艉軸密封裝置密封失效機(jī)理及對(duì)策

郭 毅

(海軍駐武漢461廠(chǎng)軍事代表室，湖北武漢 430084)

1 某型艉軸密封裝置的結(jié)構(gòu)及功能

國(guó)產(chǎn)某型艉軸密封裝置的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，主要由機(jī)械密封裝置、氣胎密封裝置、皮碗密封裝置及碳纖維填料密封裝置組成。皮碗密封、氣胎密封、機(jī)械密封及填料密封按從舷外到舷內(nèi)的順序串聯(lián)安裝在一起，其中機(jī)械密封是正常狀態(tài)下使用的密封裝置，屬主密封，氣胎密封和填料密封是非正常狀態(tài)下使用的應(yīng)急密封裝置。

圖1 某型艉軸密封裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

機(jī)械密封裝置主要是由動(dòng)環(huán)8、靜環(huán)9、動(dòng)環(huán)夾圈5、固定夾圈3、矩形橡膠環(huán)7等零件組成，其功用是在艉軸正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、不轉(zhuǎn)以及沖擊振動(dòng)的動(dòng)態(tài)下，均能可靠地阻止海水從艉軸和船體處進(jìn)入艙內(nèi)。艉軸通過(guò)固定夾圈、動(dòng)環(huán)夾圈帶動(dòng)動(dòng)環(huán)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，靜環(huán)通過(guò)艉軸密封殼體與船體連成一體，動(dòng)環(huán)與靜環(huán)的磨擦端面即構(gòu)成一對(duì)動(dòng)密封端面。要保證可靠地動(dòng)態(tài)密封就要有2個(gè)方向的補(bǔ)償，即軸向補(bǔ)償與垂直度補(bǔ)償，因?yàn)檎?chē)、倒車(chē)有軸向位移的變化，主密封的磨損及推力軸承的推力塊的磨損等也會(huì)造成軸向位移的變化;船體在使用中的變形和軸承的磨損都會(huì)造成與船體相連的靜環(huán)密封端面相對(duì)艉軸軸線(xiàn)的垂直度的發(fā)生變化。該裝置在設(shè)計(jì)上采取了如下補(bǔ)償措施，動(dòng)環(huán)的軸向補(bǔ)償是通過(guò)動(dòng)環(huán)夾圈可沿鍵作軸向移動(dòng)，靠彈簧4、將動(dòng)環(huán)始終壓在靜環(huán)上，使動(dòng)環(huán)能對(duì)艉軸軸向位移的變化進(jìn)行軸向補(bǔ)償;動(dòng)環(huán)的垂直度補(bǔ)償是利用橡皮環(huán)8的彈性、銷(xiāo)6、彈簧4與動(dòng)環(huán)定位槽之間的間隙使動(dòng)環(huán)密封端面貼緊在靜環(huán)密封端面上，使動(dòng)環(huán)密封端面與艉軸軸線(xiàn)的垂直度同靜環(huán)密封密封端面與艉軸軸線(xiàn)的垂直度始終保持一致，即對(duì)艉軸軸線(xiàn)與艉軸密封裝置端面的垂直度進(jìn)行補(bǔ)償，由于艉軸每轉(zhuǎn)一周垂直度就要變化一次，加上橡膠環(huán)的老化，所以垂直度補(bǔ)償效果有限。

氣胎密封裝置2主要由氣胎、氣胎接頭、氣胎夾環(huán)組成。其主要功用是保證在水中能修理機(jī)械密封裝置。具體分為如下情況:①艉軸不轉(zhuǎn)動(dòng)的狀態(tài)下，氣胎內(nèi)腔充一定壓力的氣體，氣胎的密封條抱緊艉軸，保證靜態(tài)密封，以便修理機(jī)械密封裝置;②艉軸低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，氣胎內(nèi)腔充較小壓力的氣體，使氣胎與艉軸的間隙縮小，但又不抱死，保證在艉軸旋轉(zhuǎn)下，密封裝置滴水但不成線(xiàn)的動(dòng)態(tài)密封要求。

皮碗密封裝置是靠海水給皮碗1壓力，使皮碗的唇邊緊壓在艉軸上而起密封作用。其功用一是在艉軸不轉(zhuǎn)動(dòng)的狀態(tài)下，保證靜態(tài)密封，以便修理機(jī)械密封，同時(shí)阻擋舷外泥沙、異物進(jìn)入艉軸密封裝置;二是在艉軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，讓舷內(nèi)冷卻機(jī)械密封裝置的海水從皮碗的唇部流向舷外。

