矩形大尺寸升降臺與船艙口間耐大水壓實體異形密封圈密封結構設計

李桂菊，肖岱宗，石邦凱

(中國船舶重工集團公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

0 引 言

矩形大尺寸升降臺上升至與船艙口上平面平齊時，升降臺與船艙口間的密封僅能滿足沖水密封要求，通常采用中空形式密封圈正面頂緊在船艙口下平面的密封結構。但是，目前這種中空形式密封圈的密封結構不能滿足升降臺與船艙口間大水壓的密封要求。在遇到較高海情、較大風浪時漏水現象比較嚴重。

本文介紹一種新形式的矩形大尺寸升降臺與船艙口間耐大水壓實體異形密封圈密封結構，可以在高海況下可靠密封。該密封結構形式的研究可為船與設備之間抵抗高海情、大風浪的密封結構設計提供參考。

1 密封結構、原理及特點

1.1 中空形式密封圈的密封結構、原理及特點

1.1.1 密封結構

中空形式密封圈密封結構由密封圈、船艙口下平面、升降臺及其底座組成，如圖1所示。

密封圈采用橡膠材料，截面上部呈半圓形中空結構，上部外表面為密封面。下部呈方形結構，用于安裝。密封圈安裝在升降臺底座四周的凹槽中。

1.1.2 原理及特點

升降臺與船艙口間的密封即通過安裝在升降臺底座四周凹槽中的密封圈與船艙口下平面之間的密封實現。升降臺上升到終點高度位置時，中空形式密封圈密封面頂壓在船艙口下平面，密封圈上部呈半圓形中空結構產生壓縮變形，形成密封壓力阻擋從船艙口上平面與升降臺之間間隙流入的水流進入艙室，從而實現升降臺與船艙口之間的密封（圖1中箭頭方向為水流方向）。

圖1 中空形式密封圈的密封結構示意圖Fig.1 Sealing construction of hollow sealing ring

中空形式密封圈密封結構特點：

1）密封圈安裝在升降臺底座四周的凹槽中，安裝簡便；

2）由于船艙口下平面尺寸較大，即使采用整體焊接結構其平面度也很難達到較高要求，密封圈采用中空結構抵御安裝、艙口變形誤差的能力有限。

3）船艙口下平面是非加工面，密封圈與船艙口下平面之間是密封圈與非加工面之間的密封。

1.2 實體異形密封圈密封結構、原理及特點

1.2.1 密封結構

實體異形密封圈密封結構的基本組成：密封圈、船艙口下平面、升降臺及其底座四周密封環、壓環等，如圖2所示。

圖2 實體異形密封圈密封結構示意圖Fig.2 Sealing construction of solid special-shaped sealing ring

密封圈采用橡膠材料，截面呈實體側面雙唇口結構，唇口外表面為密封面。壓環焊接在船艙口下平面，密封圈安裝在升降臺底座四周的密封環上，用螺釘和壓板緊固。

1.2.2 原理及特點

從L型密封圈的密封原理出發，研究其結構特點并結合實際使用工況，保留L型密封圈的自密封優勢、摒棄初始接觸壓力不足的缺陷，設計出了實體異形密封圈結構。在自由狀態下實體異形密封圈唇口內圈尺寸小于密封面的外形尺寸，使得實體異形密封圈唇口有一定的壓縮變形量。將唇口結構上翹并將一側固定，唇口便與密封面間產生一定的初始接觸壓力，隨著水壓升高，唇口與密封面間的接觸壓力也隨之升高。

升降臺與船艙口間的密封即通過安裝在升降臺底座四周密封環上的密封圈與焊接在船艙口下平面的壓環之間的密封實現。密封圈雙唇口長方形內圈在自由狀態下的長寬尺寸小于壓環長方形外圈密封面的長寬尺寸。在升降臺上升到位時，壓環長方形外圈密封面進入密封圈雙唇口長方形內圈密封面中，此時密封圈雙唇口產生壓縮變形（彎曲彈性變形）與壓環的密封面之間形成密封壓力阻擋從船艙口上平面與升降臺之間間隙流入的水流進入艙室，達到升降臺與船艙口間大水壓密封要求（圖2中箭頭方向為水流方向）。

