艦載發射裝置動環斷裂故障分析與改進

高 云，劉 帥

(海軍裝備部, 湖北 武漢 430000)

0 引 言

渦輪泵發射系統為某型艦用發射裝置的動力部分，在發射時通過葉輪高速旋轉為發射裝置提供高壓水，高壓水進入發射管將器材推動出管完成發射[1]。作為渦輪泵發射系統的重要組成部分，組合式機械密封機構在渦輪泵發射系統中起密封作用[2]，防止海水進入人員生活區，其結構如圖1 所示。組合式機械密封機構共有3 級密封，在不同的工況下，不同級別的密封分別起到密封作用。一級密封是滑閥密封，由安裝在泵軸上的錐套、錐套上的密封圈及滑閥組成，在渦輪泵發射系統不工作時，由一級密封實現密封功能；二級密封屬于動密封，由動環、動環座、靜環及靜環卡環等部件組成，在渦輪泵工作過程中由二級密封實現密封功能[3]；三級密封屬于應急密封，由密封壓蓋、應急調節螺母和裝在密封壓蓋上的密封圈組成，在一級和二級密封均失效情況下，可通過旋緊應急調節螺母使應急調節螺母壓緊密封壓蓋上的密封圈從而實現應急密封[4]。

圖1 組合式機械密封機構Fig.1 Combined mechanical seal mechanism

1 故障分析與排查

1.1 問題定位

根據產生該動環斷裂發生的機理，建立故障樹模型，共建立底事件8 項，如圖2 所示。將對引起動環斷裂故障的可能原因進行逐一排查。

圖2 動環斷裂故障樹Fig.2 The fault model tree of rotating seal ring

1.2 故障排查

1）設計強度問題

動環與動環座間的傳動是典型的“撥叉傳動形式”，動環的材料為YG6,抗彎強度（抗彎曲不斷裂強度）≥1400 MPa，抗壓強度≥4600 MPa，硬度≥89.5 HRA，彈性模量為5.6～6.2×105MPa。

對動環進行動力學仿真分析，施加的邊界條件如下：靜環與動環通過摩擦連接，摩擦系數0.4，且其彈簧擠壓在一起，彈簧壓力4800 N（已含水壓影響）。固定靜環，動環座在0.5 s 內受力轉速從0 勻加速到1 500 r/min。

對靜環端面施加固定約束，如圖3 所示。

圖3 靜環端部固定約束Fig.3 Constrain the end of the static ring

對動環座端部施加彈簧壓力4 800 N，如圖4 所示。

圖4 動環座端部施加Y 向載荷4 800 NFig.4 Apply a Y-direction load of 4 800 N to the end of rotating seat

動環座在0.5 s 內受力轉速從0 勻加速到1 500 r/min（157 rad/s），其旋轉瞬態結構如圖5 所示。

圖5 動環座瞬態結構Fig.5 Transient structural of rotating seat

經過對動環與靜環間的運動進行動力學仿真，動環的應力分布如圖6 和圖7 所示。由仿真結果可知，動環卡槽的根部受應力最大，最大應力為34.792 MPa，滿足材料的強度要求，故可以排除設計強度問題因素。

圖6 動環應力分布圖Fig.6 Stress distribution map of rotating seal ring

圖7 動環應力峰值分布圖Fig.7 Stress peak distribution map of rotating seal ring

2）材質問題

①化學成分。對斷裂的動環進行了化學成分檢測，結果表明，鎢的含量94%，鈷的含量6%，化學成分符合標準要求，故可排除化學成分不合格因素。

② 機械性能。對斷裂的動環進行了機械性能檢測，結果表明，硬度為91.4 HRA，抗彎強度（抗彎曲不斷裂強度）為2 510 MPa，機械性能符合標準要求，故可排除機械性能不合格因素。

③材料內部應力。在真空和低壓燒結動環毛坯過程中,動環毛坯會產生內部應力。線切割過程中，動環卡槽線切割部位也會產生加工應力，故不能排除材料內部應力導致的卡槽斷裂。

3）圓角處微裂紋

動環為硬脆材料，動環的卡槽是由線切割加工成型的，在線切割過程中會產生瞬時高溫，在切削液快速冷卻的作用下，線切割部位容易產生表面微觀裂紋，特別是動環卡槽的根部為銳角，屬于線切割拐角部位，卡槽根部的圓角處易產生表面微觀裂紋，故不能排除圓角處微裂紋導致的卡槽斷裂。

4）尺寸問題

動環回廠后進行了全尺寸復測，復測的尺寸均滿足圖紙要求，故可排除尺寸問題因素。

5）裝配問題

手動轉動泵軸測量葉輪部件和葉輪室的間隙（此間隙需要經自檢、專檢和軍檢），泵軸和葉輪部件轉動靈活，說明機械密封裝置的動環可以自由轉動，無卡滯（無額外載荷），因此可以排除裝配問題因素。

6）試驗問題

渦輪泵發射系統完成了多次發射試驗，在試驗過程中，機械密封部位未聽見異常響聲。試驗完成后，對其進行分解，機械密封機構內部無異物，動環的密封面完好，無劃傷、磨損等異常現象，說明動環轉動正常，試驗過程中無異物導致動環所受的摩擦力矩增大，因此可排除試驗問題因素。

