錨泊絞車旋轉端面密封裝置技術

龔云，田崇興，程文池，王鑫磊，毛炳坤，何鵬，陳佳俊

錨泊絞車旋轉端面密封裝置技術

龔云，田崇興，程文池，王鑫磊，毛炳坤，何鵬，陳佳俊

針對水下某深度錨泊絞車旋轉端面密封性差的問題，研發(fā)出一種錨泊絞車旋轉端面密封裝置，對該裝置中的靜密封環(huán)和動密封環(huán)建立物理模型，在不同壓力情況下進行仿真，得出動密封環(huán)的變形量、應力及接觸間隙云圖，從而進一步驗證錨泊絞車旋轉端面密封性的可行性。

絞車；旋轉端面；動密封；仿真；可行性

錨泊絞車分布于平臺四角，基座與平臺固定在一起，同時四角對應4只錨。每只錨與1臺張力絞車直連，與1臺錨泊絞車斜連。張力絞車與錨泊絞車完全相同，只是用途略有不同。通過電氣和液壓控制系統(tǒng)來控制絞車滾筒內鋼絲繩的卷入和放出，從而實現(xiàn)平臺在水中的下潛和上升、收放錨、調整平臺水下姿勢、固定平臺，以及平臺應急上浮等工況。錨泊絞車在水下環(huán)境工作，機械本體完全浸泡在湖水中，而液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)布置在平臺浮筒內，與湖水隔絕。浮筒密封性的好壞直接影響到錨泊絞車的工作效率[1]。

目前水下錨泊絞車密封主要是采用雙層唇形密封圈在軸承的端部進行密封，使湖水不得進入平臺浮筒內。經水下錨泊絞車實際使用發(fā)現(xiàn)雙層唇形密封圈密封性差，浮筒內部有大量水進入，導致錨泊絞車不能正常工作。為了解決這種密封性差的問題，本文介紹一種新的錨泊絞車旋轉端面密封裝置。

1 水下錨泊絞車結構形式

本文主要以水下某深度錨泊絞車旋轉端面密封為對象而展開技術研究，水下錨泊絞車結構形式見圖1。減速機一端與聯(lián)接盤固定連接，聯(lián)接盤與馬達支座裝配固定連接，液壓馬達及制動器裝配在馬達支座內且馬達支座與支架Ⅰ焊接，定滾筒外圓與支架Ⅰ焊接，馬達水密封箱罩住液壓馬達及制動器并與支架Ⅰ固定連接；減速機另一端外圓與卷筒左支架固定連接，卷筒與卷筒兩支架固定連接，卷筒左支架與動滾筒焊接，動滾筒通過軸承Ⅰ與定滾筒連接，卷筒右支架與軸固定連接，軸承套外圓與支架Ⅱ焊接，軸承套通過軸承Ⅱ與軸連接。

絞車處于水下時，液壓馬達接通電源，使減速機轉動，減速機帶動卷筒轉動，同時動滾筒也轉動；動滾筒通過軸承Ⅰ與定滾筒連接，水通過軸承Ⅰ處(如圖1中I處)流入水密封箱內，嚴重影響水下絞車的工作[1]。

2 旋轉端面密封裝置

目前浮筒密封采用一般的唇型密封圈密封，由于浮筒的旋轉密封圈磨損較快，以及離心力的作用，使密封效果較差，嚴重影響錨泊絞車的使用性能。因此，解決錨泊絞車在水下旋轉密封過程中密封圈磨損較快及離心力的作用，具有重要的意義。

為了解決旋轉密封中密封圈磨損較快，設計一種旋轉端面密封裝置[2](見圖2)放置在圖1中Ⅰ處，從源頭對絞車進行密封，有效提高水下絞車的密封性。本旋轉密封裝置包括定缸筒、插銷、O型密封圈、螺母、動密封環(huán)、缸筒Ⅰ、螺釘、缸端蓋、擋環(huán)、環(huán)形彈簧組、靜密封環(huán)，以及安裝過程中其他的連接組件。定滾筒與定缸筒焊接，靜密封環(huán)通過密封圈Ⅲ與定滾筒外表面密封并裝在定滾筒的外壁上，靜密封環(huán)通過插銷與定缸筒周向固定，靜密封環(huán)與定缸筒間用O型密封圈密封，定缸筒與缸筒Ⅰ用螺母固定連接，動密封環(huán)通過密封圈Ⅱ與動滾筒外表面密封并裝在動滾筒的外壁上，環(huán)形彈簧組套在動密封環(huán)和擋環(huán)表面且兩端分別與動密封環(huán)和擋環(huán)表面固定連接，擋環(huán)用螺釘與動滾筒表面固定，缸端蓋與缸筒Ⅰ焊接，缸端蓋內圓面套有密封圈Ⅰ與動滾筒外壁密封。

