某型艦船軸承密封裝置防泄漏改進設計研究
2012-06-11作者：羅運同 楊青松 董作敬
（92854部隊）
摘 要：針對當前某型艦船主柴油機輸出端、主軸支撐點及柴油發電機主軸等處軸承密封圈出現的嚴重泄漏潤滑油問題，分析了泄漏原因，擬設計采用新型多級泄壓式密封技術實驗型軸承密封圈以替換目前單級軸承密封裝置，從而達到防止軸承潤滑油泄漏的目的，并滿足現有軸承和軸系結構尺寸的情況下，實現無抽軸不解體修復與更換。（92854部隊）
0 引言
艦船軸承密封裝置大都以密封圈的樣式固定于軸系上，作用是防止潤滑油泄漏以保證潤滑油對軸瓦的潤滑和冷卻效果，避免軸承溫度過高燒壞軸瓦，進而提高艦船的運行安全。其使用的密封材料通常有傳統填料、碳素及橡膠等種類。據對國產某型艦船的調研發現，該型艦船主柴油機輸出端、主軸支撐點及柴油發電機主軸等處軸承密封圈存在嚴重漏泄潤滑油的現象且多數在修理更新密封圈后不久即出現不同程度的潤滑油泄漏（該現象在同型艦中普遍存在）。艦船軸承潤滑油的非正常泄漏不僅僅造成潤滑油非正常耗損，污染艦員的工作環境，增大部隊日常維護保養和維修的難度，同時也會危及艦船本身的運行安全，影響艦船的在航率和在航等級，嚴重時甚至會影響艦船的戰斗力發揮。這種泄漏故障對于現代化艦船來說是不允許的，在對某型艦船艉軸中間軸承密封潤滑油泄漏調研過程中，我們了解到該型艦船柴油機、減速器軸承密封均有潤滑油泄漏現象，在艦船高速行駛時，這種漏油現象更加嚴重，潤滑油從密封間隙流出后隨軸旋轉拋出，形成現場技術人員稱謂的“飛油現象”。并且這種泄漏現象在同類艦船中普遍存在，多數艦船在修理更新密封圈后不久又會出現潤滑油泄漏。這種泄漏故障對于現代化艦船來說是不允許的。因此，應急需對此進行針對性研究，提出解決辦法，采用高效的軸封裝置，減少軸封對漏油及傳動效率的影響，徹底消除這一安全隱患。
1 軸承密封裝置泄漏的原因分析
潤滑油泄漏主要是因該型艦動力系統運轉速度較高(1450r/min)、密封件兩端壓差較大、密封件密封面積較小以及密封件老化和磨損快等原因造成的。此外，艉軸振動加劇了密封件磨損，潤滑油供油壓力波動造成瞬間流量增大從而形成來油飛濺和使艉軸軸頸表面油膜較厚，尤其是在軸承襯瓦口部位會形成很大的油流，使潤滑油容易從磨損與振動造成的艉軸與密封圈之間間隙流出，形成潤滑油泄漏油現象。通過現場調查和對原設計圖紙分析表明，某型艦船艉軸中間軸承設計不太合理，例如目前采用單級密封（軸承兩端各只用了一個密封圈）就難以滿足艦船艉軸中間軸承密封要求。
分析中我們還注意到另外一個可能造成潤滑油泄漏的原因，潤滑油在軸承體內空氣中高速運動，會帶動空氣進入油中形成油氣泡，并且油氣泡的行程可能超出了有密封實際間隙行程運行所允許的Z高油位，其設計在軸承兩端蓋的密封圈之下。
2 軸承密封裝置的設計改進方案
筆者針對上述泄漏故障原因，擬采用“多級泄壓式密封技術”實驗型軸承密封圈，并在無需抽軸等大程度的解體工作環境下通過降低密封件兩端壓差達到減少潤滑油泄漏效果，同時將殘余泄露的潤滑油流回油箱以達到軸封防泄漏的目的。具體的主要技術指標：“多級泄壓式密封技術”實驗型軸承密封圈可在主軸原位免拆狀態下進行更換并在正常運行兩年周期內無非正常泄漏潤滑油事故。具體研究內容如下。
2.1密封材料選配和密封圈性能優化研究
針對艦船工作條件與外部環境及零直徑密封膠圈現存不足，選配或研制一種新的更適合艦船艉軸中間軸承密封膠圈。
密封材料選配研究主要采用實驗研究的方法。選擇幾組具有良好彈性、抗老化性和耐磨性材料，制成有磨損自補償功能、合理接觸面的密封膠圈，進行針對性耐磨損和密封性能試驗，優選適合艦船艉軸中間軸承密封膠圈，密封材料技術主要是利用目前國內現有的成熟技術，并根據需要在此基礎上提高以滿足要求。這主要是鑒于該項技術是一個專項技術，需要較長時間的專門研究。
