刘演龙
HZ广州局驻重庆地区第二JS代表室 重庆 402263
摘 要：船用齿轮箱的机械密封装置，使用环境恶劣，可靠性要求高，失效影响因素多，常常发生渗漏现象。本文从齿轮箱系统的角度和机械密封的结构设计展开，从制造、装配、使用等方面详细阐述其可能导致的失效及其原因，进行深入失效机理研究，为后续机械密封可靠性提高提供理论基础。
关键词：高速；精密剖分式；机械密封；船用齿轮箱
Study on the failure mechanism of mechanical seal device in high-speed marine gearbox
Liu Yanlong
(HZ The second JS Representative Office of Guangzhou Bureau in Chongqing, Chongqing 402263, China)
Abstract: The mechanical seals of marine gearboxes are used in harsh environments, which requires high reliability. Many factors lead to the failure and leakage often occurs. This article expands from the perspective of the gearbox system and the structural design of the mechanical seal, elaborating on the possible failure reasons including manufacturing, assembly, use, etc.. The study of the failure mechanism provides a theoretical basis for the subsequent improvement of the reliability of mechanical seals.
Key words: High speed; precision split; mechanical seal; marine gearbox
0引言
某船用齿轮箱机械密封，自上世纪从国外引进、消化、吸收后，实现了国产化。但在使用过程中机械密封性能不稳定，常常发生润滑油渗漏，寿命很短，质量不稳定。
该机械密封属于高速、大直径的特殊密封装置，密封面的轴径约φ200mm，转速约3000R/min，其线速度约14m/s，主要作用是封住船用齿轮箱的内部润滑油和油气，所用的润滑油为CD40通用柴油机油。通常情况下，齿轮箱润滑油密封端面时很低，齿轮箱内部温度约40~50℃。其密封面为φ186mm×φ176mm，圆环宽度为5mm，平面度要求为0.0009mm，粗糙度为Ra0.2，属于高速精密的端面密封。
该机械密封是一种端面密封，由一对垂直于旋转轴线的动环（碳化硅）和静环（石墨）组成的密封面构成，在辅助密封的配合下，保持贴合并相对高速滑动，防止船用齿轮箱润滑油泄漏。
机械密封在泵的密封上应用很多，对泵上的机械密封研究很多，如张治恒将单端面波纹管机械密封改造为双端面机械密封形式并配套施工冷却循环系统，成功应用于离心原油泵，实现原油介质的零泄漏以及设备长周期稳定运行[1-2]；於秋萍等通过机械密封端面摩擦特性参数、表面形貌的影响及其表征、端面材料配对、泄漏通道模型及界面流体流动特性的综述，分析了现有研究存在的不足，指出了机械密封基本性能研究的后续方向[3-4]。但目前对于高速船用齿轮箱的机械密封研究相对较少。
为了确保船用齿轮箱在高转速下的安全运行，亟需对该机械密封失效机理进行研究，为后续提高其可靠性奠定理论基础。本文从齿轮箱系统的角度，对该机械密封的结构进行分析，从制造、安装、使用等方面进行深入失效机理研究。
1机械密封结构和原理介绍
1.1 机械密封结构
该机械密封主要由四部分组成，基本元件、弹性元件、辅助密封和回油装置，如图1所示。其中基本元件主要包括动环座、动环、静环、静环座等零件，静环、动环组成一对摩擦副，有良好的耐磨性，可以防止介质泄漏。
弹性元件主要是弹簧，它主要起预紧、补偿和缓冲的作用，保证端面密封副良好的贴合，材料要求耐疲劳。
辅助密封主要是O形橡胶圈，它主要起静环和动环的密封作用，同时也起到浮动和缓冲作用。要求静环的密封元件能保证静环与压盖之间的密封性，静环有一定的浮动性，动环的密封元件能保证动环与轴（或轴套）之间的密封性以及动环的浮动性，材料要求耐热。
回油装置主要包括集油杯，回油管路和开启阀等，由于是端面密封，允许有极少量的润滑油从端面泄漏，原则上100小时不大于100ml。结构示意图如图1所示。
1、动环座；2、动环；3、静环；4、静环座；5、弹簧；6、螺钉；7、O形圈；8、O形圈；9、O形圈
图1机械密封示意图
1.2 工作原理