動密封環(huán)在環(huán)形彈簧組的彈力和水壓力的作用下與靜密封環(huán)表面軸向相擠壓，動密封環(huán)在動滾筒的帶動下旋轉，從而帶動密封環(huán)軸向旋轉與靜密封環(huán)摩擦。當動、靜密封環(huán)每磨損一點出現(xiàn)間隙時，動密封環(huán)在環(huán)形彈簧組的彈力及水壓力作用下迅速軸向推動動密封環(huán)與靜密封環(huán)表面相貼緊，從而起到一種間隙補償的功能，提高該裝置的密封性。

3 仿真分析

由于絞車處于中、低速旋轉過程，絞車轉速為296 r/min，靜密封環(huán)和動密封環(huán)的材料選用聚四氟乙烯，摩擦系數為0.04，密度為2.2 g/cm3，硬度為60，材料系數C01為0.7 MPa，材料系數C02為0.037 5 MPa；軸承、定滾筒和動滾筒的材料均為1Cr18Ni9Ti，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3[3-4]。

根據圖2旋轉密封裝置，建立圖3旋轉密封三維物理模型，進行網格劃分如圖4，然后施加載荷和邊界條件。

在靜密封環(huán)和銅套上施加固定約束, 軸承端面上施加無摩擦約束，p1為動密封環(huán)與靜密封環(huán)中間槽面載荷，p2為動密封環(huán)外表面載荷，見表1。

在10種不同壓力下，對旋轉密封裝置進行仿真，得出動密封環(huán)的等效應力值、接觸應力、變形量及接觸間隙值，表2為仿真結果匯總，其中等效應力云圖見圖5。

表1 載荷表

S序號12345678910p1/MPa0．51．01．52．02．52．62．72．82．93．0p2/MPa0．521．021．522．022．522．622．722．822．923．02應力極值/MPa0．891．662．443．384．444．624．865．065．285．50位移極值/mm0．7561．3511．9042．5013．0423．2143．2873．3703．4633．560接觸應力極值/MPa0．5591．0501．5742．0342．7323．1933．1663．0953．0953．518接觸間隙極值/mm0．3020．3080．3150．0260．0300．0300．0300．0300．0300．030

在不同壓力情況下，為了更加直觀地反映動密封環(huán)的應力、變形量，對表2中數據進行處理。圖6為壓強-應力曲線， 圖7為壓強-位移曲線。

1)由圖6、圖7可見，隨著壓力的增大，動密封環(huán)的等效應力、接觸應力及變形量都在增大，而動密封環(huán)與靜密封環(huán)間的接觸間隙逐漸減小，之后維持在某一個固定值不變。

2)由圖7可見，應力越大，該處的安全系數就越低，摩擦得最快，從而導致密封圈使用周期變短。

3)從圖7可見，當壓強為2.5 MPa時，動密封環(huán)與靜密封環(huán)的接觸間隙值最小，之后隨著壓強的增大，接觸間隙值維持不變。

4 結論

1)隨著壓力的增大，旋轉密封裝置中動密封環(huán)和靜密封環(huán)間的接觸間隙逐漸減小，有效地防止水從旋轉端面進入水密封箱內，從而驗證了旋轉端面密封裝置的可行性。

2)對于水下錨泊絞車旋轉端面密封裝置，在某一壓強值時，密封裝置密封性能最好，使用壽命最長。

3)通過對旋轉端面密封裝置進行仿真分析，還存在一定的局限性，比如水溫、密封圈磨損過程

中產生熱量是否會很大程度的影響密封性能等，需要實際試驗進一步的驗證。

[1] 于政武，孫邦俊.油封旋轉密封的動態(tài)過程[J].潤滑與密封，1990(5)：8-14.

[2] 蔣國璋，陳少華.O形旋轉密封圈的密封性能有限元分析[J].機械設計與制造，2014(6)：178-181.

[3] 賀杰，楊敏嘉.有關唇型旋轉密封的密封機理的研究(二)[J].特種橡膠制品，1991(4)：28-33.

[4] 龔步才.常用旋轉密封件的選型與應用[J].流體傳動與控制，2006(2)：38-39.

(武漢船用機械有限責任公司，武漢 430084)

Sealing Technology of the Revolving End Face for Mooring Winch

GONG Yun, TIAN Chong-xing, CHENG Wen-chi, WANG Xin-lei, MAO Bing-kun, HE Peng, CHEN Jia-jun

(Wuhan Marine Machinery Plant Co., Ltd, Wuhan 430084, China)

The leakproofness of revolving end face of the deep underwater mooring winch is usually poor. A dynamic sealing unit was developed for revolving end face of the mooring winch. The physical models of static sealing ring and dynamic sealing ring in this unit were established to simulate the deformation, stress and contact gap of the sealing ring under different pressure. The technique feasibility of the dynamic sealing unit for revolving end face of mooring winch was verified.

mooring winch; revolving end face; dynamic sealing; simulation; feasibility

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.032

2016-07-14

工業(yè)和信息化部項目(工信部聯(lián)裝[2014]508號)

龔云(1987—)，男，碩士生研究方向:海洋平臺升降技術

U664.4

A

1671-7953(2017)01-0130-04

修回日期：2016-08-29