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某型舰船轴承密封装置防泄漏改进设计研究

发布时间：2012-06-11 浏览次数：628

作者：罗运同　杨青松　董作敬
（92854部队）

　　摘　要：针对当前某型舰船主柴油机输出端、主轴支撑点及柴油发电机主轴等处轴承密封圈出现的严重泄漏润滑油问题，分析了泄漏原因，拟设计采用新型多级泄压式密封技术实验型轴承密封圈以替换目前单级轴承密封装置，从而达到防止轴承润滑油泄漏的目的，并满足现有轴承和轴系结构尺寸的情况下，实现无抽轴不解体修复与更换。
　　0　引言
　　舰船轴承密封装置大都以密封圈的样式固定于轴系上，作用是防止润滑油泄漏以保证润滑油对轴瓦的润滑和冷却效果，避免轴承温度过高烧坏轴瓦，进而提高舰船的运行安全。其使用的密封材料通常有传统填料、碳素及橡胶等种类。据对国产某型舰船的调研发现，该型舰船主柴油机输出端、主轴支撑点及柴油发电机主轴等处轴承密封圈存在严重漏泄润滑油的现象且多数在修理更新密封圈后不久即出现不同程度的润滑油泄漏（该现象在同型舰中普遍存在）。舰船轴承润滑油的非正常泄漏不仅仅造成润滑油非正常耗损，污染舰员的工作环境，增大部队日常维护保养和维修的难度，同时也会危及舰船本身的运行安全，影响舰船的在航率和在航等级，严重时甚至会影响舰船的战斗力发挥。这种泄漏故障对于现代化舰船来说是不允许的，在对某型舰船艉轴中间轴承密封润滑油泄漏调研过程中，我们了解到该型舰船柴油机、减速器轴承密封均有润滑油泄漏现象，在舰船高速行驶时，这种漏油现象更加严重，润滑油从密封间隙流出后随轴旋转抛出，形成现场技术人员称谓的“飞油现象”。并且这种泄漏现象在同类舰船中普遍存在，多数舰船在修理更新密封圈后不久又会出现润滑油泄漏。这种泄漏故障对于现代化舰船来说是不允许的。因此，应急需对此进行针对性研究，提出解决办法，采用高效的轴封装置，减少轴封对漏油及传动效率的影响，彻底消除这一安全隐患。
　　1　轴承密封装置泄漏的原因分析
　　润滑油泄漏主要是因该型舰动力系统运转速度较高(1450r/min)、密封件两端压差较大、密封件密封面积较小以及密封件老化和磨损快等原因造成的。此外，艉轴振动加剧了密封件磨损，润滑油供油压力波动造成瞬间流量增大从而形成来油飞溅和使艉轴轴颈表面油膜较厚，尤其是在轴承衬瓦口部位会形成很大的油流，使润滑油容易从磨损与振动造成的艉轴与密封圈之间间隙流出，形成润滑油泄漏油现象。通过现场调查和对原设计图纸分析表明，某型舰船艉轴中间轴承设计不太合理，例如目前采用单级密封（轴承两端各只用了一个密封圈）就难以满足舰船艉轴中间轴承密封要求。
　　分析中我们还注意到另外一个可能造成润滑油泄漏的原因，润滑油在轴承体内空气中高速运动，会带动空气进入油中形成油气泡，并且油气泡的行程可能超出了有密封实际间隙行程运行所允许的Z高油位，其设计在轴承两端盖的密封圈之下。
　　2　轴承密封装置的设计改进方案
　　笔者针对上述泄漏故障原因，拟采用“多级泄压式密封技术”实验型轴承密封圈，并在无需抽轴等大程度的解体工作环境下通过降低密封件两端压差达到减少润滑油泄漏效果，同时将残余泄露的润滑油流回油箱以达到轴封防泄漏的目的。具体的主要技术指标：“多级泄压式密封技术”实验型轴承密封圈可在主轴原位免拆状态下进行更换并在正常运行两年周期内无非正常泄漏润滑油事故。具体研究内容如下。
　　2.1密封材料选配和密封圈性能优化研究
　　针对舰船工作条件与外部环境及零直径密封胶圈现存不足，选配或研制一种新的更适合舰船艉轴中间轴承密封胶圈。
　　密封材料选配研究主要采用实验研究的方法。选择几组具有良好弹性、抗老化性和耐磨性材料，制成有磨损自补偿功能、合理接触面的密封胶圈，进行针对性耐磨损和密封性能试验，优选适合舰船艉轴中间轴承密封胶圈，密封材料技术主要是利用目前国内现有的成熟技术，并根据需要在此基础上提高以满足要求。这主要是鉴于该项技术是一个专项技术，需要较长时间的专门研究。
　　密封件的结构和受力变形研究主要采用有限元分析方法，为结构设计提供依据。采用设计分析和实验方法降低摩擦面的压力、减小摩擦磨损。密封件的抗磨性能与寿命研究也主要是采用实验研究方法。通过对多种密封材料进行实验比较，采用逐步优化的方法选择合适的轴承密封胶圈。
　　密封顺序、材料以及附加设备的选择取决于不同的参数。待密封介质的压力和温度以及待密封轴的直径和转数在设计中是考虑功能安全性的重要参数。为了进行评估，经常会把产品的压力和密封面的粗糙度作为评估值。其他的边缘条件包括安装环境、产品特性，例如化学侵蚀、结块倾向和固体部件。这针对于固体含量高的产品或泥浆，对密封设计起着基础作用。
　　2.2轴承密封结构的研制
　　图1是现有某型舰船艉轴中间轴承密封系统示意图，这种单级密封密封效果不理想，轴承润滑油泄漏比较严重。图2是在满足轴系结构尺寸的前提下，拟新开发艉轴中间轴承密封系统构想，新系统采用二级密封加挡油环结构，新加挡油环可以部分阻止油箱内润滑油沿轴表面渗出密封形成泄漏。如果级密封出现泄漏，润滑油会进入二个密封间的腔内，由于腔底部设有泄油回路，泄漏的润滑油不会在腔内形成压力，第二级密封基本不会出现漏油现象。

