船舶尾軸機(jī)械密封面形狀對(duì)密封性能的影響

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中船澄西船舶修造有限公司 機(jī)加工車間 江蘇江陰 214433

1 尾軸密封裝置的工作條件

船舶尾軸密封裝置的工作條件十分惡劣。它除了受到嚴(yán)重的磨損、摩擦和高溫的影響外，還受到河流淤積的影響。特別是對(duì)于深吃水的船舶，還必須承受高水壓和油靜壓的壓差。此外，螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)還會(huì)產(chǎn)生懸臂和不均勻載荷，導(dǎo)致尾軸承中尾軸的徑向跳動(dòng)和偏心運(yùn)動(dòng)較大。此外，主機(jī)常用于倒車，在運(yùn)行過程中，尾軸經(jīng)常產(chǎn)生一定的橫向和軸向振動(dòng)，這也可能對(duì)尾軸密封裝置產(chǎn)生不利影響。這些工作特性對(duì)尾軸的密封非常不利。此外,在發(fā)生故障時(shí)的尾軸密封裝置,不僅潤滑油泄漏或生成大量的機(jī)艙污水,造成污染的水域,但修復(fù)通常需要船碼頭或上層行,影響船舶的正常運(yùn)行,所以尾軸密封裝置的研究是必要的和必要的。尾軸密封的發(fā)展日新月異。主要有兩種形式：水潤滑密封和油潤滑密封。對(duì)于內(nèi)河船舶，水潤滑密封裝置主要是填料功能，油潤滑密封裝置主要是骨架油封。

2 尾軸密封的工作原理

根據(jù)密封元件的防泄漏方式，船舶尾軸密封裝置可分為接觸式和非接觸式。接觸密封采用橡膠制品和填料作為填料，填充在縫隙中，接觸軸或套筒；在非接觸式密封中，密封元件的動(dòng)、靜態(tài)部分有一定間隙，不發(fā)生接觸。而是對(duì)流體的流動(dòng)路徑進(jìn)行節(jié)流，達(dá)到密封的目的。本發(fā)明的尾軸密封裝置為非接觸式，通過摩擦片與靜摩擦片的配合間隙密封。通過調(diào)節(jié)靜摩擦片中的彈簧強(qiáng)度，可以控制動(dòng)、靜片間隙的緊度。

3 幾種傳統(tǒng)尾軸密封

3.1 無泄漏型尾軸密封裝置

緊湊密封01型和 21型密封裝置由日本神戶制鋼所 (KOBELCO) 研制成功。整個(gè)無泄漏尾軸密封裝置在結(jié)構(gòu)上最大的亮點(diǎn)就是采用了循環(huán)油設(shè)計(jì)，通過水壓來控制油槽開關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)了吃水深度和密封性上的同步性。密封環(huán)材料選取上，充分考慮到了強(qiáng)度和變形量，采用 8WW，X( 氟橡膠) ，在相同使用條件下，該材料的壽命明顯較長。襯套材料充分考慮防止腐蝕和磨損，采用特殊高鉻硬質(zhì)合金不銹鋼，硬度大，抗磨損。

3.2 組合式密封

相比較于單一式尾軸密封 ( 唇形橡膠密封) ，組合式密封具有更好的密封效果。組合式密封將機(jī)械式密封和唇形密封的優(yōu)點(diǎn)集中在一起，深海密封公司設(shè)計(jì)的這款組合式無泄漏密封結(jié)構(gòu)，尾部是機(jī)械式密封結(jié)構(gòu)，船舶等精密密封設(shè)備吃水深度越深，相關(guān)的機(jī)械結(jié)構(gòu)就壓的越緊，進(jìn)一步將海水堵在外部。而尾軸中間部分采取唇形密封，2個(gè)唇口相對(duì)著設(shè)計(jì)，從而使得 2個(gè)唇口之間形成一個(gè)閉封的油室，當(dāng)外部的壓力增大，油就會(huì)溢出到油槽，實(shí)現(xiàn)回收利用。尾軸內(nèi)部的潤滑油始終處于唇口與油室間，從而起到了很好的潤滑和密封效果。氣室位于機(jī)械密封與唇形密封的中部，與外界大氣相通。組合式密封的優(yōu)越性就在于當(dāng)其中一個(gè)密封方式失靈時(shí)，軸承密封結(jié)構(gòu)還有第二道防護(hù)，使密封壓力增加，從而保證了密封效果。

