船舶尾軸機械密封面形狀對密封性能的影響

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中船澄西船舶修造有限公司 機加工車間 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，螺旋槳旋轉時還會產生懸臂和不均勻載荷，導致尾軸承中尾軸的徑向跳動和偏心運動較大。此外，主機常用于倒車，在運行過程中，尾軸經常產生一定的橫向和軸向振動，這也可能對尾軸密封裝置產生不利影響。這些工作特性對尾軸的密封非常不利。此外,在發生故障時的尾軸密封裝置,不僅潤滑油泄漏或生成大量的機艙污水,造成污染的水域,但修復通常需要船碼頭或上層行,影響船舶的正常運行,所以尾軸密封裝置的研究是必要的和必要的。尾軸密封的發展日新月異。主要有兩種形式：水潤滑密封和油潤滑密封。對于內河船舶，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、靜態部分有一定間隙，不發生接觸。而是對流體的流動路徑進行節流，達到密封的目的。本發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。通過調節靜摩擦片中的彈簧強度，可以控制動、靜片間隙的緊度。

3 幾種傳統尾軸密封

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。整個無泄漏尾軸密封裝置在結構上最大的亮點就是采用了循環油設計，通過水壓來控制油槽開關，從而實現了吃水深度和密封性上的同步性。密封環材料選取上，充分考慮到了強度和變形量，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。組合式密封將機械式密封和唇形密封的優點集中在一起，深海密封公司設計的這款組合式無泄漏密封結構，尾部是機械式密封結構，船舶等精密密封設備吃水深度越深，相關的機械結構就壓的越緊，進一步將海水堵在外部。而尾軸中間部分采取唇形密封，2個唇口相對著設計，從而使得 2個唇口之間形成一個閉封的油室，當外部的壓力增大，油就會溢出到油槽，實現回收利用。尾軸內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。組合式密封的優越性就在于當其中一個密封方式失靈時，軸承密封結構還有第二道防護，使密封壓力增加，從而保證了密封效果。

4 新型自適應尾軸密封裝置

4.1 常規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、尾管滑油循環柜、尾軸管滑油泵、連接它們的管系、閥件和報警裝置等組成。其中，傳統尾軸密封結構通常為三環式設計，即靠近尾部的凸緣環、中間環和靠近軸首部的蓋環。

3種環的連接方式為機械式剛性連接，在抗振動、可拆卸性等方面表現不佳。有的常規設計在金屬環中間有唇型密封，唇形密封結合橡膠圈、潤滑油和彈簧，從而實現密封。

常規尾軸密封設計，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，保持密封性能好；橡膠圈的箍緊力如果小或者不均衡，將會導致整個軸系漏水，后果十分嚴重。在該裝置中，密封油腔中的油自調節能力差，也無法進行人為外部調節，因此，在尾軸吃水深度不同時，橡皮圈兩側的壓強差就有可能發生突變。如果壓差過大達到箍緊力的極限，整個密封結構就會失效，就會發生嚴重的泄漏，引發更嚴重的事故等。

4.2 新型尾軸密封系統

尾軸密封系統新要求。隨著海運規模的劇增，船舶發動機技術的突飛猛進，船舶不論在噸位還是發動機功率上都比以往擴大了一個數量級。船舶尾軸承和尾軸封的密封性要求也是越來越高，難度也是進一步提高。在當今的船舶精密機械設備密封設計中，必須要滿足以下需求才算是與時代相符合的密封性設計：(1)船尾軸和軸襯套相對圓周速度 20m/s；(2)尾軸密封機構可以在水壓 3bar下正常工作；(3)軸承和軸封的徑向跳動在 5mm以下；(4)機構可以承受較大的振動；(5)密封系統每月正常工作 8h 以上；6)進行拆卸和維護間隔在 2-3年。就目前來看，設計出一整套滿足需求的尾軸承和尾軸封密封系統有一定的困難：一是尾部吃水深度的改變帶來水壓持續不斷的變化，鑒于目前傳感器的精度靈敏性，對其檢測還有一定難度；二是由于水下的操作環境限制，數字化電路要想完全實現動密封還要進一步努力； 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

針對唇形密封，通過調節唇口兩邊的壓強差(P1-P2)進而控制密封腔，可以實現整個軸密封的性能調節。因此，設計出隨著尾部吃水深度不同而進行自動調節壓力的裝置，是實現零泄漏的重中之重。新型密封設計采用了模塊化壓力控制單元，可以實時的對油腔的壓力進行調節。

在這種新型模塊化控制密封系統中，空氣閥、油壓檢測模塊、溢流閥及報警模塊起到了關鍵性作用。在該系統中，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，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的水壓，并將其壓力信號反饋給空氣室壓力控制單元此時，空氣室壓力控制模塊會將空氣導入 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穩定的氣壓，此時的氣壓為空氣噴嘴測算出的某一位置海水壓 P。與此同時3-3道橡膠圈兩側，就會保持一個穩定的壓強差。通過這個可控的壓強差，從而實現了自適應性密封。

