某型艦船軸承密封裝（zhuāng）置防泄漏改進（jìn）設計（jì）研究

2012-06-11

作者：羅運同　楊青鬆　董作敬
（92854部隊）
　　摘　要：針對當前某型艦船主柴油（yóu）機輸出端、主軸支撐點（diǎn）及柴油發電機主軸等處（chù）軸承密封圈出現的嚴重泄漏潤滑油問題，分（fèn）析了泄漏原因，擬設計采用新（xīn）型多級（jí）泄壓式密（mì）封技術實驗型軸承密封圈以替換目前單級軸承密（mì）封裝（zhuāng）置，從（cóng）而達到防止軸承潤滑油泄漏的目的，並滿足現有軸承和軸係結（jié）構尺寸的情況下，實現無抽軸不解體修複與更換（huàn）。
　　0　引言
　　艦船軸承密封裝置大都以密封（fēng）圈的樣式固定於軸係（xì）上，作用是防止潤滑油泄漏以保證潤滑油對軸瓦的潤滑和冷卻效果，避免軸承溫度過高燒壞軸瓦，進而提高艦船的運行安全。其使（shǐ）用的密（mì）封材料通常有傳統填料、碳（tàn）素及橡膠（jiāo）等種類。據對國產某型（xíng）艦船的調研發現，該型艦船（chuán）主柴油機（jī）輸出端、主軸支撐點及柴（chái）油發電機（jī）主軸等處軸承密封圈存在嚴重漏泄潤滑（huá）油的現象且（qiě）多數在修理更新（xīn）密封圈後不久即出現不同程度的（de）潤滑（huá）油泄漏（該現象（xiàng）在（zài）同型艦中普遍（biàn）存在）。艦船軸承潤滑油（yóu）的非正常泄漏不僅（jǐn）僅造成潤滑油非正常耗損，汙染艦員（yuán）的工作環境，增大部隊日常維護保養和維修的難度，同時也會危及艦船本身的運（yùn）行（háng）安全，影響艦船的在航率（lǜ）和在航等級，嚴重時甚至會影響艦船的（de）戰鬥力發揮。這（zhè）種泄漏故障對於現代化艦船來（lái）說是不允許的，在對某型艦船艉軸中間（jiān）軸承密封潤滑油泄（xiè）漏調研過程中，我們了解到該型艦船柴油機、減速器（qì）軸承密封（fēng）均有潤滑油泄漏現象，在艦船高速行駛時，這種漏油現象更加嚴重（chóng），潤滑油從密封間（jiān）隙流出後（hòu）隨軸旋轉拋出，形成現場技（jì）術人員（yuán）稱（chēng）謂的“飛油現（xiàn）象”。並且這種泄漏現象在（zài）同類艦船中普遍存在，多數艦船在修理更新密封圈後不久又會出現潤滑油（yóu）泄漏。這種（zhǒng）泄（xiè）漏故障對於現代化艦船（chuán）來（lái）說是不允許的。因此，應急需對（duì）此進行針對性（xìng）研究，提出（chū）解決辦（bàn）法，采用高效（xiào）的軸封裝置，減少軸封對漏油及傳動效率的影（yǐng）響，徹底消除這一安全隱患。
　　1　軸承（chéng）密封裝置（zhì）泄漏的原（yuán）因分（fèn）析
　　潤滑油泄漏（lòu）主要是因該型艦動力係統運轉速度較高(1450r/min)、密封（fēng）件兩端壓差較大、密封件密封麵積較小以及密封件（jiàn）老化和磨損快等原因造成的。此外，艉軸（zhóu）振動加劇了密封件磨損，潤滑（huá）油供油壓力波動造成瞬間（jiān）流量增大從而形成來油飛濺和使艉軸（zhóu）軸頸表麵油膜較厚，尤其是在軸承（chéng）襯瓦口部位會形成很大的油（yóu）流，使潤滑油容易從磨損（sǔn）與振（zhèn）動造成的艉軸與密封圈之間間隙流出，形（xíng）成潤滑油泄漏油現象（xiàng）。通過現場調查和對（duì）原設計圖紙分析表明，某型艦（jiàn）船艉軸中間（jiān）軸承設計不太合理，例如目前采用單級密封（軸承兩端各隻（zhī）用了一個密封圈）就難以滿足艦船艉軸中間軸承密封要求。