4 新型自適應(yīng)尾軸密封裝置

4.1 常規(guī)密封裝置及其存在的缺陷

通常，尾軸密封裝置由前后尾柜、前軸封油柜、尾軸封油柜、尾管滑油循環(huán)柜、尾軸管滑油泵、連接它們的管系、閥件和報(bào)警裝置等組成。其中，傳統(tǒng)尾軸密封結(jié)構(gòu)通常為三環(huán)式設(shè)計(jì)，即靠近尾部的凸緣環(huán)、中間環(huán)和靠近軸首部的蓋環(huán)。

3種環(huán)的連接方式為機(jī)械式剛性連接，在抗振動(dòng)、可拆卸性等方面表現(xiàn)不佳。有的常規(guī)設(shè)計(jì)在金屬環(huán)中間有唇型密封，唇形密封結(jié)合橡膠圈、潤滑油和彈簧，從而實(shí)現(xiàn)密封。

常規(guī)尾軸密封設(shè)計(jì)，唇形密封的好壞主要還是決定于橡膠圈。橡膠圈的箍緊力大，唇形密封抗外界干擾能力強(qiáng)，保持密封性能好；橡膠圈的箍緊力如果小或者不均衡，將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)軸系漏水，后果十分嚴(yán)重。在該裝置中，密封油腔中的油自調(diào)節(jié)能力差，也無法進(jìn)行人為外部調(diào)節(jié)，因此，在尾軸吃水深度不同時(shí)，橡皮圈兩側(cè)的壓強(qiáng)差就有可能發(fā)生突變。如果壓差過大達(dá)到箍緊力的極限，整個(gè)密封結(jié)構(gòu)就會(huì)失效，就會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的泄漏，引發(fā)更嚴(yán)重的事故等。

4.2 新型尾軸密封系統(tǒng)

尾軸密封系統(tǒng)新要求。隨著海運(yùn)規(guī)模的劇增，船舶發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，船舶不論在噸位還是發(fā)動(dòng)機(jī)功率上都比以往擴(kuò)大了一個(gè)數(shù)量級(jí)。船舶尾軸承和尾軸封的密封性要求也是越來越高，難度也是進(jìn)一步提高。在當(dāng)今的船舶精密機(jī)械設(shè)備密封設(shè)計(jì)中，必須要滿足以下需求才算是與時(shí)代相符合的密封性設(shè)計(jì)：(1)船尾軸和軸襯套相對(duì)圓周速度 20m/s；(2)尾軸密封機(jī)構(gòu)可以在水壓 3bar下正常工作；(3)軸承和軸封的徑向跳動(dòng)在 5mm以下；(4)機(jī)構(gòu)可以承受較大的振動(dòng)；(5)密封系統(tǒng)每月正常工作 8h 以上；6)進(jìn)行拆卸和維護(hù)間隔在 2-3年。就目前來看，設(shè)計(jì)出一整套滿足需求的尾軸承和尾軸封密封系統(tǒng)有一定的困難：一是尾部吃水深度的改變帶來水壓持續(xù)不斷的變化，鑒于目前傳感器的精度靈敏性，對(duì)其檢測還有一定難度；二是由于水下的操作環(huán)境限制，數(shù)字化電路要想完全實(shí)現(xiàn)動(dòng)密封還要進(jìn)一步努力； 三是制造和裝配誤差帶來的不可控性太多[1]。

4.3 新型密封裝置的工作原理

針對(duì)唇形密封，通過調(diào)節(jié)唇口兩邊的壓強(qiáng)差(P1-P2)進(jìn)而控制密封腔，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)軸密封的性能調(diào)節(jié)。因此，設(shè)計(jì)出隨著尾部吃水深度不同而進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)壓力的裝置，是實(shí)現(xiàn)零泄漏的重中之重。新型密封設(shè)計(jì)采用了模塊化壓力控制單元，可以實(shí)時(shí)的對(duì)油腔的壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。

在這種新型模塊化控制密封系統(tǒng)中，空氣閥、油壓檢測模塊、溢流閥及報(bào)警模塊起到了關(guān)鍵性作用。在該系統(tǒng)中，尾軸上分布著的橡膠圈將軸分為空氣室、油腔、水壓控制室。在工作時(shí)，空氣閥先打開，為空氣室泵入氣壓為 0.5MPa 的氣體，通過空氣噴嘴和傳感器，可以測算出位于該水深時(shí)的水壓，并將其壓力信號(hào)反饋給空氣室壓力控制單元此時(shí)，空氣室壓力控制模塊會(huì)將空氣導(dǎo)入 2-3與3-3道之間的空氣密封腔和密封油腔。分別使兩者保持一個(gè)穩(wěn)定的氣壓，此時(shí)的氣壓為空氣噴嘴測算出的某一位置海水壓 P。與此同時(shí)3-3道橡膠圈兩側(cè)，就會(huì)保持一個(gè)穩(wěn)定的壓強(qiáng)差。通過這個(gè)可控的壓強(qiáng)差，從而實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)性密封。

