艉轴密封装置密封失效机理及对策

郭 毅

(海军驻武汉461厂军事代表室，湖北武汉 430084)

1 某型艉轴密封装置的结构及功能

国产某型艉轴密封装置的结构见图1，主要由机械密封装置、气胎密封装置、皮碗密封装置及碳纤维填料密封装置组成。皮碗密封、气胎密封、机械密封及填料密封按从舷外到舷内的顺序串联安装在一起，其中机械密封是正常状态下使用的密封装置，属主密封，气胎密封和填料密封是非正常状态下使用的应急密封装置。

图1 某型艉轴密封装置的结构示意图

机械密封装置主要是由动环8、静环9、动环夹圈5、固定夹圈3、矩形橡胶环7等零件组成，其功用是在艉轴正转、反转、不转以及冲击振动的动态下，均能可靠地阻止海水从艉轴和船体处进入舱内。艉轴通过固定夹圈、动环夹圈带动动环一起转动，静环通过艉轴密封壳体与船体连成一体，动环与静环的磨擦端面即构成一对动密封端面。要保证可靠地动态密封就要有2个方向的补偿，即轴向补偿与垂直度补偿，因为正车、倒车有轴向位移的变化，主密封的磨损及推力轴承的推力块的磨损等也会造成轴向位移的变化;船体在使用中的变形和轴承的磨损都会造成与船体相连的静环密封端面相对艉轴轴线的垂直度的发生变化。该装置在设计上采取了如下补偿措施，动环的轴向补偿是通过动环夹圈可沿键作轴向移动，靠弹簧4、将动环始终压在静环上，使动环能对艉轴轴向位移的变化进行轴向补偿;动环的垂直度补偿是利用橡皮环8的弹性、销6、弹簧4与动环定位槽之间的间隙使动环密封端面贴紧在静环密封端面上，使动环密封端面与艉轴轴线的垂直度同静环密封密封端面与艉轴轴线的垂直度始终保持一致，即对艉轴轴线与艉轴密封装置端面的垂直度进行补偿，由于艉轴每转一周垂直度就要变化一次，加上橡胶环的老化，所以垂直度补偿效果有限。

气胎密封装置2主要由气胎、气胎接头、气胎夹环组成。其主要功用是保证在水中能修理机械密封装置。具体分为如下情况:①艉轴不转动的状态下，气胎内腔充一定压力的气体，气胎的密封条抱紧艉轴，保证静态密封，以便修理机械密封装置;②艉轴低速运转时，气胎内腔充较小压力的气体，使气胎与艉轴的间隙缩小，但又不抱死，保证在艉轴旋转下，密封装置滴水但不成线的动态密封要求。

皮碗密封装置是靠海水给皮碗1压力，使皮碗的唇边紧压在艉轴上而起密封作用。其功用一是在艉轴不转动的状态下，保证静态密封，以便修理机械密封，同时阻挡舷外泥沙、异物进入艉轴密封装置;二是在艉轴转动时，让舷内冷却机械密封装置的海水从皮碗的唇部流向舷外。

填料密封主要由碳纤维填料10、小齿轮、大齿轮、压紧衬套等组成。它的作用是当前述所有密封均失效且不便修理时，压紧填料，轴可以静态密封或短时间内低速运转保持动态密封。

2 某型艉轴密封装置密封出现的故障及失效机理分析

艉轴密封装置从装船下水后一直处于海水中，同时由于轴的旋转、冲击振动和轴向串动，工作环境极为恶劣。从国产某型艉轴密封装置多次出现故障的维修情况看，艉轴密封装置的故障现象可以归纳成以下4种情况或4种情况的组合:①艉轴密封装置漏水量超标，但未出现严重喷射状漏水;②艉轴密封装置漏水量严重超标，出现严重喷射状漏水;③艉轴密封装置中的气胎密封装置不能起到密封作用;④艉轴密封装置中的皮碗密封装置不能起到密封作用。

