我國(guó)潛艇艉軸密封裝置技術(shù)發(fā)展概況及趨勢(shì)探討

曹海健，葉 華，崔元桃

（東臺(tái)船用配件有限公司，江蘇 東臺(tái) 224200）

我國(guó)自50年代起，開始組建海軍潛艇部隊(duì)，首批潛艇艉軸密封裝置隨潛艇一起從原蘇聯(lián)引進(jìn)，從60年代起，我國(guó)開始自行設(shè)計(jì)建造潛艇，限于當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)的技術(shù)和生產(chǎn)能力，所選用重要設(shè)備包括艉軸密封裝置大部仍由原蘇聯(lián)引進(jìn)，少量艉軸密封裝置由國(guó)內(nèi)科研所牽頭在引蘇設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行測(cè)繪、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)，產(chǎn)品性能基本能滿足部隊(duì)使用要求。

隨著國(guó)際軍事科技的快速發(fā)展，潛艇艉軸密封裝置的技術(shù)性能正在由低潛深、低性能、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，向大潛深、高性能、結(jié)構(gòu)復(fù)雜發(fā)展。

1 技術(shù)性能指標(biāo)

潛艇艉軸密封裝置技術(shù)性能的核心是潛艇的潛深能力，表現(xiàn)為密封裝置在潛艇極限下潛深度范圍內(nèi)，適應(yīng)于潛艇艉軸惡劣運(yùn)轉(zhuǎn)工況時(shí)的密封性能。相關(guān)信息表明，美、俄等軍事大國(guó)已經(jīng)擁有或正在建造潛深超過(guò)600m的潛艇。隨著國(guó)際軍事科技競(jìng)爭(zhēng)的日益加劇，部隊(duì)對(duì)潛艇所具備的潛深能力的要求在不斷提高。高潛深的潛艇也正在計(jì)劃建造之中。

潛艇艉軸密封裝置技術(shù)性能還應(yīng)包括：良好的應(yīng)急能力，操作、維護(hù)簡(jiǎn)便，較低的摩擦功率損耗及運(yùn)轉(zhuǎn)噪音。基于對(duì)潛艇總體性能的需要，部隊(duì)對(duì)上述指標(biāo)的要求日益嚴(yán)格。為滿足現(xiàn)代國(guó)防建設(shè)的要求，研制新一代潛艇艉軸密封裝置必須從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選用兩方面作廣泛而細(xì)致的研究。

2 結(jié)構(gòu)形式的演變

早期潛艇艉軸密封裝置的結(jié)構(gòu)形式沿襲引蘇設(shè)備，結(jié)構(gòu)上采用一道機(jī)械端面密封作為主密封，軸向串聯(lián)布置冗余設(shè)計(jì)的皮碗防砂裝置、填料密封裝置各一道作為輔助、應(yīng)急密封。主密封副由一只隨艉軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)環(huán)和一只靜止的靜環(huán)組成，圓周均勻布置并隨艉軸旋轉(zhuǎn)的彈簧推動(dòng)動(dòng)環(huán)，實(shí)現(xiàn)密封副的軸向補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)。當(dāng)主密封發(fā)生故障時(shí)，可通過(guò)壓緊填料密封裝置實(shí)現(xiàn)短時(shí)間的應(yīng)急密封。皮碗起到防砂裝置的作用，是在潛艇停靠港口期間，阻止泥砂進(jìn)入密封腔損害主密封，同時(shí)能提供一定的水面密封性能，以實(shí)現(xiàn)在港口期間不進(jìn)塢，不抽艉軸對(duì)主密封副的維修、更換。填料密封裝置提供在主密封損壞時(shí)的應(yīng)急密封性能。

上世紀(jì)八十年代末，我國(guó)開始某型常規(guī)動(dòng)力潛艇的建造，配套的艉軸密封裝置由總體科研所牽頭研制。借鑒吸收國(guó)外艉軸密封裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)，在廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)海況，進(jìn)行了充分的論證，結(jié)構(gòu)上仍采用冗余設(shè)計(jì)，在保留某型密封裝置皮碗防砂裝置、填料密封裝置及其性能的基礎(chǔ)上，增加一道剖分式氣胎密封作為應(yīng)急輔助密封。當(dāng)主密封發(fā)生損壞時(shí)，該氣胎密封使?jié)撏г谙聺撘欢ㄉ疃确秶鷥?nèi)，能夠座沉海底并保持靜態(tài)密封，以實(shí)現(xiàn)對(duì)主密封副的緊急維修、更換。在潛艇下潛一定深度范圍內(nèi)，艉軸以低轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，該氣胎密封能夠保持動(dòng)態(tài)密封，提供潛艇在緊急情況下的機(jī)動(dòng)性能。

為適應(yīng)部隊(duì)對(duì)使用性能要求的日益提高，潛艇艉軸密封裝置的結(jié)構(gòu)形式將向雙端面密封、整體安裝式結(jié)構(gòu)發(fā)展。采用雙端面密封的結(jié)構(gòu)形式，可以進(jìn)一步提高裝置密封的耐壓壓力和可靠性能。而整體安裝式結(jié)構(gòu)的采用，將會(huì)克服現(xiàn)有密封裝置散件安裝結(jié)構(gòu)所固有的安裝繁瑣，調(diào)整、維護(hù)困難的缺點(diǎn)。可以預(yù)見(jiàn)的是，為保證裝置的可靠性能，在結(jié)構(gòu)上將繼續(xù)采用冗余設(shè)計(jì)。

