大型船用柴油机填料函结构分析与设计(附件)
摘 要摘 要船舶柴油机结构复杂，形式多种多样，其内部有一个非常重要的装置，那就是活塞杆填料函。本文主要针对填料函的功能和作用，通过改进刮油和密封元件等重要装置，来减少各零部件之间的磨损，提高柴油机的工作效率，从而完成对填料函整体的结构设计和优化。论文，首先阐述了国内外填料函的研究现状，并对我国填料函的研究发展历程进行了详尽的介绍。然后，根据大型船用填料函的结构设计要求及所需实现的功能，设计出较之前更为合理的填料函结构。其次，进行了填料函的主要结构部件设计，包括填料函的两半壳体，密封环，刮油环，最上刮油环，弹簧，法兰底座等关键结构，运用Pro/Engineer对其结构进行三维建模。最后，应用有限元软件ABAQUS对填料函壳体进行有限元分析，确定方案的可行性和合理性。关键词：填料函；结构优化；三维建模；有限元分析目 录
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 国内外填料函的研究现状 1
1.2.1国内填料函的研究现状 1
1.2.2国外填料函的研究现状 2
1.3 课题的目的和意义 2
1.4 本课题主要研究内容 3
第二章 大型船用柴油机填料函总体方案设计 4
2.1 引言 4
2.2 大型船用柴油机填料函的功能 4
2.3 大型船用柴油机填料函的设计要求 4
2.4 大型船用柴油机填料函总体方案设定 5
2.5 填料函主要零件的具体参数设计 8
2.6 本章小结 13
第三章 填料函主要结构的三维模型设计 14
3.1 引言 14
3.2 填料函三维模型 14
3.3 壳体 14
3.4 密封环 15
3.5 刮油环 16
3.6 最上刮油环 17
3.7 法兰底座 18
3.8 本章小结 18
第四章 填料函壳体的有限元分析 19
4.1 引言 19
4.2 ABAQUS总体介绍 19
4.3 ABAQUS的主要模块 19
4.4
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3.4 密封环 15
3.5 刮油环 16
3.6 最上刮油环 17
3.7 法兰底座 18
3.8 本章小结 18
第四章 填料函壳体的有限元分析 19
4.1 引言 19
4.2 ABAQUS总体介绍 19
4.3 ABAQUS的主要模块 19
4.4 分析目的和要求 19
4.5 基本假设 19
4.6 计算输入 20
4.6.1模型导入 20
4.6.2模型描述 20
4.6.3创建材料和截面属性 21
4.6.4设置分析步和输出变量 22
4.7 计算过程 23
4.7.1有限元模型 23
4.7.2网格划分 23
4.8 定义相互作用 24
4.8.1定义接触 24
4.8.2定义绑定约束 25
4.9 定义边界条件和载荷 26
4.10后处理 29
4.11计算结果及分析 31
4.12本章小结 32
结 论 33
致 谢 34
参考文献 35
第一章 绪论
1.1 引言
作为全球最大的发展中国家，中国的海洋运输业一直相当繁荣，船舶也在民用和商业运输中起到至关重要的作用；在海洋民用和商用船舶中，柴油机是其主要的动力源，对海洋运输的影响巨大。
船舶柴油机构造复杂，形式多种多样，但按其架构特点可分为两大类。一类是筒形活塞式柴油机，它包括三大部分：固定部件、运动部件和配气部件，这种结构多应用于中、小型柴油机。另一类是十字头式柴油机，它们在总体结构上的最大区别是在活塞与连杆之间增加了一个十字头和活塞杆。这种结构的好处是，在运动中，活塞与气缸间不存在侧推力，而是由导板和十字头来承受侧推力，这样就会使活塞与气缸间的摩擦减小很多。此类结构多用于大型柴油机。由上述可知，活塞杆在两种船舶柴油机中作用明显，提到活塞杆就不得不提及活塞杆填料函。它是位于扫气箱底部活塞杆孔中的密封装置，作用是密封气缸扫气空气、刮去活塞杆上面的油污和分隔气缸与曲轴箱。从某种意义上来说，填料函的好坏直接影响着柴油机的效率，进而影响船舶的动力。