造成故障现象①的原因是艉轴密封装置壳体首端面相对艉轴轴线的垂直度超标，导致动环与静环密封面的贴合度达不到规定要求造成漏水量超标。在设备厂台架试验中，模拟艉轴的工装轴轴线与艉轴密封装置壳体端面的垂直度都按试验大纲的要求调整到不大于0.05 mm的状态，实船维修中控制在不大于0.10 mm的状态。实船中，由于艉轴橡胶轴承磨损及船体变形均可造成艉轴密封装置壳体端面与艉轴轴线相对位置发生变化，即艉轴密封装置壳体端面相对艉轴轴线的垂直度超过0.10 mm。此外实船维修中用石棉垫片、铜垫片调整的垂直度，在使用一段时间后可能因为垫片的材质、原始锁紧力矩及船体振动等也会造成垂直度超标。有观点认为，动环后矩形橡胶环对艉轴密封装置的壳体端面的垂直度可以进行补偿。笔者认为，其补偿效果并不明显，并从台架试验得到验证，台架试验中，垂直度超标时，在轴不转动、不同深度的水压情况下，漏水量不超标，但轴一旦转动漏水量即超标，如果补偿效果好漏水量就不会超标。从运动学原理可知，动环随艉轴高速转动时，产生的离心惯性力总是使动环端面趋向于与艉轴轴线垂直而无法使动环端面与产生倾斜变化的静环密封端面贴合，加上矩形橡胶环的老化，给垂直度的补偿带来负面影响。垂直度的超差会引起漏水量超标在实船维修中也得到验证。

造成故障现象②的原因是机械密封装置动环夹圈与固定夹圈卡滞，无法在轴向灵活移动，其轴向移动补偿功能失效，动环的密封端面与静环的密封端面分离，造成密封性能严重下降。由于动环夹圈与固定夹圈单边设计间隙为0.031～0.171 mm，加上实船使用中污泥、泥沙等杂质从艉轴管通过失效的皮碗密封或经过过滤器进入艉轴密封装置，污泥、泥沙等杂质以及海水中的无机盐长期沉积粘附在动环夹圈和固定夹圈上，造成动环夹圈与固定夹圈卡滞，无法在轴向灵活移动，其轴向移动补偿功能失效，造成漏水量严重超标。

造成故障现象③的原因是气胎密封失效，从实船修理情况来看，气胎密封失效有2种形式:①气胎的密封条损坏，原因可能是有异物夹入导致被损坏、气胎使用中充气不当被损坏、气胎橡胶的寿命已到 (技术文件中规定橡胶件的寿命为4年或5 000 h)等造成。②气门接头处密封不可靠。如果皮碗、气胎密封同时失效，则修理艉轴密封或更换机械密封的磨损件时就必须进坞，直接影响到可维修性。

造成故障现象④的原因从实船情况来看，由于舷外海水中泥沙以及进入艉轴密封装置的冷却海水均可造成泥沙、油圬等杂质大量粘附在橡胶皮碗内外表面，使皮碗唇边变形，导致皮碗密封性能大大降低，远远超出了试验大纲规定水介质压力下漏水量指标要求，因此造成修理艉轴密封时皮碗密封不能作为修理密封，每次更换气胎或机械密封时必须进坞。

3 对某型艉轴密封装置的维修建议

目前在国内某型艉轴密封装置结构形式无法作大的改变情况下，根据实船的多次维修经验，建议如下。

1)对具备拆卸条件的可将固定夹圈的密封槽位到艉部的这一段外圆尺寸加工小，以加大动环夹圈和固定夹圈之间的间隙 (原间隙0.062～0.342 mm，单边为0.031～0.171 mm)，间隙可调整为0.70 mm左右，通过加大滑动部分的间隙以减少轴向补偿的阻力，提高轴向补偿的效果。实船维修中2次都是因动环夹圈卡死，经处理保证动环夹圈轴向移动灵活，漏水量不超标现象即消除。

2)改用离心式滤器以减少冷却海水中的泥沙，可以有效的防止泥沙卡死动环夹圈，在合理考虑密封的端面负荷的前提下，增加压动环夹圈的弹簧4的刚度，以提高轴向补偿效果。

3)考虑使用过程中轴承的磨损、船体的变形都可能造成垂直度变化，应加强对船体使用中垂直度变化量的跟踪检查，如果垂直度变化超过了最低要求，可在修理时调整艉轴密封装置壳体的端面垂直度。