填料密封主要由碳纖維填料10、小齒輪、大齒輪、壓緊襯套等組成。它的作用是當(dāng)前述所有密封均失效且不便修理時(shí)，壓緊填料，軸可以靜態(tài)密封或短時(shí)間內(nèi)低速運(yùn)轉(zhuǎn)保持動(dòng)態(tài)密封。

2 某型艉軸密封裝置密封出現(xiàn)的故障及失效機(jī)理分析

艉軸密封裝置從裝船下水后一直處于海水中，同時(shí)由于軸的旋轉(zhuǎn)、沖擊振動(dòng)和軸向串動(dòng)，工作環(huán)境極為惡劣。從國(guó)產(chǎn)某型艉軸密封裝置多次出現(xiàn)故障的維修情況看，艉軸密封裝置的故障現(xiàn)象可以歸納成以下4種情況或4種情況的組合:①艉軸密封裝置漏水量超標(biāo)，但未出現(xiàn)嚴(yán)重噴射狀漏水;②艉軸密封裝置漏水量嚴(yán)重超標(biāo)，出現(xiàn)嚴(yán)重噴射狀漏水;③艉軸密封裝置中的氣胎密封裝置不能起到密封作用;④艉軸密封裝置中的皮碗密封裝置不能起到密封作用。

造成故障現(xiàn)象①的原因是艉軸密封裝置殼體首端面相對(duì)艉軸軸線(xiàn)的垂直度超標(biāo)，導(dǎo)致動(dòng)環(huán)與靜環(huán)密封面的貼合度達(dá)不到規(guī)定要求造成漏水量超標(biāo)。在設(shè)備廠(chǎng)臺(tái)架試驗(yàn)中，模擬艉軸的工裝軸軸線(xiàn)與艉軸密封裝置殼體端面的垂直度都按試驗(yàn)大綱的要求調(diào)整到不大于0.05 mm的狀態(tài)，實(shí)船維修中控制在不大于0.10 mm的狀態(tài)。實(shí)船中，由于艉軸橡膠軸承磨損及船體變形均可造成艉軸密封裝置殼體端面與艉軸軸線(xiàn)相對(duì)位置發(fā)生變化，即艉軸密封裝置殼體端面相對(duì)艉軸軸線(xiàn)的垂直度超過(guò)0.10 mm。此外實(shí)船維修中用石棉墊片、銅墊片調(diào)整的垂直度，在使用一段時(shí)間后可能因?yàn)閴|片的材質(zhì)、原始鎖緊力矩及船體振動(dòng)等也會(huì)造成垂直度超標(biāo)。有觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為，動(dòng)環(huán)后矩形橡膠環(huán)對(duì)艉軸密封裝置的殼體端面的垂直度可以進(jìn)行補(bǔ)償。筆者認(rèn)為，其補(bǔ)償效果并不明顯，并從臺(tái)架試驗(yàn)得到驗(yàn)證，臺(tái)架試驗(yàn)中，垂直度超標(biāo)時(shí)，在軸不轉(zhuǎn)動(dòng)、不同深度的水壓情況下，漏水量不超標(biāo)，但軸一旦轉(zhuǎn)動(dòng)漏水量即超標(biāo)，如果補(bǔ)償效果好漏水量就不會(huì)超標(biāo)。從運(yùn)動(dòng)學(xué)原理可知，動(dòng)環(huán)隨艉軸高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的離心慣性力總是使動(dòng)環(huán)端面趨向于與艉軸軸線(xiàn)垂直而無(wú)法使動(dòng)環(huán)端面與產(chǎn)生傾斜變化的靜環(huán)密封端面貼合，加上矩形橡膠環(huán)的老化，給垂直度的補(bǔ)償帶來(lái)負(fù)面影響。垂直度的超差會(huì)引起漏水量超標(biāo)在實(shí)船維修中也得到驗(yàn)證。

造成故障現(xiàn)象②的原因是機(jī)械密封裝置動(dòng)環(huán)夾圈與固定夾圈卡滯，無(wú)法在軸向靈活移動(dòng)，其軸向移動(dòng)補(bǔ)償功能失效，動(dòng)環(huán)的密封端面與靜環(huán)的密封端面分離，造成密封性能?chē)?yán)重下降。由于動(dòng)環(huán)夾圈與固定夾圈單邊設(shè)計(jì)間隙為0.031～0.171 mm，加上實(shí)船使用中污泥、泥沙等雜質(zhì)從艉軸管通過(guò)失效的皮碗密封或經(jīng)過(guò)過(guò)濾器進(jìn)入艉軸密封裝置，污泥、泥沙等雜質(zhì)以及海水中的無(wú)機(jī)鹽長(zhǎng)期沉積粘附在動(dòng)環(huán)夾圈和固定夾圈上，造成動(dòng)環(huán)夾圈與固定夾圈卡滯，無(wú)法在軸向靈活移動(dòng)，其軸向移動(dòng)補(bǔ)償功能失效，造成漏水量嚴(yán)重超標(biāo)。

