减小,随着弹簧比压的增大,摩擦因数增 大;密封端面温度随转速、弹簧比压、介质压力的增 加而上升;随着转速的增加,密封泄漏量增加,在转 速一定情况下,随着弹簧比压、介质压力的增大,泄 漏量迅速减小。 参考文献 【1】彭旭东,王汝美.相态监控机械密封的研制和应用[J].石油 化工设备技术,1995,16(3):3O一3 3. 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