5 船舶尾軸機(jī)械密封面形狀對(duì)密封性能的影響

5.1 船舶尾軸機(jī)械密封面形狀的基本問題

從整體上看，船舶尾軸機(jī)械密封面形狀的基本問題是摩擦學(xué)問題。所謂摩擦學(xué)是研究滑動(dòng)表面之間的相互作用，包括摩擦、磨損和潤滑。許多摩擦被證明是有益的,使現(xiàn)代生活,但許多其他摩擦可以產(chǎn)生嚴(yán)重影響,并認(rèn)真研究如何克服這些不便造成的過度摩擦或磨損,摩擦消耗或浪費(fèi)了很多人為的能量,和需要足夠的生產(chǎn)力取代變成無用的對(duì)象,由于磨損。目前，船舶尾軸主要采用平面接觸式機(jī)械密封方法，在工作過程中大多處于邊界摩擦和混合摩擦狀態(tài)。為了減輕摩擦對(duì)船舶尾軸及其密封性能的負(fù)面影響，需要采用球形密封逐漸取代平面密封的方法，從而提高船舶尾軸的自對(duì)準(zhǔn)功能和密封性能[2]。

5.2 球面與平面密封主要參數(shù)分析

（1）結(jié)構(gòu)與材料參數(shù)。球面與平面機(jī)械密封裝置均由靜環(huán)、靜環(huán)座、動(dòng)環(huán)、動(dòng)環(huán)座與彈簧組件等組成，兩者的主要區(qū)別在于靜環(huán)與動(dòng)環(huán)的密封面形狀不同，見圖1。圖1中：OS為球心；Di為密封端面內(nèi)徑；Do為密封端面外徑；Db 為平衡直徑；RS為球形密封面半徑；θ1為靜、動(dòng)環(huán)球形密封面的內(nèi)邊界與軸心線的夾角；θ2為靜、動(dòng)環(huán)球形密封面的外邊界與軸心線的夾角。靜環(huán)材料為非金屬，固定在靜環(huán)座上，靜環(huán)座不旋轉(zhuǎn)，只作軸向移動(dòng)。動(dòng)環(huán)材料為青銅，鑲嵌在動(dòng)環(huán)座上，動(dòng)環(huán)座直接通過鍵槽與卡環(huán)固定在尾軸上。靜、動(dòng)環(huán)的密封面在彈簧力與被密封介質(zhì)（海水）壓力的共同作用下保持貼合，防止海水滲入機(jī)艙。其中D為尾軸直徑，球面密封環(huán)的球面半徑假定為400 mm。靜環(huán)、動(dòng)環(huán)與座體分別選取了進(jìn)口的 T12飛龍材料、青銅與C15材料。

圖1 機(jī)械密封結(jié)構(gòu)

此外，球形和平面密封靜環(huán)材料為非金屬材料，將其固定在靜環(huán)閥座上，可防止靜環(huán)閥座旋轉(zhuǎn)，保持其軸向運(yùn)動(dòng)。動(dòng)環(huán)材料多為青銅材料，通常青銅材料嵌在動(dòng)環(huán)座內(nèi)，使動(dòng)環(huán)座可通過鍵槽和卡環(huán)直接固定在尾軸上。靜環(huán)和動(dòng)環(huán)密封面在彈簧力和密封介質(zhì)(海水)壓力的共同作用下緊密結(jié)合，防止海水進(jìn)入艙室。

另一方面，船舶尾軸機(jī)械密封的性能參數(shù)很多。主要參數(shù)包括密封量、泄漏量、接觸面積和單位面積摩擦功。通常，密封系數(shù)為粘滯力與水膜荷載的比值，是表征水膜易形成的尺寸特征值。目前，用GS和GP來表示球面和平面密封的密封系數(shù)。參數(shù)公式如下：GS =ηvLS / F,GP =ηvLS / F。

η是用于指示密封流體動(dòng)力學(xué)的粘度系數(shù),v是密封表面的平均線速度,L是困難的空間特征值形成的水膜,和F是密封面的總負(fù)載。從比例的角度看，密封數(shù)的數(shù)值越大，越容易形成水膜，水膜的厚度也隨之增加。

