摘 要

随着世界经济与科技的不断进步，人们对海洋的认识更加深入的同时，对海洋资源的争夺也越来越激烈，世界各国也争相投入大量的人力财力用于海洋资源的开发以及船舶、军备的研发。我国是一个海洋资源大国然而却并不是一个海洋强国，为了更好地保护我国的资源，国家投入了大量的精力进行军舰、潜艇研发制造。在潜艇的研发制造中影响潜艇性能的一个重要因素就是潜艇尾轴的密封装置。

本文以潜艇尾轴密封装置作为研究对象，开展了密封装置模型的建立，同时对密封装置的主要零部件进行分析。

1. 明确尾轴及尾轴管的具体结构及密封装置的工作环境和工作形式，对尾轴部分的密封装置有一个初步的认识。
2. 熟悉国内外尾轴密封装置的研究现状，对现有的密封装置类型进行归纳整理并对其优缺点及适用环境作详细的分析。
3. 结合潜艇工作性能要求以及深水密封的工作环境，选择适合的密封装置。
4. 根据本项目潜艇尾轴的轴径及密封装置整体尺寸和工作性能要求确定该密封装置各零部件的详细尺寸及配合方式。
5. 利用AutoCAD软件绘密封装置的二维图形；在solidworks软件上进行整个装置的三维建模。
6. 基于有限元，在ANSYS软件上对主要零部件进行静力学分析和热力学分析计算。

关键词：潜艇；尾轴；密封装置；有限元分析

Abstract

With the development of the world economy and the technology, people have a deep research on the sea.Thus ,competition for marine resources is becoming more and more fierce .Countries around the world are scrambling to invest a lot of human resources for the development of the marine resources and the army equipments.Our country has maritime power in area but not in strength. In order to protect our ocean resources better,the country invested a lot of energy for the development and manufacture of warships and submarines. An important factor which influence the performance of submarine is the submarine propeller shaft sealing device.

This essay is based on the submarine propeller shaft sealing device , launched on sealing device model, and analyze the main sealing components of the sealing device.

1) Illustrate the propeller shaft and the specific structure of stern tube and sealing device of the working environment and working form,and has a preliminary understanding of the shaft part of the sealing device.

2) The research status of stern shaft sealing device at home and abroad,make a detailed analysis on the advantages and disadvantages and the suitable environment of the the existing types of sealing device.

3) Select the appropriate sealing device in the condition that combination of submarine work performance requirements and deep water seal work environment.

4) According to the project of submarine propeller shaft diameter of axle and seal the overall size and performance requirements determine the detailed dimension of parts of the sealing device and cooperate.

5) Use AutoCAD software drawing 2d graphics of the sealing device; The entire unit in solid-works software of three-dimensional modeling.

6) Based on finite element analysis in ANSYS software on the static analysis and thermal analysis was carried out on the main components.

Key Words：submarine; stern shaft; sealing device; finite element analysis

第1章 绪论

1.1 选题目的

近年来，随着船舶行业的高速发展，对舰船尾轴密封装置的要求也越来越高。船舶尾轴密封装置是船舶轴系的主要零部件之一，其性能的好坏直接影响到船舶的正常营运和航行期间的经济性。与此同时，性能良好的密封装置对防止水域污染、保护环境起着十分重要的作用。因为船舶防污染要求的更加严格和船舶大型化、现代化及深水作业等所造成的密封装置损坏事故的不断发生，国内外造船业和航运部门对其可靠性、可维修性等提出了更严格的要求。

而潜艇不同于水面舰船，一旦密封装置发生损坏失去作用，特别是在水下深度很大时，就很有可能在短时间内造成潜艇的沉没。尾轴的密封装置对潜艇的性能具有极其重要的影响，一旦发生事故，将对潜艇造成不可估量的后果。潜艇的尾轴密封装置通常由端面密封、修理密封以及应急密封三个基本单元组成。在密封装置正常工作时，它们负责潜艇从水上到水下及各种工作环境下的密封任务，因此，世界各国投入较大的人力财力对尾轴密封进行研究。

1.2 国内外研究现状

目前尾轴密封装置的发展现状：在早期，因为螺旋桨功率小、转速低、轴径小，所以大都采用水润滑轴承。这时为了防止海水腐蚀就必须在尾轴的表面包覆铜套并选取铁梨木、层压板、塞龙和合成橡胶等作为轴承材料，这些材料制造工艺复杂，且摩擦系数都较大，加上泥沙等的影响，不仅造成功率损耗，还使尾管轴承和铜套磨损加剧，导致间隙变大并且进一步加速磨损，甚至产生振动和明显的穴蚀现象，缩短使用寿命。

随着柴油机功率逐步提高和轴径的加大，油润滑尾轴承逐步得到了应用，它的优点是磨损少、摩擦功率小、使用寿命长。但如何确保润滑油能有效地密闭在轴承区而不向舷外及机舱泄漏就成了问题的关键，因为漏油不仅增加油耗，造成润滑效果不佳，还会污染海面。因此，舰轴轴封的型式和性能自然也随之受到了广泛的关注。目前，在大中型船舶的尾轴密封上广泛采用的是唇形橡皮环式密封装置，并以SIMPLEX型最为显著。

