SM190型艉軸密封裝置漏水故障分析與排除

韓利昆，畢國(guó)穩(wěn)，張 凱

(1.92330部隊(duì)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(rùn)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(yán)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(duì)其進(jìn)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(yán)重?fù)p壞，最后不得不進(jìn)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(rùn)滑機(jī)械密封。該裝置由靜環(huán)總成、動(dòng)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(dòng)環(huán)總成包括動(dòng)環(huán)、動(dòng)環(huán)座、襯套、夾環(huán)等。靜環(huán)總成固定在船體艉軸管上，動(dòng)環(huán)總成通過夾環(huán)固定在艉軸上，并隨艉軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

密封裝置的工作原理是:安裝時(shí)給動(dòng)環(huán)總成彈簧一個(gè)預(yù)緊壓縮量，使動(dòng)環(huán)與靜環(huán)端面緊貼在一起，當(dāng)艉軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，動(dòng)環(huán)隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，與靜環(huán)端面產(chǎn)生相對(duì)摩擦，形成潤(rùn)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(shí)動(dòng)、靜環(huán)兩端面緊貼在一起，水同樣不能通過此端面。動(dòng)環(huán)座在襯套上可軸向自由滑動(dòng)，使動(dòng)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(bǔ)償艉軸軸向竄動(dòng)和安裝誤差?！癘”形膠圈的作用是防止水從動(dòng)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(jì)，機(jī)械密封為主密封，同時(shí)串聯(lián)設(shè)置了氣胎輔助密封，其工作原理是:當(dāng)機(jī)械主密封發(fā)生故障時(shí)，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(jìn)塢 (或上排)的情況下對(duì)密封裝置進(jìn)行檢查、修理和調(diào)整。該密封裝置工作時(shí)動(dòng)、靜環(huán)端面需要水潤(rùn)滑和冷卻。

該密封裝置的特點(diǎn)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(dòng)環(huán) (以下簡(jiǎn)稱橡膠動(dòng)環(huán))，組成一對(duì)硬/軟匹配的密封副。橡膠動(dòng)環(huán)邵氏硬度約76度，其優(yōu)點(diǎn)是彈性好適應(yīng)性強(qiáng)，缺點(diǎn)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(shí)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(yàn)

2臺(tái)密封裝置分解后發(fā)現(xiàn)，左密封裝置動(dòng)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(dòng)環(huán)座與襯套卡住不能相對(duì)滑動(dòng)，分解后看到動(dòng)環(huán)座與襯套配合面上積了一層水垢，厚度約0.2 mm。測(cè)量動(dòng)環(huán)座與襯套之間的距離L值為12 mm，從結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)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(dòng)環(huán)表面有磨損，但沒有產(chǎn)生燒損。但動(dòng)環(huán)座與襯套也卡住不能相對(duì)滑動(dòng)，表面積有水垢。測(cè)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(jì)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(shí)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(shí)間較長(zhǎng)，密封裝置長(zhǎng)時(shí)間不運(yùn)轉(zhuǎn)，動(dòng)環(huán)座與襯套配合面容量積起一層水垢，增加了相對(duì)滑動(dòng)的摩擦阻力，導(dǎo)致動(dòng)環(huán)座卡住失去彈性補(bǔ)償作用而漏水;②港區(qū)水淺泥沙含量較大，橡膠動(dòng)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(shí)忘了打開供水閥，使相對(duì)摩擦的動(dòng)、靜環(huán)端面得不到潤(rùn)滑和冷卻，造成動(dòng)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(duì)左密封裝置進(jìn)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(jì)壓縮量，只提到此值由服務(wù)人員現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)確定。實(shí)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?yàn)時(shí)測(cè)得的彈簧壓縮量δ為9 mm。調(diào)整后時(shí)間不長(zhǎng)，左密封裝置漏水更加嚴(yán)重。

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

圖2 動(dòng)環(huán)接觸形狀

如原理所述，動(dòng)環(huán)與靜環(huán)端面密封需保持一定的比壓，而橡膠動(dòng)環(huán)接觸面需要水潤(rùn)滑和冷卻，比壓小容易漏水，但潤(rùn)滑和冷卻好;比壓大密封性好，但潤(rùn)滑和冷卻差。圖2(a)為動(dòng)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(dòng)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(rùn)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?yàn)榻佑|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(shí)增大了彈簧壓縮量δ，使密封裝置比壓過大，接觸面潤(rùn)滑與冷卻不足，導(dǎo)致橡膠動(dòng)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(shí)采用氣胎進(jìn)行輔助密封，但動(dòng)態(tài)時(shí)又忘了給氣胎泄氣，結(jié)果在氣胎抱住艉軸情況下運(yùn)轉(zhuǎn)，使氣胎撕裂燒損。輔助密封氣胎充氣后絕對(duì)禁止艉軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

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(jì)算。

該密封裝置使用說明書沒有給出推薦比壓或設(shè)計(jì)彈簧壓縮量δ值，查閱眾多資料也沒發(fā)現(xiàn)有水潤(rùn)滑密封裝置橡膠動(dòng)環(huán)的推薦比壓。因其工作原理和使用條件與水潤(rùn)滑橡膠軸承相類似，我們借用了水潤(rùn)滑橡膠軸承比壓推薦值來計(jì)算。按照國(guó)際主流設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，水潤(rùn)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(dòng)環(huán)的接觸面正應(yīng)力為:

當(dāng) Pc=0.15 MPa時(shí)，得 δ=5.68 mm。

按照推薦的比壓0.1～0.15 MPa計(jì)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(dòng)環(huán)剖面圖

2)試驗(yàn)確定最佳彈簧壓縮量δ。

為了驗(yàn)證上述計(jì)算，并尋求最佳δ值，對(duì)密封裝置進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)。試驗(yàn)完全模擬實(shí)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(jì)算值，然后觀察試驗(yàn)情況并對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)判，其結(jié)果見表1。

表1 一組不同彈簧壓縮量δ值的試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)彈簧壓縮量δ為2.5～3.5 mm時(shí)，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(shí)，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(dòng)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(tái)架試驗(yàn)合格后再裝船。航行試驗(yàn)時(shí)，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(dòng)態(tài)時(shí)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(shí)踐，我們還總結(jié)出該型密封裝置幾點(diǎn)安裝調(diào)整經(jīng)驗(yàn):①調(diào)整應(yīng)使靜態(tài)時(shí)密封副之間不漏水，動(dòng)態(tài)時(shí)保證一定的泄漏量，大約20 mL/h最佳，這樣可以起到潤(rùn)滑和冷卻的作用，延長(zhǎng)動(dòng)環(huán)的使用壽命;②氣胎輔助密封只能在維修和調(diào)整時(shí)使用，氣胎處于充氣狀態(tài)時(shí)嚴(yán)禁轉(zhuǎn)動(dòng)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(yùn)輸時(shí)連接動(dòng)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(huì)使彈簧失去補(bǔ)償作用，導(dǎo)致異常泄漏。

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

［2］顧永泉.機(jī)械密封實(shí)用技術(shù) ［M］.機(jī)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(rùn)滑橡膠軸承的設(shè)計(jì)研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011.

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