造成故障現(xiàn)象③的原因是氣胎密封失效，從實(shí)船修理情況來(lái)看，氣胎密封失效有2種形式:①氣胎的密封條損壞，原因可能是有異物夾入導(dǎo)致被損壞、氣胎使用中充氣不當(dāng)被損壞、氣胎橡膠的壽命已到 (技術(shù)文件中規(guī)定橡膠件的壽命為4年或5 000 h)等造成。②氣門(mén)接頭處密封不可靠。如果皮碗、氣胎密封同時(shí)失效，則修理艉軸密封或更換機(jī)械密封的磨損件時(shí)就必須進(jìn)塢，直接影響到可維修性。

造成故障現(xiàn)象④的原因從實(shí)船情況來(lái)看，由于舷外海水中泥沙以及進(jìn)入艉軸密封裝置的冷卻海水均可造成泥沙、油圬等雜質(zhì)大量粘附在橡膠皮碗內(nèi)外表面，使皮碗唇邊變形，導(dǎo)致皮碗密封性能大大降低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了試驗(yàn)大綱規(guī)定水介質(zhì)壓力下漏水量指標(biāo)要求，因此造成修理艉軸密封時(shí)皮碗密封不能作為修理密封，每次更換氣胎或機(jī)械密封時(shí)必須進(jìn)塢。

3 對(duì)某型艉軸密封裝置的維修建議

目前在國(guó)內(nèi)某型艉軸密封裝置結(jié)構(gòu)形式無(wú)法作大的改變情況下，根據(jù)實(shí)船的多次維修經(jīng)驗(yàn)，建議如下。

1)對(duì)具備拆卸條件的可將固定夾圈的密封槽位到艉部的這一段外圓尺寸加工小，以加大動(dòng)環(huán)夾圈和固定夾圈之間的間隙 (原間隙0.062～0.342 mm，單邊為0.031～0.171 mm)，間隙可調(diào)整為0.70 mm左右，通過(guò)加大滑動(dòng)部分的間隙以減少軸向補(bǔ)償?shù)淖枇?，提高軸向補(bǔ)償?shù)男Ч?shí)船維修中2次都是因動(dòng)環(huán)夾圈卡死，經(jīng)處理保證動(dòng)環(huán)夾圈軸向移動(dòng)靈活，漏水量不超標(biāo)現(xiàn)象即消除。

2)改用離心式濾器以減少冷卻海水中的泥沙，可以有效的防止泥沙卡死動(dòng)環(huán)夾圈，在合理考慮密封的端面負(fù)荷的前提下，增加壓動(dòng)環(huán)夾圈的彈簧4的剛度，以提高軸向補(bǔ)償效果。

3)考慮使用過(guò)程中軸承的磨損、船體的變形都可能造成垂直度變化，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)船體使用中垂直度變化量的跟蹤檢查，如果垂直度變化超過(guò)了最低要求，可在修理時(shí)調(diào)整艉軸密封裝置殼體的端面垂直度。

4)有條件的可對(duì)氣胎密封裝置的氣門(mén)接頭部分的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行改進(jìn)，以保證接頭處的可靠密封。

5)鑒于實(shí)船維修時(shí)發(fā)現(xiàn)大量潤(rùn)滑填料的黑油進(jìn)入艉軸密封裝置內(nèi)部，艉軸密封使用中一旦漏水就采取壓緊填料、加黑油的操作手段，導(dǎo)致過(guò)量的黑油經(jīng)過(guò)機(jī)械密封的磨擦面進(jìn)入動(dòng)環(huán)夾圈、靜環(huán)夾圈，同時(shí)加速造成污泥、泥沙沉積，因此在使用中應(yīng)強(qiáng)調(diào)在機(jī)械密封裝置處于正?？煽棵芊鉅顟B(tài)時(shí)，不允許壓緊填料，不得大量地加黑油。緊急情況下當(dāng)機(jī)械密封失效而又不能立即修理時(shí)可改用氣胎密封或壓緊填料密封，但應(yīng)及時(shí)進(jìn)行修理、恢復(fù)機(jī)械密封功能。

6)應(yīng)縮短對(duì)艉軸密封裝置動(dòng)環(huán)夾圈、固定夾圈上泥沙、水垢等雜質(zhì)及艉軸密封裝置殼體端面與艉軸軸線(xiàn)的垂直度的檢查周期。