3 新型材料的應(yīng)用

潛艇艉軸密封裝置殼體、端蓋等結(jié)構(gòu)件的材質(zhì)，一直選用高強(qiáng)度鑄件或高強(qiáng)度鍛件。長(zhǎng)期使用效果表明，上述兩種材料能夠較好地滿足使用要求。同時(shí)，該兩種材料存在著加工困難，耐海水腐蝕能力不強(qiáng)的缺點(diǎn)。在滿足艇體總體性能要求的前提下，尋找合適的替代材料是提高潛艇艉軸密封裝置性能的方向之一。主密封的輔助密封偶件，常選用銅鋁合金、合成橡膠作為配對(duì)材料，經(jīng)驗(yàn)表明，該兩種材料配對(duì)使用性能良好，僅在零件的表面強(qiáng)度、精度和耐候性能上有待進(jìn)一步提高。

作為影響裝置密封性能的關(guān)鍵件，機(jī)械主密封動(dòng)、靜環(huán)材質(zhì)的選用顯得尤為重要。早期潛艇艉軸密封裝置由原蘇聯(lián)引進(jìn)，出于立足國(guó)內(nèi)、自行配套的國(guó)防建設(shè)原則，國(guó)內(nèi)科研所對(duì)引蘇設(shè)備的關(guān)鍵件材質(zhì)作了分析、研究，受技術(shù)手段所限，當(dāng)時(shí)只能認(rèn)定引蘇設(shè)備的動(dòng)環(huán)材質(zhì)為高鉻合金鋼，靜環(huán)材質(zhì)為浸漬石墨環(huán)。著眼于當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)的材料工業(yè)水平，在自行研制的密封裝置上，采用某次聊作為動(dòng)環(huán)材料、浸漬巴氏合金石墨作為靜環(huán)材料。該兩種材料作為主密封副配對(duì)材料，較好地滿足了裝置的密封性能要求。但是，用作動(dòng)環(huán)材料的某材料，存在著熱處理性能不穩(wěn)定，耐磨性差，耐海水腐蝕能力較弱的缺點(diǎn)。而作為靜環(huán)材料，浸漬巴氏合金石墨環(huán)也會(huì)因浸漬后組織不均勻，導(dǎo)致磨合、耐磨性能不理想。

針對(duì)上述材質(zhì)在實(shí)際使用中的表現(xiàn)，在為某型潛艇及后續(xù)艇配套密封裝置的研制過(guò)程中，結(jié)合國(guó)際、國(guó)內(nèi)材料工業(yè)的發(fā)展水平，逐步選用新材料作替代試驗(yàn)。在對(duì)比試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)裝置材料的選用作相關(guān)替代：

（1）動(dòng)環(huán)材料

選用碳化鎢硬質(zhì)合金作為動(dòng)環(huán)密封副材料。該材料具有極高的硬度和強(qiáng)度，良好的耐磨性、耐泥砂能力和耐海水腐蝕性能。同時(shí)，該材料也有著脆性大，機(jī)械加工困難的缺點(diǎn)。針對(duì)這個(gè)缺點(diǎn)，碳化鎢硬質(zhì)合金動(dòng)環(huán)結(jié)構(gòu)由整體式發(fā)展為鑲嵌式結(jié)構(gòu)。

（2）靜環(huán)材料

在工藝手段合理，產(chǎn)品質(zhì)量有保障的前提下，浸漬巴氏合金石墨環(huán)仍然是密封靜環(huán)的首選材質(zhì)。同時(shí)，國(guó)內(nèi)科研所和相關(guān)企業(yè)應(yīng)開展全面合作，做好青銅、浸漬青銅石墨環(huán)等備選材質(zhì)的對(duì)比試驗(yàn)工作，力爭(zhēng)早日實(shí)現(xiàn)更好的靜環(huán)材料應(yīng)用，進(jìn)一步提升裝置性能。

（3）結(jié)構(gòu)件材料

在總體所的帶動(dòng)下，生產(chǎn)企業(yè)和國(guó)內(nèi)材料專業(yè)所開展了多層次的合作，在滿足艇體總體性能要求的同時(shí)，一些新型材料已實(shí)現(xiàn)了成功的應(yīng)用。其中某材料性能優(yōu)異，在具備較高的耐海水腐蝕能力的同時(shí)，在海水中能夠保持較低的固有電位，能夠避免對(duì)艇體和其他設(shè)備造成電化學(xué)腐蝕。在研究所委托南海部隊(duì)進(jìn)行的海水掛片試驗(yàn)中，某材料被選定為某新型密封裝置的結(jié)構(gòu)件材料。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從技術(shù)性能指標(biāo)、結(jié)構(gòu)形式的演變和新材料的應(yīng)用三個(gè)方面對(duì)我國(guó)潛艇艉軸密封裝置技術(shù)發(fā)展概況及趨勢(shì)進(jìn)行了分析和探討。對(duì)潛艇艉軸密封裝置技術(shù)性能指標(biāo)的要求作了細(xì)致的分析，認(rèn)為潛艇艉軸密封裝置技術(shù)性能指標(biāo)應(yīng)根據(jù)國(guó)防建設(shè)的要求而不斷提高；預(yù)測(cè)了我國(guó)潛艇艉軸密封裝置的結(jié)構(gòu)形式將向雙端面密封、整體安裝式結(jié)構(gòu)發(fā)展，并預(yù)測(cè)在新型潛艇艉軸密封裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中將繼續(xù)采用冗余設(shè)計(jì)以保障潛艇的安全性能；結(jié)合工作實(shí)踐和材料科學(xué)技術(shù)發(fā)展的背景，認(rèn)為新材料的應(yīng)用將在我國(guó)潛艇艉軸密封裝置技術(shù)發(fā)展的過(guò)程中起到不可替代的作用。

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