實體異形密封圈密封結構的特點：

1）密封圈安裝在升降臺底座四周的密封環上，用螺釘和壓板緊固，安裝略復雜；

2）壓環焊接時可以采取措施補償船艙口下平面的平面度誤差，密封圈采用實體雙唇口結構能夠產生較大壓縮變形（彎曲彈性變形）量。此種密封結構抵御安裝、變形誤差的能力較強。

3）壓環密封面是加工面，密封圈與壓環之間是密封圈與加工面之間的密封。

2 采用實體異形密封圈密封結構解決的技術問題、計算結果和試驗驗證結果

2.1 解決的技術問題

一直以來在較高海情、較大風浪時升降臺與船艙口間常常出現漏水嚴重的現象，需要解決一個較大的技術問題是在以下工況下實現大水壓（20 m水深，0.2 MPa）密封：

1）升降臺與船艙口間存在升降臺運行、安裝、船艙口變形造成的較大偏心尺寸誤差；

2）密封面呈矩形大尺寸結構，而非圓形回轉體，長度大于4 m，寬度大于1 m；

3）密封需要的設備動力資源有限。

研究設計的實體異形密封圈密封結構很好地解決了上述技術問題，達到了大水壓（20 m水深，0.2 MPa）密封要求。

2.2 計算結果和試驗驗證結果

密封圈壓縮變形量從3.5 mm變化至8.5 mm，最小壓縮變形量為3.5 mm。圖3所示僅列出有限元分析軟件Ansys對密封圈進行最小壓縮變形量3.5 mm時的接觸壓力仿真計算結果（最大壓縮變形量的接觸壓力大于最小壓縮變形量的接觸壓力），結果表明最大接觸壓力大于0.2 MPa，理論上能夠滿足大水壓密封要求。

圖3 實體異形密封圈壓縮變形量3.5 mm時接觸壓力分布（單位Pa）Fig.3 Contact pressure distribution with 3.5 mm of compression deformation of solid special-shaped sealing ring (Pa)

進行水密試驗驗證，充水壓力0.2 MPa，保壓后，密封面無水珠、水跡。實體異形密封圈密封結構能夠滿足大水壓密封要求。

3 實體異形密封圈密封結構的有益效果

1）允許2個密封面間存在較大的偏心尺寸誤差

一般大水壓密封結構均要求密封面間尺寸精準，例如“O”形密封圈密封結構，楔形密封結構等。

升降臺與船艙口間不可避免存在升降臺運行、安裝、船艙口變形造成的較大偏心尺寸誤差。該密封結構密封圈雙唇口理論壓縮變形量為6 mm，最大壓縮變形量為8.5 mm，最小壓縮變形量為3.5 mm，最大壓縮變形量與最小壓縮變形量的差值即為升降臺與船艙口間允許的偏心尺寸誤差值5 mm（±2.5 mm），如圖4所示。

2）密封可靠

實體異形密封圈采用雙唇口密封結構，即雙道密封結構。

3）對設備動力資源的需求較小

在升降臺上升到位時，中空形式密封圈的密封結構需要消耗升降臺的頂升力是在密封圈上產生壓縮變形量的正壓力；而實體異形密封圈密封結構當壓環長方形外圈密封面進入密封圈雙唇口長方形內圈密封面中，此時消耗的升降臺頂升力僅為升降臺上的實體異形密封圈與壓環密封面間的摩擦力；密封面間的摩擦力遠小于密封面間產生壓縮變形量需要的正壓力，因而實體異形密封圈密封結構對設備動力資源需求較小。

圖4 實體異形密封圈密封結構允許偏心尺寸誤差示意圖Fig.4 Tolerable misalignment error of solid special-shaped sealing ring construction

4 結 語

通過對矩形大尺寸升降臺與船艙口間耐大水壓密封結構的研究設計，解決了一直以來升降臺與船艙口間在遇到較高海情、較大風浪時漏水嚴重的技術問題，并經過理論計算和試驗驗證大尺寸升降臺與船艙口間耐大水壓實體異形密封圈密封結構能夠滿足大水壓（0.2 MPa）密封要求。該密封結構有著突出的幾項有益效果可以應用于同類密封結構設計。