1.2 国内外填料函的研究现状
1.2.1国内填料函的研究现状
目前，在填料函的结构设计及优化领域，国内知名学者一直致力于分析研究，并在相关方面取得了一定的成果。
1999年,杨禹华通过对工业离心泵中密封填料函与轴套这一对摩擦付的摩擦分析，结果证明，所复合的密封填料是一种润滑性能、耐磨性能和密封性能都很理想的的密封填料函。
2006年,赵虹辉“在浅析液压缸活塞杆密封泄露原因及改进方法”一文中，总结了液压缸的工作条件和适当密封件选择的改进可以有效的防止液压缸活塞杆泄露，对之后有效解决填料函的密封性有很大的借鉴意义。
2011年,鄂辉、许永俊和杜德斌等人在“浅谈压缩机填料函的种类”一文中，介绍了压缩机填料函的功能并系统性阐述了通用填料函的作用。
2012年，兰州理工大学机械工程学院的常军和李玉明采用国际上较前沿的帽式密封结构对活塞杆进行密封，并建立帽式密封件接触压力数学模型，证明了帽式密封结构的可靠性。并使用传统方式，针对填料函密封存在的一些问题和缺点做了详细说明。最后，设计了一种无油润滑活塞杆密封，攻克了现有组件密封的技术困难，阻力大，能耗大，不能自动补偿磨损造成使用寿命短的难题。
2013年，陈辉、王宗涛和崔建辉在期刊《浅论SULZERTA48主机填料函的改装》中提出：SULZERTA48型船舶主机活塞杆磨损接近极限时将导致填料函漏气、滑油异常消耗。使用新型聚合材料制成的密封环，保持良好的密封性、耐磨性，使之与活塞杆更好的磨合，实践效果良好并可推广使用。此种方法的实践，说明船舶柴油机填料函在实际应用过程中出现的问题对填料函的理论研究有相当大的导向作用。
1.2.2国外填料函研究现状
目前，国外研究人员对填料函的研究不仅仅局限于其结构设计，更是注重对其内部的零件环的材料选择，因为材料的抗磨损程度、刮油性等性能往往影响填料函的泄露。此外，国外活塞杆填料函在其它一些方面的研究对我们也有很大的借鉴意义。
1.3 课题的目的和意义
填料函作为柴油机内部的重要装置，在实际生产过程中，由于填料函和活塞杆存在长时间地相对往复运动和环的径向运动，使刮油环、密封环的内圆面产生磨损、刮痕和断面损耗，从而使各部位环与环槽之间的间隙超过生产的规定值时，填料函将失去其本身的功能。
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 国内外填料函的研究现状 1
1.2.1国内填料函的研究现状 1
1.2.2国外填料函的研究现状 2
1.3 课题的目的和意义 2
1.4 本课题主要研究内容 3
第二章 大型船用柴油机填料函总体方案设计 4
2.1 引言 4
2.2 大型船用柴油机填料函的功能 4
2.3 大型船用柴油机填料函的设计要求 4
2.4 大型船用柴油机填料函总体方案设定 5
2.5 填料函主要零件的具体参数设计 8
2.6 本章小结 13
第三章 填料函主要结构的三维模型设计 14
3.1 引言 14
3.2 填料函三维模型 14
3.3 壳体 14
3.4 密封环 15
3.5 刮油环 16
3.6 最上刮油环 17
3.7 法兰底座 18
3.8 本章小结 18
第四章 填料函壳体的有限元分析 19
4.1 引言 19
4.2 ABAQUS总体介绍 19
4.3 ABAQUS的主要模块 19
4.4
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
3.4 密封环 15
3.5 刮油环 16
3.6 最上刮油环 17
3.7 法兰底座 18
3.8 本章小结 18
第四章 填料函壳体的有限元分析 19
4.1 引言 19
4.2 ABAQUS总体介绍 19
4.3 ABAQUS的主要模块 19
4.4 分析目的和要求 19
4.5 基本假设 19
4.6 计算输入 20