密封件的結構和受力變形研究主要采用有限元分析方法，為結構設計提供依據。采用設計分析和實驗方法降低摩擦面的壓力、減小摩擦磨損。密封件的抗磨性能與壽命研究也主要是采用實驗研究方法。通過對多種密封材料進行實驗比較，采用逐步優化的方法選擇合適的軸承密封膠圈。
密封順序、材料以及附加設備的選擇取決于不同的參數。待密封介質的壓力和溫度以及待密封軸的直徑和轉數在設計中是考慮功能安全性的重要參數。為了進行評估，經常會把產品的壓力和密封面的粗糙度作為評估值。其他的邊緣條件包括安裝環境、產品特性，例如化學侵蝕、結塊傾向和固體部件。這針對于固體含量高的產品或泥漿，對密封設計起著基礎作用。
2.2軸承密封結構的研制
圖1是現有某型艦船艉軸中間軸承密封系統示意圖，這種單級密封密封效果不理想，軸承潤滑油泄漏比較嚴重。圖2是在滿足軸系結構尺寸的前提下，擬新開發艉軸中間軸承密封系統構想，新系統采用二級密封加擋油環結構，新加擋油環可以部分阻止油箱內潤滑油沿軸表面滲出密封形成泄漏。如果級密封出現泄漏，潤滑油會進入二個密封間的腔內，由于腔底部設有泄油回路，泄漏的潤滑油不會在腔內形成壓力，第二級密封基本不會出現漏油現象。
1個負壓橡膠環。當介質經過密封時，級橡膠密封將介質封住，即便有少許介質通過級橡膠圈后，第二級橡膠圈發揮作用，外界壓力大于軸封內的壓力，在內外界壓差的作用下，兩級密封圈同時發揮作用將橡膠圈牢牢地壓在主軸上面，起到了密封效果；當軸承運轉時軸封內的壓力大于大氣壓力，一級密封圈發揮作用，進入密封圈油封1中的潤滑油產生的泄漏壓力轉換為動能對橡膠圈做功，將密封圈油封2牢牢地壓在主軸上，起到了密封效果。因此多級密封是利用液體壓差的作用，通過二次密封元件來實現的，而不是靠填料擠壓或者彈簧作用實現密封要求的，且可根據壓力及結構要求，還可以添加橡膠圈實現多級密封配合，從而大大延長密封的使用壽命，避免密封的更換頻繁，起到較好的密封效果。
3 多級泄壓式軸承密封裝置使用后的效果評估
多級密封的結構，在離主軸較遠的橡膠圈處壓力較大，大于外界流體的作用力。并且該密封沒有旋轉部件，與轉動軸（套）接觸部分為彈性材料，不會造成轉動部件的振動和損壞。因此大大降低了檢修頻率，節約了成本。與傳統密封和單級密封相比，它沒有使用填料，也沒有采用彈簧密封，避免了填料松動或者彈簧失效造成的泄漏現象。
多級泄壓式軸承密封裝置設計改進項目技術是現有成熟技術的組合，密封圈耐磨性和磨損自補性能有效提高現在密封件的密封效果和使用壽命。二級泄壓式密封結構將少量泄漏潤滑油通過增設的油路回流入軸承潤滑油箱體，保證了潤滑油不外泄。
此項技術有一定的先進性。根據艦船艉軸中間軸傳動系統的要求，研制開發高速、低摩擦磨損、長壽命的軸承密封系統，軸承密封結構符合艦船結構要求，滿足線速度25~30m/s、Z終達到較長壽命，Z低可達到該型艦船的1個中修周期。“多級泄壓式密封系統”能有效防止艦船中間軸軸承漏油事故的發生，研究成果不僅可以作為艦船維修改造技術，也可以指導艦船設計制造技術的改進。同時，研究成果對民用船舶軸承漏油維修也有指導意義。
4 結束語
通過以上論述并結合實驗可以初步得出結論，“多級泄壓式密封系統”能夠明顯克服某艦船目前的單級軸承密封裝置的各項不足，集抗泄漏、抗老化、抗磨損等眾多優點于一體，并滿足現有軸承和軸系結構尺寸的情況下，實現無抽軸不解體修復與更換。只要實際加工工藝滿足設計需求，確實能夠真正、穩定、有效地將艦船軸承密封裝置漏泄問題得以根本解決，使得艦船運行安全得到Z大限度的保證。這種新型、節能、平穩、高效且環保的軸承密封裝置必將是未來艦船各類軸承密封系統發展的必然趨勢。
來源：《中國修船》