韓利昆，畢國穩(wěn)，張 凱

(1.92330部隊裝備部，山東青島 266102;2.4808工廠威海修船廠，山東威海 264200)

0 前言

某污水接納船使用的SM190型水潤滑艉軸密封裝置，建造出廠2年后就開始異常漏水，其中左密封裝置漏水尤為嚴重。由于缺乏必要的技術(shù)資料，維修人員不能掌握該裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理，雖對其進行了多次調(diào)整，不但沒有解決問題，反而使漏水加劇，并使其中的輔助密封氣胎嚴重損壞，最后不得不進廠上排修理。

1 SM190型艉軸密封裝置結(jié)構(gòu)與原理

如圖1所示，SM190型艉軸密封裝置屬于外裝式平衡型水潤滑機械密封。該裝置由靜環(huán)總成、動環(huán)總成和水、氣管路3大部分組成。靜環(huán)總成包括密封座、氣胎和靜環(huán)等，動環(huán)總成包括動環(huán)、動環(huán)座、襯套、夾環(huán)等。靜環(huán)總成固定在船體艉軸管上，動環(huán)總成通過夾環(huán)固定在艉軸上，并隨艉軸轉(zhuǎn)動。

密封裝置的工作原理是:安裝時給動環(huán)總成彈簧一個預(yù)緊壓縮量，使動環(huán)與靜環(huán)端面緊貼在一起，當(dāng)艉軸轉(zhuǎn)動時，動環(huán)隨之轉(zhuǎn)動，與靜環(huán)端面產(chǎn)生相對摩擦，形成潤滑水膜，阻擋水從此端面通過，從而起到密封作用。艉軸靜態(tài)時動、靜環(huán)兩端面緊貼在一起，水同樣不能通過此端面。動環(huán)座在襯套上可軸向自由滑動，使動環(huán)在彈簧的作用下克服“O”形膠圈的阻力始終緊貼在靜環(huán)上，保證一定的比壓，并補償艉軸軸向竄動和安裝誤差?！癘”形膠圈的作用是防止水從動環(huán)座與襯套配合面之間泄漏。

該密封裝置采用冗余設(shè)計，機械密封為主密封，同時串聯(lián)設(shè)置了氣胎輔助密封，其工作原理是:當(dāng)機械主密封發(fā)生故障時，向氣胎充入一定壓力的壓縮空氣，氣胎膨脹周向抱住艉軸，起到應(yīng)急密封作用，然后可以在船不進塢 (或上排)的情況下對密封裝置進行檢查、修理和調(diào)整。該密封裝置工作時動、靜環(huán)端面需要水潤滑和冷卻。

該密封裝置的特點是，采用了滲氮的不銹鋼(1Cr18Ni9Ti)作為靜環(huán)，以橡膠為基體的高分子材料作為動環(huán) (以下簡稱橡膠動環(huán))，組成一對硬/軟匹配的密封副。橡膠動環(huán)邵氏硬度約76度，其優(yōu)點是彈性好適應(yīng)性強，缺點是能承受的比壓小，耐高溫能力差，在含泥沙的淺水中工作時耐磨性差。

圖1 SM190型艉軸密封裝置結(jié)構(gòu)圖

2 拆檢與勘驗

2臺密封裝置分解后發(fā)現(xiàn)，左密封裝置動環(huán)燒損，端面厚度減少約3 mm，端面中間部位有1條周向燒蝕溝槽，寬約8 mm，深1 mm，表面干硬，沒有橡膠應(yīng)有的彈性，說明已經(jīng)燒損改變特性。動環(huán)座與襯套卡住不能相對滑動，分解后看到動環(huán)座與襯套配合面上積了一層水垢，厚度約0.2 mm。測量動環(huán)座與襯套之間的距離L值為12 mm，從結(jié)構(gòu)尺寸計算得彈簧壓縮量δ=21－L=9 mm。靜環(huán)表面完好。氣胎內(nèi)環(huán)表面有陳舊性撕裂和燒損，說明損壞已久。

右軸密封裝置基本正常，動環(huán)表面有磨損，但沒有產(chǎn)生燒損。但動環(huán)座與襯套也卡住不能相對滑動，表面積有水垢。測得L值為16.5 mm，即彈簧壓縮量δ為4.5 mm。

3 原因分析

1)端面漏水原因分析。

該型密封裝置設(shè)計泄漏量為平均300 mL/h，符合GJB 2479－1997《艦艇艉軸管密封裝置通用規(guī)范》要求。據(jù)船員反映初始漏水時并不大，滴水不成線。分析該密封裝置初始漏水有幾方面原因:①該船任務(wù)是在港區(qū)接納污水，因而?？看a頭時間較長，密封裝置長時間不運轉(zhuǎn)，動環(huán)座與襯套配合面容量積起一層水垢，增加了相對滑動的摩擦阻力，導(dǎo)致動環(huán)座卡住失去彈性補償作用而漏水;②港區(qū)水淺泥沙含量較大，橡膠動環(huán)不抗泥沙磨損，異常磨損造成泄漏;③不排除密封裝置供水不足或不供水，常見的情況有管路、閥件堵塞，或工作時忘了打開供水閥，使相對摩擦的動、靜環(huán)端面得不到潤滑和冷卻，造成動環(huán)端面燒損而漏水。

漏水后船員使用氣胎輔助密封在水下對左密封裝置進行調(diào)整，按照使用說明書要求調(diào)整彈簧壓縮量，但說明書沒給出設(shè)計壓縮量，只提到此值由服務(wù)人員現(xiàn)場安裝時確定。實際操作過程是逐漸縮小L值，增大彈簧壓縮量δ，直至密封裝置不漏水?？彬灂r測得的彈簧壓縮量δ為9 mm。調(diào)整后時間不長，左密封裝置漏水更加嚴重。