5 船舶尾軸機械密封面形狀對密封性能的影響

5.1 船舶尾軸機械密封面形狀的基本問題

從整體上看，船舶尾軸機械密封面形狀的基本問題是摩擦學問題。所謂摩擦學是研究滑動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,使現代生活,但許多其他摩擦可以產生嚴重影響,并認真研究如何克服這些不便造成的過度摩擦或磨損,摩擦消耗或浪費了很多人為的能量,和需要足夠的生產力取代變成無用的對象,由于磨損。目前，船舶尾軸主要采用平面接觸式機械密封方法，在工作過程中大多處于邊界摩擦和混合摩擦狀態。為了減輕摩擦對船舶尾軸及其密封性能的負面影響，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準功能和密封性能[2]。

5.2 球面與平面密封主要參數分析

（1）結構與材料參數。球面與平面機械密封裝置均由靜環、靜環座、動環、動環座與彈簧組件等組成，兩者的主要區別在于靜環與動環的密封面形狀不同，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、動環球形密封面的內邊界與軸心線的夾角；θ2為靜、動環球形密封面的外邊界與軸心線的夾角。靜環材料為非金屬，固定在靜環座上，靜環座不旋轉，只作軸向移動。動環材料為青銅，鑲嵌在動環座上，動環座直接通過鍵槽與卡環固定在尾軸上。靜、動環的密封面在彈簧力與被密封介質（海水）壓力的共同作用下保持貼合，防止海水滲入機艙。其中D為尾軸直徑，球面密封環的球面半徑假定為400 mm。靜環、動環與座體分別選取了進口的 T12飛龍材料、青銅與C15材料。

圖1 機械密封結構

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

另一方面，船舶尾軸機械密封的性能參數很多。主要參數包括密封量、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。參數公式如下：GS =ηvLS / F,GP =ηvLS / F。

η是用于指示密封流體動力學的粘度系數,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是密封面的總負載。從比例的角度看，密封數的數值越大，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間內密封介質從密封面泄漏的體積，從而測量機械密封的效果。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以上。

5.3 球面和平面密封的有限元建模方式

當機械密封處于靜止狀態時，密封面多處于緊密貼合狀態，密封面上的作用具備水膜反力效應，如果水膜反力無法滿足抵消閉合力的要求，密封面就會出現船舶尾軸機械接觸現象。如果平衡型尾軸機械密封處于混合摩擦狀態下，就會收到軸向受力的作用，此時的閉合力與外部海水以及彈簧作用上的軸向合力相等。

新時代的機械密封模型大多為軸對稱模式，海水和彈簧壓力呈面力，其中，密封面之間的水膜反力會被假定成線性分布模型，先運用對流換熱邊界工藝來處理海水對密封環的冷卻作用，然后，用熱流密度邊界法來處理密封面之間的摩擦熱。為了維持靜環與動環的密封面溫度一致性，則需要采用耦合法和整體接觸來進行建模。因為靜環座與靜環以及動環座與動環的配合部位及其邊界條件尚難以明確，所以，需要對靜環座與靜環以及動環座與動環進行分層化黏結，實施一體化建模，以此明確邊界條件，并將其轉化成內部邊界。與此同時，需要采用接觸向導法來進行有限元建模。

從微觀視角來看，有限元建模分為以下五個步驟如下：①借助ANSYS 軟件組建完善的耦合單元，著重優化其內結構，使用PLANE13定義單元菜單的自由度選項，明確 x 和 y 的方向，控制好溫度，使單元特性選項保持為軸對稱。②準確定義靜環座與靜環以及動環座與動環和彈簧的彈性、泊松比、模量、熱導系數和熱膨脹系數等屬性。③將靜環座與靜環以及動環座與動環科學劃分成3069個網格和3191個節點。將單元尺寸控制在0.5mm 左右，其他部分不得超出1mm。④運用接觸向導法對靜環端面實施定義接觸單元，將目標單元定義于動環端面之上。在挑選摩擦因數時需要正確選擇鍵入摩擦因數值。此外，要充分保證靜環與動環在密封面對應節點的溫度一致性。然后，在剛度矩陣選項中正確布設選擇非對稱。⑤添加最合適的外界條件，控制好壓力載荷。因為動環安裝通常在軸上而且會和靜環接觸，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，并根據實際情況，調節好彈簧壓力，將密封面的浸水部位設置為外側，非浸水部位則為內側。此外，要將密封面的內側壓力和船艙內的空氣壓力保持一致，使外側壓力和海水壓力趨于相等指數。

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