4 對(duì)艉軸密封裝置改進(jìn)方向的探討

國(guó)外某型船的艉軸密封裝置見(jiàn)圖2，該型艉軸密封裝置采用了并不太硬材料的主摩擦副、加大了卡套5與從動(dòng)機(jī)構(gòu)3的間隙 (相當(dāng)國(guó)產(chǎn)艉軸密封裝置中的動(dòng)環(huán)夾圈與固定夾圈的間隙)、將補(bǔ)償彈簧6改裝在靜環(huán)端 (國(guó)產(chǎn)某型艉軸密封裝置安裝在動(dòng)環(huán)端)，提高了艉軸密封裝置的殼體端面對(duì)艉軸軸線(xiàn)垂直的補(bǔ)償效果和維修性;采用盤(pán)1式的尾液壓密封裝置 (相當(dāng)國(guó)產(chǎn)某型艉軸密封裝置中的氣胎密封裝置)和剖分式的兩半環(huán)4式的卡環(huán) (相當(dāng)國(guó)產(chǎn)某型艉軸密封裝置的殼體蓋)，提高了裝置的可靠性、維修性，從其結(jié)構(gòu)形式中給我們從根本上改進(jìn)某型艉軸密封裝置帶來(lái)很多啟示。

圖2 改進(jìn)后的艉軸密封裝置示意圖

1)國(guó)外艉軸密封裝置的靜環(huán)為石墨－巴氏合金2，其技術(shù)文件中說(shuō)明更換靜環(huán)備件后，只需用10余小時(shí)即可完成密封端面的匹配磨合。按國(guó)內(nèi)某型艉軸密封的靜環(huán)試驗(yàn)結(jié)果每1 000 h磨損只有0.02 ～0.03 mm，折算 10 h 只能磨損 0.000 2 ～0.000 3 mm，顯然是國(guó)產(chǎn)某型艉軸密封裝置靜環(huán)硬度選擇太高，硬度高帶來(lái)的問(wèn)題是更換靜環(huán)備件后磨合困難，同時(shí)也造成無(wú)法通過(guò)磨合靜環(huán)來(lái)對(duì)垂直度進(jìn)行補(bǔ)償。因此降低靜環(huán)的硬度是可取的，它可以提高垂直度的補(bǔ)償效果，同時(shí)也可縮短實(shí)船工人更換后靜環(huán)后的磨合時(shí)間，提高維修性。

2)國(guó)外艉軸密封裝置與國(guó)產(chǎn)某型艉軸密封裝置的結(jié)構(gòu)相比已做根本性改變，其軸向補(bǔ)償作用的彈簧放置在靜環(huán)部位，由于靜環(huán)不轉(zhuǎn)動(dòng)無(wú)離心慣性力，因此彈簧可有效的實(shí)施垂直度的傾斜補(bǔ)償，大大地降低了艉軸密封裝置安裝時(shí)的垂直度要求。作為軸向運(yùn)動(dòng)件的卡套與從動(dòng)機(jī)構(gòu)之間較大間隙的結(jié)構(gòu)，可有效的防止泥沙、水垢造成的卡滯，確保了靜環(huán)的軸向和傾斜補(bǔ)償功能。筆者認(rèn)為這一改變是解決國(guó)產(chǎn)某型艉軸密封裝置存在的問(wèn)題的一個(gè)有效途徑。

3)國(guó)外艉軸密封裝置采用了尾液壓密封裝置，用來(lái)在機(jī)械密封和應(yīng)急密封失效、機(jī)械密封修理及密封性能試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行艉軸密封。其中盤(pán)1相當(dāng)于油缸的活塞，盤(pán)的左右兩腔分別充油時(shí)即可完成打開(kāi)和關(guān)閉尾液壓密封裝置。該結(jié)構(gòu)的作用類(lèi)似于氣胎密封裝置，使用可靠，而且盤(pán)1是用金屬材料制造，比橡膠氣胎的制造、裝配調(diào)整和試驗(yàn)都來(lái)得簡(jiǎn)單可靠。

4)維修性的改進(jìn)設(shè)計(jì)，國(guó)外的艉軸艙的維修空間比國(guó)產(chǎn)的要長(zhǎng)，國(guó)產(chǎn)的艉軸艙維修空間太小、維修非常困難。以后新船應(yīng)適當(dāng)將艉軸艙內(nèi)長(zhǎng)度加長(zhǎng)以增加艉軸密封裝置的維修空間，縮短艉軸密封裝置每次的維修時(shí)間。

5 結(jié)束語(yǔ)

在新型的艉軸密封裝置設(shè)計(jì)中可充分吸取國(guó)外某型艉軸密封裝置的設(shè)計(jì)思想，這將大大地提高國(guó)內(nèi)艉軸密封裝置的質(zhì)量。