　　可以看出，多级泄压密封降低了易损件的损坏程度，延长了使用寿命，其密封采用1个正压橡胶环，
　　1个负压橡胶环。当介质经过密封时，级橡胶密封将介质封住，即便有少许介质通过级橡胶圈后，第二级橡胶圈发挥作用，外界压力大于轴封内的压力，在内外界压差的作用下，两级密封圈同时发挥作用将橡胶圈牢牢地压在主轴上面，起到了密封效果；当轴承运转时轴封内的压力大于大气压力，一级密封圈发挥作用，进入密封圈油封1中的润滑油产生的泄漏压力转换为动能对橡胶圈做功，将密封圈油封2牢牢地压在主轴上，起到了密封效果。因此多级密封是利用液体压差的作用，通过二次密封元件来实现的，而不是靠填料挤压或者弹簧作用实现密封要求的，且可根据压力及结构要求，还可以添加橡胶圈实现多级密封配合，从而大大延长密封的使用寿命，避免密封的更换频繁，起到较好的密封效果。
　　3　多级泄压式轴承密封装置使用后的效果评估
　　多级密封的结构，在离主轴较远的橡胶圈处压力较大，大于外界流体的作用力。并且该密封没有旋转部件，与转动轴（套）接触部分为弹性材料，不会造成转动部件的振动和损坏。因此大大降低了检修频率，节约了成本。与传统密封和单级密封相比，它没有使用填料，也没有采用弹簧密封，避免了填料松动或者弹簧失效造成的泄漏现象。
　　多级泄压式轴承密封装置设计改进项目技术是现有成熟技术的组合，密封圈耐磨性和磨损自补性能有效提高现在密封件的密封效果和使用寿命。二级泄压式密封结构将少量泄漏润滑油通过增设的油路回流入轴承润滑油箱体，保证了润滑油不外泄。
　　此项技术有一定的先进性。根据舰船艉轴中间轴传动系统的要求，研制开发高速、低摩擦磨损、长寿命的轴承密封系统，轴承密封结构符合舰船结构要求，满足线速度25~30m/s、Z终达到较长寿命，Z低可达到该型舰船的1个中修周期。“多级泄压式密封系统”能有效防止舰船中间轴轴承漏油事故的发生，研究成果不仅可以作为舰船维修改造技术，也可以指导舰船设计制造技术的改进。同时，研究成果对民用船舶轴承漏油维修也有指导意义。
　　4　结束语
　　通过以上论述并结合实验可以初步得出结论，“多级泄压式密封系统”能够明显克服某舰船目前的单级轴承密封装置的各项不足，集抗泄漏、抗老化、抗磨损等众多优点于一体，并满足现有轴承和轴系结构尺寸的情况下，实现无抽轴不解体修复与更换。只要实际加工工艺满足设计需求，确实能够真正、稳定、有效地将舰船轴承密封装置漏泄问题得以根本解决，使得舰船运行安全得到Z大限度的保证。这种新型、节能、平稳、高效且环保的轴承密封装置必将是未来舰船各类轴承密封系统发展的必然趋势。

来源：《中国修船》