　　分析中我們還注意到另外一（yī）個可能造成（chéng）潤滑油（yóu）泄漏的原因，潤滑油在軸承體內空氣中高速運動，會帶動空氣進入油（yóu）中形成油氣泡（pào），並且（qiě）油氣泡的行程可能超出了有（yǒu）密封實際間隙行程運行所（suǒ）允許的Z高油位，其設計在軸承兩端（duān）蓋的密封圈之（zhī）下（xià）。
　　2　軸承密封裝置的設計改進方（fāng）案
　　筆者針對（duì）上述泄漏故障原因，擬采用“多（duō）級泄壓式密封技術”實驗型（xíng）軸承密封圈，並在無需（xū）抽軸等大程度的（de）解體工作環境下通過降（jiàng）低密封件兩（liǎng）端壓差達到減少潤滑油泄漏效果，同時將殘餘泄露的潤滑油流回油箱以達到（dào）軸封防泄漏（lòu）的目的。具體的主要技術指標：“多級泄壓式密封（fēng）技術”實驗（yàn）型軸承密封圈可在主軸原位免拆狀態（tài）下進行更換並在正（zhèng）常運行兩年周期內無非正（zhèng）常泄漏潤滑油事故。具體研究內容如下。
　　2.1密封材料選配（pèi）和密封圈（quān）性能（néng）優化研究
　　針對艦船工作（zuò）條件與外部環境及零直徑密封膠圈現存不足，選配或研製一種新的（de）更適合艦船艉（wěi）軸（zhóu）中間軸承密封膠（jiāo）圈。
　　密封材料（liào）選（xuǎn）配研究主要采用實驗研究的方法。選擇幾組具有（yǒu）良好彈性、抗老化性和耐磨性材料，製成有（yǒu）磨損自補（bǔ）償功能、合理接觸麵的密封膠圈，進行針對性耐磨損和密（mì）封性能（néng）試驗，優選適合艦（jiàn）船艉軸中間軸承密封膠（jiāo）圈，密封材（cái）料技（jì）術主要是利（lì）用目（mù）前國內現有的成熟技術（shù），並根據需要在此基礎上提高以滿足要求。這主要是（shì）鑒於（yú）該項技術是一個專項技術，需要較長時間的專門研（yán）究。
　　密封件的結構和受力變形研究主要采用有限元分析（xī）方法，為（wéi）結構（gòu）設計提供依據。采用設計分析和實驗方法降低摩擦麵的壓力、減小摩擦磨損。密封件的抗磨性能與壽命研究也主要是采用實驗研究方法。通過（guò）對多種密封材（cái）料進行實驗比較，采用逐步優化的方法選擇合適的軸承密封膠圈。
　　密封順序、材料（liào）以（yǐ）及附加設備的選擇取決於不同的參數。待密封介質的壓力和溫度以及待（dài）密封軸的直徑和（hé）轉數在設計中是考慮功能安全性的重要參（cān）數。為了進行評估，經常（cháng）會把產（chǎn）品（pǐn）的壓力（lì）和密封麵（miàn）的粗糙度作為評估值（zhí）。其他的邊緣條件包括安裝環（huán）境、產品特性，例如化學侵蝕、結塊傾向和（hé）固體部件。這針對於固體含量高的產品或泥漿（jiāng），對密封設計起著基礎作（zuò）用。
　　2.2軸承密封（fēng）結構的研製
　　圖1是現（xiàn）有某型艦船艉軸中間軸承密封係統示（shì）意圖，這種單級密封密封效果不理想，軸承潤滑油泄漏比（bǐ）較嚴重（chóng）。圖2是在滿足軸係結構尺寸的前提下，擬新（xīn）開發艉軸中間軸承密封係統構想，新係（xì）統采用二級密封加擋油（yóu）環結構，新（xīn）加擋油環可以部分阻止油箱內潤滑油沿軸表麵滲出密封形成泄漏。如果級密封出現泄漏（lòu），潤滑油（yóu）會進入二個密封間（jiān）的腔內，由於腔底部設有泄油回路，泄漏的潤滑油不會在腔內形成（chéng）壓力，第（dì）二級密封基本不（bú）會出現漏油現象。
　　可以看出，多級泄壓密封降低了（le）易損件的損壞程度，延長了（le）使用（yòng）壽（shòu）命，其（qí）密封采用（yòng）1個正壓橡膠環，