泄漏量主要是指單位時(shí)間內(nèi)密封介質(zhì)從密封面泄漏的體積，從而測量機(jī)械密封的效果。接觸面積是指球面與平面密封之間的接觸面積。單位面積的摩擦功通常用pv表示，p為密封面的比載荷，v表示密封面的平均線速度。因此，單位面積的摩擦功通常用pv表示。為了提高船舶尾軸的機(jī)械密封性能，保證性能的長期可靠性，有必要將許用值控制在密封摩擦特性參數(shù)以上。

5.3 球面和平面密封的有限元建模方式

當(dāng)機(jī)械密封處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，密封面多處于緊密貼合狀態(tài)，密封面上的作用具備水膜反力效應(yīng)，如果水膜反力無法滿足抵消閉合力的要求，密封面就會(huì)出現(xiàn)船舶尾軸機(jī)械接觸現(xiàn)象。如果平衡型尾軸機(jī)械密封處于混合摩擦狀態(tài)下，就會(huì)收到軸向受力的作用，此時(shí)的閉合力與外部海水以及彈簧作用上的軸向合力相等。

新時(shí)代的機(jī)械密封模型大多為軸對(duì)稱模式，海水和彈簧壓力呈面力，其中，密封面之間的水膜反力會(huì)被假定成線性分布模型，先運(yùn)用對(duì)流換熱邊界工藝來處理海水對(duì)密封環(huán)的冷卻作用，然后，用熱流密度邊界法來處理密封面之間的摩擦熱。為了維持靜環(huán)與動(dòng)環(huán)的密封面溫度一致性，則需要采用耦合法和整體接觸來進(jìn)行建模。因?yàn)殪o環(huán)座與靜環(huán)以及動(dòng)環(huán)座與動(dòng)環(huán)的配合部位及其邊界條件尚難以明確，所以，需要對(duì)靜環(huán)座與靜環(huán)以及動(dòng)環(huán)座與動(dòng)環(huán)進(jìn)行分層化黏結(jié)，實(shí)施一體化建模，以此明確邊界條件，并將其轉(zhuǎn)化成內(nèi)部邊界。與此同時(shí)，需要采用接觸向?qū)Х▉磉M(jìn)行有限元建模。

從微觀視角來看，有限元建模分為以下五個(gè)步驟如下：①借助ANSYS 軟件組建完善的耦合單元，著重優(yōu)化其內(nèi)結(jié)構(gòu)，使用PLANE13定義單元菜單的自由度選項(xiàng)，明確 x 和 y 的方向，控制好溫度，使單元特性選項(xiàng)保持為軸對(duì)稱。②準(zhǔn)確定義靜環(huán)座與靜環(huán)以及動(dòng)環(huán)座與動(dòng)環(huán)和彈簧的彈性、泊松比、模量、熱導(dǎo)系數(shù)和熱膨脹系數(shù)等屬性。③將靜環(huán)座與靜環(huán)以及動(dòng)環(huán)座與動(dòng)環(huán)科學(xué)劃分成3069個(gè)網(wǎng)格和3191個(gè)節(jié)點(diǎn)。將單元尺寸控制在0.5mm 左右，其他部分不得超出1mm。④運(yùn)用接觸向?qū)Х▽?duì)靜環(huán)端面實(shí)施定義接觸單元，將目標(biāo)單元定義于動(dòng)環(huán)端面之上。在挑選摩擦因數(shù)時(shí)需要正確選擇鍵入摩擦因數(shù)值。此外，要充分保證靜環(huán)與動(dòng)環(huán)在密封面對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的溫度一致性。然后，在剛度矩陣選項(xiàng)中正確布設(shè)選擇非對(duì)稱。⑤添加最合適的外界條件，控制好壓力載荷。因?yàn)閯?dòng)環(huán)安裝通常在軸上而且會(huì)和靜環(huán)接觸，所以，要控制好平衡位置所承載的海水壓力和密封面的接觸壓力，并根據(jù)實(shí)際情況，調(diào)節(jié)好彈簧壓力，將密封面的浸水部位設(shè)置為外側(cè)，非浸水部位則為內(nèi)側(cè)。此外，要將密封面的內(nèi)側(cè)壓力和船艙內(nèi)的空氣壓力保持一致，使外側(cè)壓力和海水壓力趨于相等指數(shù)。

綜上所述，解決船舶尾軸機(jī)械密封面形狀的基本問題，提升船舶尾軸機(jī)械密封性能，必須正確分析球面與平面密封的重要參數(shù)，全面優(yōu)化球面和平面密封的有限元建模方式。