綜上所述，動環在設計強度、化學成分、機械性能、加工尺寸、裝配和試驗方面均無問題，因此材料內部應力和圓角處的微裂紋共同作用導致動環斷裂。

1.3 故障機理分析

機械密封機構在假海試驗過程中，動環的卡槽根部會反復受到啟動力矩（17.11 N·M）和摩擦力矩（最大為152 N.M）的作用，且卡槽的根部屬于應力集中部位，受到最大的應力為34.792 MPa。雖然理論上動環卡槽根部不會因強度不足導致斷裂，但是由于動環卡槽根部為應力集中部位，在線切割過程中，動環卡槽根部易產生表面微裂紋和加工應力，在材料的殘余應力（冶煉應力、加工應力等）及外部載荷（交變特性）的共同作用下，微裂紋會逐步擴展，最終導致動環卡槽出現裂紋或斷裂。

1.4 故障復現

將機械密封機構損壞的動環用同批次生產的動環更換后,進行機械密封機構臺架試驗驗證。完成滑閥和應急密封的密封性試驗后，用電機帶動泵軸以約200 r/min 的轉速旋轉10 次。試驗后，對機械密封機構進行拆檢，動環未發現明顯異常，放置3 天后發現動環的一個卡槽從根部斷裂，如圖8 所示。

圖8 動環斷開部位Fig.8 Split pars of rotating seal ring

對整個動環進行著色探傷檢查，發現其余卡槽根部也有3 道細小裂紋，動環卡槽斷裂問題故障復現，如圖9 所示。

圖9 動環裂紋Fig.9 Crack of rotating seal ring

2 故障解決措施與驗證

2.1 動環制造工藝優化

根據動環斷裂的原因，需要消除線切割過程中產生的表面微觀裂紋，并降低動環卡槽根部的應力集中，采取的措施如下：

1）動環冶煉成型后進行深冷處理（溫度控制在-180℃左右），改善在冶煉過程中的應力；

2）動環毛坯成型后增加超聲波探傷檢測工藝，保證內部無裂紋、氣孔等缺陷；

3）動環卡槽根部的圓角由R0.1～R0.2 優化至R0.5～R0.7；

4）卡槽線切割時留0.2～0.3 mm 的磨削余量，通過磨削減少線切割過程中產生的表面微觀裂紋，并改善線切割時的加工應力；

5）渦輪泵假海聯調試驗后，對機械密封進行分解、清洗，并對動環進行著色探傷，應符合標準NB/T47013.5-2015 的Ⅰ級要求（不允許存在線性缺陷）；3 天后再次進行著色探傷，符合標準NB/T47013.5-2015 的Ⅰ級要求（不允許存在線性缺陷）。

2.2 試驗驗證

1）動環卡槽靜態拉力試驗

為保證優化的制造工藝有效，在新工藝確定后，對新工藝生產的動環在靜拉力試驗機上進行動環卡槽靜態拉力試驗。試驗方法如下：固定動環，在動環下方壓有一可繞中心旋轉的銷軸，用旋轉拉力機對壓在動環下方的銷軸進行拖拽，使銷軸作用在卡槽根部，從而檢驗新動環卡槽在受力情況下的強度。試驗完成后，對試驗的動環進行著色探傷檢查，動環卡槽無裂紋。

2）機械密封試驗臺旋轉試驗

按新工藝重新制造一件動環，并取后續船的一件老工藝動環，新工藝動環和老工藝動環在機械密封試驗臺上同時進行旋轉試驗，對新工藝和老工藝動環進行200 次旋轉試驗，試驗水壓均為2.4 MPa（最高水壓），啟動和制動時間各3 s。試驗完成后，對動環進行了著色探傷檢查，新工藝動環符合NB/T47013.5 的Ⅰ級要求（不允許存在線性缺陷），老工藝動環出現3 處裂紋。

3）渦輪泵系統假海聯調試驗

按新工藝加工2 件新動環，按照產品的裝配工藝完成渦輪泵組合式機械密封的裝配。為了確保動環裝配無問題，保證假海聯調試驗的有效性，在裝配完成后，先在組合式機械密封試驗臺上進行密封性試驗檢查以及試運轉試驗。試運轉試驗過程中，對高壓釜分別加壓至0.03 MPa，0.1 MPa，0.5 MPa，1.5 MPa 以及2.4 MPa，每組壓力試運轉4 次。組合式機械密封機構運行平穩，無卡滯。

隨后對試運轉合格的1 套組合式機械密封機構上渦輪泵系統假海試驗臺，進行假海聯調試驗，試驗共計運轉152 次，試驗完成后對組合式機械密封機構進行拆檢和清洗，并對動環進行了著色探傷，探傷結果符合標準NB/T47013.5-2015 的Ⅰ級要求（不允許存在線性缺陷）。3 天后，對該動環進行了再次著色探傷，探傷結果符合標準NB/T47013.5-2015 的Ⅰ級要求（不允許存在線性缺陷），該新工藝動環假海試驗后著色探傷如圖10 所示。

圖10 新動環假海試驗后著色探傷Fig.10 PT of new rotating seal ring after simulated ocean test

綜上所述，新工藝制造的動環通過靜態拉力試驗、機械密封試驗臺旋轉試驗和假海聯調試驗，說明對動環采取的優化制造工藝有效，新工藝動環滿足產品的使用要求。

3 結 語

某型魚雷發射裝置動環斷裂的原因是動環卡槽根部的應力集中。在反復交變應力的作用下，使線切割產生的表面微裂紋發生擴展，最終發生斷裂。本文對動環結構設計、加工工藝進行了優化改進，通過試驗驗證了新工藝動環滿足產品的使用要求，有效解決了動環斷裂的故障問題。