尾轴密封装置国内主要生产厂家有：重庆江南机械制造有限公司和东台船配有限公司等。重庆江南机械制造有限公司的主要产品：水润滑橡胶轴承；船舶尾管白合金轴承；密封装置（STS-A型水润滑尾轴密封装置，STS-B型水润滑尾轴密封装置；BTC填料密封装置）。东台船配有限公司的主要产品：SM/SMB型水润滑尾轴密封装置（轴向串动≤1mm时，可选用SM型；轴向串动≤±3mm及转速较高时可选用SMB型）；SMA-II型/IIB型/SMC型水润滑端面密封装置（该装置适用于尾轴直径及轴向串动较大且以水作为润滑介质的各类船舶）。

国外的生产厂家主要有：日本神户制钢所（KOBELCO），英国深海密封公司组合式密封，德国Blohm Voss AG公司的辛泼莱克斯型密封（SIMPLEX SC2000）装置，日本海洋株式会社。

日本神户制钢所的主要产品为CX和DX型密封（属于泄露处理型密封装置，即被动密封）。CX型密封主要有3道橡胶环，1~2两环作用是防止海水侵入，2~3环之间为油室，与船内的油槽及回油槽通过管路相连接，其压力相对海水压力和尾轴管油压较低，密封的性能下降时，舷外的海水和尾管内的润滑油会汇集到2~3环间的油室内，经过管道被收集到船内。

DX型密封装置除了与CX型一样设有3道密封环之外，还在船舶尾管端设有1道4号备用环，一般情况下，3~4环之间的油压和尾管内的油压保持一致，因此处于无载荷状态；当第3号密封环密封失败发生漏油时，关闭3~4环之间供油管上的两个阀门，使4号环开始密封工作，这样就能保持安全地航行。

英国深海密封公司组合式密封主要产品是机械端面密封与橡胶唇形密封相结合的组合式密封装置（为泄漏处理型产品）。

德国Blohm Voss AG公司的辛泼莱克斯型密封（SIMPLEX SC2000）装置分为整体式和剖分式两种。

日本海洋株式会社的密封装置主要是AIRGUARD 3AS“气舷台”密封。

潜艇尾轴密封装置技术性能的核心是潜艇的深潜能力,表现为密封装置在潜艇极限下潜深度时，对应潜艇尾轴运转工况恶劣时的密封性能。潜艇尾轴密封装置的技术和性能还应该包括：良好的应急能力，简便的操作和维护，较低的摩擦功率损耗及运转噪音。

在研究的早期，尾轴密封装置的结构形式沿袭之前引进的苏联设备，采取一道机械端面密封作为主密封，尾轴方向串联设置冗余设计的皮碗防砂装置作为辅助密封，填料密封装置作为应急密封。上世纪末期，我国开始某型常规动力潜艇的建造，借鉴并且吸收国外密封装置结构及性能上的优点，在广泛研究学习的基础上,结合我国海域的实际情况,进行了充分的分析论证，最终在结构上仍采用冗余设计，在保留某型密封装置中皮碗防砂、填料密封装置及其性能的基础上，增加一道剖分式气胎密封作为应急辅助密封。为了适应部队日益提高的使用性能要求，潜艇尾轴密封将向双端面密封、整体安装结构发展。采用双端面密封的结构形式，可以更好的提升装置密封的耐压压力提高可靠性能。而整体安装式结构的采用，能够克服现有密封装置散件安装过程的繁琐和调整、维护困难的缺点。可以预见，未来在结构上将继续采用冗余设计以保证装置的可靠性能。

1.3 研究目的

船舶尾轴密封装置的工作条件十分恶劣。在工作时，除了受到强烈磨损和高温摩擦的作用外，尾轴承还存在着安装间隙、极限间隙和推力轴承的轴向间隙，当轴承出现磨损后，轴及密封元件会产生剧烈的径向跳动；还受到正倒车时轴的轴向窜动影响，并且要经受海水的腐蚀和泥沙的磨刷、压力差的作用，螺旋桨悬臂不均匀载荷作用等。加之整个密封装置又在水线以下工作，不便于拆装维修。一旦发生故障，就迫使船舶必须停止航行上坞检修，影响运作，因此在设计选型时，要求考虑尾轴密封装置选材容易、性能可靠、维修方便等因素。

在综合了国内外关于潜艇尾轴密封装置的研究现状之后，总结出需要研究的尾轴密封性能经主要有如下几项：

1. 端面温升—指主要起密封作用的动静环接触面的温度与密封介质两者之间温度的差值。这个差值可以说明摩擦副的工作情况，温度太高可能引起摩擦副间密封介质的气化、动静环变形等情况。
2. 泄漏量—在单位时间内通过动静环接触面（即密封面）所泄漏的密封介质的多少的量度。泄漏量是整个尾轴密封装置中最重要的性能参数。泄漏量的大小能够直接反映出该密封装置密封效果的好坏。当密封装置的实际泄漏量达到或超过理论情况下的250倍时，认为该密封失效。
3. PV值—PsV（密封介质压力）、P_bV（端面比压）、PcV（接触比压与端面平均圆周速度的乘积）。
4. 冲洗量—单位时间内进出该密封装置的密封介质的流量。冲洗量越大，密封接触面的冷却效果越好。
5. 磨损率—即单位时间内的磨损量。能够大致反映出密封环的使用寿命。

列举出的这五个参数是尾轴密封性能分析时的主要参考，其他有些参数不适合做深入的分析，不能直观的反映尾轴密封装置的密封性能。现有的国际在技术理论方面的研究主要是基于温度场和变形量分析耦合场。就发展研究情况而言，目前可以分析的主要参数有密封端面的变形情况、密封端面之间的应力、对流换热系数、温度和端面比压。

1.4 技术路线