　　1個負（fù）壓橡（xiàng）膠環。當（dāng）介質經過密封時，級橡膠密封將介質封住，即便有少許介質（zhì）通過級橡膠圈後，第二級橡膠圈發揮作用，外界壓力大於軸封內的壓力，在內外界壓差（chà）的作用下，兩級密封圈同時發（fā）揮作用將橡（xiàng）膠圈牢牢地壓在主軸上麵，起到了密封效（xiào）果（guǒ）；當軸承運轉時軸封內（nèi）的壓力大於大氣壓力，一級密封圈發揮作用，進（jìn）入（rù）密封圈油封1中的潤滑油產生的泄漏壓力轉換（huàn）為動能對橡膠圈做功，將密封圈油封2牢牢地壓在主軸上（shàng），起到了密封效果。因此多級密封是利用（yòng）液體壓差的（de）作用，通過二次密封元件來實現的，而不是靠（kào）填料擠壓或者彈簧作用（yòng）實現密封要求的，且可根據壓力及結構要求，還可以添加（jiā）橡膠（jiāo）圈實現多級密封配合（hé），從而大大延長密（mì）封的使用壽命，避免密封的更換頻繁，起到（dào）較好的密封效果。
　　3　多級泄壓式軸承密封裝置使用後的效果評估
　　多級密封的結構，在離主軸較遠的橡膠圈處壓（yā）力較大，大於外界流體的作用力。並且該密封沒有旋轉部（bù）件，與轉動軸（套）接觸（chù）部分（fèn）為彈（dàn）性材料，不會造成轉動部件的振動和損壞。因此大大降低了檢修（xiū）頻率，節約了（le）成本（běn）。與傳統（tǒng）密封和單級密封（fēng）相比，它沒有使用填料，也沒有采用彈簧密封，避免了填料鬆動或者彈簧失（shī）效造成的泄（xiè）漏現（xiàn）象。
　　多級泄壓式軸承密封裝置設計改進項目技術是現（xiàn）有（yǒu）成熟技（jì）術的（de）組合，密封圈耐磨性和磨損自補性（xìng）能有效提高現在密封件的密封（fēng）效果和（hé）使用壽命。二級泄（xiè）壓式密封結構將少量泄漏潤滑油通過增設（shè）的油路回流入軸（zhóu）承（chéng）潤滑油箱體，保證了潤滑油不（bú）外泄。
　　此項技術有一定的先進性。根據艦船艉軸中間軸傳動係統的要求，研（yán）製開（kāi）發高速、低摩擦（cā）磨損、長壽命的軸承密封係統，軸承密封（fēng）結構符合艦船結構要求，滿足線速度25~30m/s、Z終達到較長壽命，Z低可達到該型（xíng）艦船的1個中修周期。“多級泄壓式密封係統”能（néng）有效防止艦船（chuán）中間軸軸承漏（lòu）油事故的（de）發生（shēng），研究成（chéng）果不僅可以（yǐ）作為艦船維修改造技術，也可以指導艦船設計製造技術的改進。同時，研究成果對民用船舶軸（zhóu）承漏油維修（xiū）也（yě）有指導意義。
　　4　結束語
　　通過以上論述（shù）並結合實驗可以初步得出結論（lùn），“多（duō）級泄壓式（shì）密封係統”能夠明顯克服某（mǒu）艦船目前的單級軸承密封（fēng）裝置的各項不足，集抗泄漏（lòu）、抗老化、抗（kàng）磨損等眾多優點於一體，並滿（mǎn）足現有軸承和軸係結構（gòu）尺寸的情況下，實現無抽軸不解（jiě）體修複與更換。隻（zhī）要（yào）實（shí）際加工工藝滿足設計需求，確實能夠真正、穩定（dìng）、有（yǒu）效地將艦船軸承密封（fēng）裝置漏泄問（wèn）題得以根本解決，使得艦船運行安全得到（dào）Z大限度的保證。這種新型、節（jiē）能、平穩、高效（xiào）且環（huán）保的軸承密封裝置必將是未來艦（jiàn）船各類軸承密封係統發展的必然趨勢。
來源：《中國修船》
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