4)有条件的可对气胎密封装置的气门接头部分的结构形式进行改进，以保证接头处的可靠密封。

5)鉴于实船维修时发现大量润滑填料的黑油进入艉轴密封装置内部，艉轴密封使用中一旦漏水就采取压紧填料、加黑油的操作手段，导致过量的黑油经过机械密封的磨擦面进入动环夹圈、静环夹圈，同时加速造成污泥、泥沙沉积，因此在使用中应强调在机械密封装置处于正常可靠密封状态时，不允许压紧填料，不得大量地加黑油。紧急情况下当机械密封失效而又不能立即修理时可改用气胎密封或压紧填料密封，但应及时进行修理、恢复机械密封功能。

6)应缩短对艉轴密封装置动环夹圈、固定夹圈上泥沙、水垢等杂质及艉轴密封装置壳体端面与艉轴轴线的垂直度的检查周期。

4 对艉轴密封装置改进方向的探讨

国外某型船的艉轴密封装置见图2，该型艉轴密封装置采用了并不太硬材料的主摩擦副、加大了卡套5与从动机构3的间隙 (相当国产艉轴密封装置中的动环夹圈与固定夹圈的间隙)、将补偿弹簧6改装在静环端 (国产某型艉轴密封装置安装在动环端)，提高了艉轴密封装置的壳体端面对艉轴轴线垂直的补偿效果和维修性;采用盘1式的尾液压密封装置 (相当国产某型艉轴密封装置中的气胎密封装置)和剖分式的两半环4式的卡环 (相当国产某型艉轴密封装置的壳体盖)，提高了装置的可靠性、维修性，从其结构形式中给我们从根本上改进某型艉轴密封装置带来很多启示。

图2 改进后的艉轴密封装置示意图

1)国外艉轴密封装置的静环为石墨－巴氏合金2，其技术文件中说明更换静环备件后，只需用10余小时即可完成密封端面的匹配磨合。按国内某型艉轴密封的静环试验结果每1 000 h磨损只有0.02 ～0.03 mm，折算 10 h 只能磨损 0.000 2 ～0.000 3 mm，显然是国产某型艉轴密封装置静环硬度选择太高，硬度高带来的问题是更换静环备件后磨合困难，同时也造成无法通过磨合静环来对垂直度进行补偿。因此降低静环的硬度是可取的，它可以提高垂直度的补偿效果，同时也可缩短实船工人更换后静环后的磨合时间，提高维修性。

2)国外艉轴密封装置与国产某型艉轴密封装置的结构相比已做根本性改变，其轴向补偿作用的弹簧放置在静环部位，由于静环不转动无离心惯性力，因此弹簧可有效的实施垂直度的倾斜补偿，大大地降低了艉轴密封装置安装时的垂直度要求。作为轴向运动件的卡套与从动机构之间较大间隙的结构，可有效的防止泥沙、水垢造成的卡滞，确保了静环的轴向和倾斜补偿功能。笔者认为这一改变是解决国产某型艉轴密封装置存在的问题的一个有效途径。

3)国外艉轴密封装置采用了尾液压密封装置，用来在机械密封和应急密封失效、机械密封修理及密封性能试验时进行艉轴密封。其中盘1相当于油缸的活塞，盘的左右两腔分别充油时即可完成打开和关闭尾液压密封装置。该结构的作用类似于气胎密封装置，使用可靠，而且盘1是用金属材料制造，比橡胶气胎的制造、装配调整和试验都来得简单可靠。

4)维修性的改进设计，国外的艉轴舱的维修空间比国产的要长，国产的艉轴舱维修空间太小、维修非常困难。以后新船应适当将艉轴舱内长度加长以增加艉轴密封装置的维修空间，缩短艉轴密封装置每次的维修时间。

5 结束语

在新型的艉轴密封装置设计中可充分吸取国外某型艉轴密封装置的设计思想，这将大大地提高国内艉轴密封装置的质量。