為了弄清彈簧壓縮量增大后漏水更加嚴重的原因，重點對該密封裝置動、靜環(huán)比壓和接觸形狀加以仔細分析，如圖2。

圖2 動環(huán)接觸形狀

如原理所述，動環(huán)與靜環(huán)端面密封需保持一定的比壓，而橡膠動環(huán)接觸面需要水潤滑和冷卻，比壓小容易漏水，但潤滑和冷卻好;比壓大密封性好，但潤滑和冷卻差。圖2(a)為動環(huán)原始形狀，密封帶寬度b=13.5 mm。當(dāng)密封裝置在合適的比壓下，動環(huán)接觸形狀應(yīng)如圖2(b)所示，接觸寬度為Δb，接觸面之間能形成一層水膜，起到潤滑與冷卻作用。如果比壓過大，接觸形狀如圖2(c)所示，接觸寬度Δb=b，接觸面難以形成一層水膜，產(chǎn)生干摩擦并發(fā)熱和燒蝕，形成圖2(d)所示形狀。因為接觸面兩側(cè)有水和空氣冷卻，溫度分布呈中間高兩側(cè)低，最終形成內(nèi)凹燒蝕形態(tài)。由此可見，船員調(diào)整時增大了彈簧壓縮量δ，使密封裝置比壓過大，接觸面潤滑與冷卻不足，導(dǎo)致橡膠動環(huán)燒蝕，最終造成漏水加重。

2)氣胎撕裂燒損原因。

左密封裝置漏水加重后，船員為了控制漏水，靜態(tài)時采用氣胎進行輔助密封，但動態(tài)時又忘了給氣胎泄氣，結(jié)果在氣胎抱住艉軸情況下運轉(zhuǎn)，使氣胎撕裂燒損。輔助密封氣胎充氣后絕對禁止艉軸轉(zhuǎn)動。

4 密封裝置端面比壓及彈簧壓縮量確定

1)推薦比壓確定及彈簧壓縮量δ計算。

該密封裝置使用說明書沒有給出推薦比壓或設(shè)計彈簧壓縮量δ值，查閱眾多資料也沒發(fā)現(xiàn)有水潤滑密封裝置橡膠動環(huán)的推薦比壓。因其工作原理和使用條件與水潤滑橡膠軸承相類似，我們借用了水潤滑橡膠軸承比壓推薦值來計算。按照國際主流設(shè)計準則，水潤滑橡膠軸承推薦比壓Pc值為0.1～0.15 MPa。

根據(jù)胡克定律，橡膠動環(huán)的接觸面正應(yīng)力為:

當(dāng) Pc=0.15 MPa時，得 δ=5.68 mm。

按照推薦的比壓0.1～0.15 MPa計算，該密封裝置彈簧壓縮量應(yīng)為2.51 mm≤δ≤5.68 mm。

圖3 橡膠動環(huán)剖面圖

2)試驗確定最佳彈簧壓縮量δ。

為了驗證上述計算，并尋求最佳δ值，對密封裝置進行臺架試驗。試驗完全模擬實船條件和工況，艉軸工作轉(zhuǎn)速350 r/min，設(shè)置一組δ值，覆蓋了理論計算值，然后觀察試驗情況并對結(jié)果進行評判，其結(jié)果見表1。

表1 一組不同彈簧壓縮量δ值的試驗結(jié)果

試驗結(jié)果表明，當(dāng)彈簧壓縮量δ為2.5～3.5 mm時，密封裝置工作效果較好，滿足該型艇使用要求，當(dāng)δ=3 mm時，工作效果最佳。

5 故障排除結(jié)果

原因分析清楚后，后續(xù)的排故修理就水到渠成。更換了損壞的動環(huán)、氣胎及全部橡膠密封件，調(diào)整彈簧壓縮量為3 mm，經(jīng)臺架試驗合格后再裝船。航行試驗時，艉軸最高轉(zhuǎn)速350 r/min，冷卻水壓力0.045 MPa。左、右密封裝置靜態(tài)不漏，動態(tài)時略有水滴甩出， 泄漏量大約為16 mL/h。之后，該船艉軸密封裝置工作一直良好。

通過排故修理實踐，我們還總結(jié)出該型密封裝置幾點安裝調(diào)整經(jīng)驗:①調(diào)整應(yīng)使靜態(tài)時密封副之間不漏水，動態(tài)時保證一定的泄漏量，大約20 mL/h最佳，這樣可以起到潤滑和冷卻的作用，延長動環(huán)的使用壽命;②氣胎輔助密封只能在維修和調(diào)整時使用，氣胎處于充氣狀態(tài)時嚴禁轉(zhuǎn)動艉軸，使用完畢后，必須要放干凈氣胎里面的壓縮空氣;③工藝螺釘?shù)淖饔檬怯脕碚{(diào)節(jié)彈簧壓縮量δ，和運輸時連接動環(huán)座與襯套，調(diào)整完畢后應(yīng)拆除工藝螺釘并保管好，不拆除會使彈簧失去補償作用，導(dǎo)致異常泄漏。

［1］陳德才，崔德容.機械密封設(shè)計制造與使用［M］.機械工業(yè)出版社，1993.

［2］顧永泉.機械密封實用技術(shù) ［M］.機械工業(yè)出版社，2001.

［3］劉鴻文.材料力學(xué)I［M］.第4版.高等教育出版社，2007.

［4］劉建華，李文星.水潤滑橡膠軸承的設(shè)計研究［J］.機械設(shè)計與制造，2011.

［5］GJB 2479－1995，艦艇艉軸管密封裝置通用規(guī)范 ［S］.