4.6.1模型导入 20
4.6.2模型描述 20
4.6.3创建材料和截面属性 21
4.6.4设置分析步和输出变量 22
4.7 计算过程 23
4.7.1有限元模型 23
4.7.2网格划分 23
4.8 定义相互作用 24
4.8.1定义接触 24
4.8.2定义绑定约束 25
4.9 定义边界条件和载荷 26
4.10后处理 29
4.11计算结果及分析 31
4.12本章小结 32
结 论 33
致 谢 34
参考文献 35
第一章 绪论
1.1 引言
作为全球最大的发展中国家，中国的海洋运输业一直相当繁荣，船舶也在民用和商业运输中起到至关重要的作用；在海洋民用和商用船舶中，柴油机是其主要的动力源，对海洋运输的影响巨大。
船舶柴油机构造复杂，形式多种多样，但按其架构特点可分为两大类。一类是筒形活塞式柴油机，它包括三大部分：固定部件、运动部件和配气部件，这种结构多应用于中、小型柴油机。另一类是十字头式柴油机，它们在总体结构上的最大区别是在活塞与连杆之间增加了一个十字头和活塞杆。这种结构的好处是，在运动中，活塞与气缸间不存在侧推力，而是由导板和十字头来承受侧推力，这样就会使活塞与气缸间的摩擦减小很多。此类结构多用于大型柴油机。由上述可知，活塞杆在两种船舶柴油机中作用明显，提到活塞杆就不得不提及活塞杆填料函。它是位于扫气箱底部活塞杆孔中的密封装置，作用是密封气缸扫气空气、刮去活塞杆上面的油污和分隔气缸与曲轴箱。从某种意义上来说，填料函的好坏直接影响着柴油机的效率，进而影响船舶的动力。
1.2 国内外填料函的研究现状
1.2.1国内填料函的研究现状
目前，在填料函的结构设计及优化领域，国内知名学者一直致力于分析研究，并在相关方面取得了一定的成果。
1999年,杨禹华通过对工业离心泵中密封填料函与轴套这一对摩擦付的摩擦分析，结果证明，所复合的密封填料是一种润滑性能、耐磨性能和密封性能都很理想的的密封填料函。
2006年,赵虹辉“在浅析液压缸活塞杆密封泄露原因及改进方法”一文中，总结了液压缸的工作条件和适当密封件选择的改进可以有效的防止液压缸活塞杆泄露，对之后有效解决填料函的密封性有很大的借鉴意义。
2011年,鄂辉、许永俊和杜德斌等人在“浅谈压缩机填料函的种类”一文中，介绍了压缩机填料函的功能并系统性阐述了通用填料函的作用。
2012年，兰州理工大学机械工程学院的常军和李玉明采用国际上较前沿的帽式密封结构对活塞杆进行密封，并建立帽式密封件接触压力数学模型，证明了帽式密封结构的可靠性。并使用传统方式，针对填料函密封存在的一些问题和缺点做了详细说明。最后，设计了一种无油润滑活塞杆密封，攻克了现有组件密封的技术困难，阻力大，能耗大，不能自动补偿磨损造成使用寿命短的难题。
2013年，陈辉、王宗涛和崔建辉在期刊《浅论SULZERTA48主机填料函的改装》中提出：SULZERTA48型船舶主机活塞杆磨损接近极限时将导致填料函漏气、滑油异常消耗。使用新型聚合材料制成的密封环，保持良好的密封性、耐磨性，使之与活塞杆更好的磨合，实践效果良好并可推广使用。此种方法的实践，说明船舶柴油机填料函在实际应用过程中出现的问题对填料函的理论研究有相当大的导向作用。
1.2.2国外填料函研究现状
目前，国外研究人员对填料函的研究不仅仅局限于其结构设计，更是注重对其内部的零件环的材料选择，因为材料的抗磨损程度、刮油性等性能往往影响填料函的泄露。此外，国外活塞杆填料函在其它一些方面的研究对我们也有很大的借鉴意义。
1.3 课题的目的和意义
填料函作为柴油机内部的重要装置，在实际生产过程中，由于填料函和活塞杆存在长时间地相对往复运动和环的径向运动，使刮油环、密封环的内圆面产生磨损、刮痕和断面损耗，从而使各部位环与环槽之间的间隙超过生产的规定值时，填料函将失去其本身的功能。
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