动环座通过定位销固定在输入轴上，动环座和动环之间采用 0 型圈压紧，动环座和动环随着输入轴旋转。静环座通过定位销固定在箱体上，静环座与静环之间采用O型圈压紧，静环座和静环处于静止状态。当输入轴转动时，动环和静环产生相对运动，在两者之间会形成一层薄薄的油膜，从而起到密封作用。
从齿轮箱轴承喷出的绝大部分润滑油通过重力回油直接流走，再通过机械密封作用后，仅有极少量润滑油泄漏。为了进一步防止少量润滑油泄漏出齿轮箱，在齿轮箱端盖内部设置了回油装置，允许泄露的这部分滑油通过回油管路流回集油杯中，定时手动放回到齿轮箱内部。
由于输入轴旋转时，动环和静环的相对运动，会使静环（石墨）产生轻微磨损，在静环座的圆周方向均布的 9 个弹簧，及时对静环的磨损进行补偿。以保证石墨和碳化硅之间密封端面的密封性。
1.3 结构特点
由于输入法兰为整体结构，同时为了便于安装与维修，将密封环分为两部分，安装到轴上后，通过速干胶在剖分面粘接O形橡胶圈和O形圈套住，如图2和图3所示。
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图2 O形橡胶圈 图3 O形圈
密封环两端的半圆槽与密封环座上的半圆槽共同形成O形圈安装槽，也是密封环的安装位置，如图4所示。从图中可以看出，密封环安装槽影响因素多，动态运转时无法保证密封环的位置精度，其设计要求与O形圈密封槽要求一致。
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图4 密封环安装槽示意图
2漏油及油封损坏现象
2.1漏油现象
1）机械密封的漏油最先是缓慢的从轴颈渗出，随着轴旋转方向甩出来，持续时间长点就往下滴，间隔时间从长到短，最后呈线形向下流。
2）机械密封漏油先从低转速渗油到高速转速滴油。
3）机械密封漏油开始时间不固定，有长有短，有的没有发生漏油，有的安装后运转几小时就开始渗漏油。
4）在出厂试验台架不上漏，但在船体运行时才发生漏油现象。
2.2油封损坏现象
通过对渗漏油封进行拆检，机械油封损坏现象如下：
1）动环或静环的摩擦面烧坏；
2）剖分式动环或静环的两半粘接处开裂；
3）固定动静环的O形圈粘接处开裂、硬化或挤压变形。
3失效机理分析
3.1动环与静环轴向距离影响
该齿轮箱（如图5所示）的机械密封动环安装在输入齿轮轴上，静环安装在固定于箱体的端盖内。正常情况下，箱体对齿轮轴的轴向定位基准与静环的安装基准之间的精度并不高，累积的尺寸链差别大，导致安装在齿轮轴动环与静环之间的贴合程度很难直接通过尺寸链来保证，这常常也是机械密封失效原因之一[5-6]。
1、滑动轴承；2、输出齿轮；3输入轴齿轮；4、箱体；5、回油孔；6、机械密封；7连接法兰
图5 齿轮箱装配图
由于通过多个尺寸链来精度保证动环与静环的贴合程度，不现实，只能通过装配环节进行控制。一船情况下，动环与静环摩擦面贴合，应在弹簧的弹性范围内。比压太高就会使弹簧失去功能、摩擦面烧环。比压不能太低，甚至出现间隙，这样使动环与静环摩擦面无法贴合，失去功能。
正常情况下，动环与静环的轴向距离可通过弹簧弹性进行分析与判定。距离应在弹性的初始长度和最大压缩长度之间，考虑到动态运转、加工误差、弹簧离合度等影响，建议将动环与静环的距离为3/4的初始长度，即在弹簧力在10N～30N之间为最佳，通常在2mm范围之内，如图6所示。
图6 弹簧示意图
在工程实际中，由于尺寸链累积很复杂，间隙通过装配环节进行调整。在装配时，将消除齿轮侧隙影响，齿轮轴和静环座往输入端压靠，并测量动环座与静环座距离L1；再将齿轮轴往输出端压靠，静环座往输入端压靠，测量动环座与静环座距离L2。
如果L2-L1≤L0，满足实际要求。
如果L2-L1＞L0，不满足实际要求，通过调整弹簧轴向位置来保证。
3.2动环与静环摩擦面平行度影响
动环碳化硅的硬度很高，工作面精度要求高，平面度要求0.008mm，静环石墨的硬度相对低，虽然可通过磨损来达到工作要求，但考虑到降低初期磨损和工作比压，也对工作面要求高，平面度要求为0.008mm。
现代加工设备，均能保证，由于结构限制为剖分式密封，动环与静环均通过胶进行粘接而成。通过实际检测，粘接后的动环、静环平面度无法保证0.008mm，实际为0.02mm左右。由于动环高速旋转，能很快将石墨的静环磨削到很高的平面度，但动环的平面度依然无法保证。
剖分式动环的平面度无法达到设计要求，因此，在设计时，应将动环的面积减少一半，进行比压的计算与分析，或将其动环的平面度降低到0.02mm左右进行计算热量，可以保证实际工程中的机械密封的功能。
3.3密封材料影响
3.3.1密封材料要求
1）动环材料
动环碳化硅是近年发展的新材料。它具有很低的摩擦因数，很高的硬度，良好的耐磨性。它具有良好的化学稳定性、耐热性和抗热振性[7]。
2）静环材料
静环的材料为石墨，硬度低，有良好的自润滑功能，很低的摩擦因数。
3）辅助材料
机械密封的辅助密封是保证密封可靠和延长使用寿命的重要零件[8。辅助密封包括动环和静环的辅助O型密封圈。其作用是保证动环座与动环固定与密封，静环座与静环固定与密封，补偿密封面的偏斜和振动；保证使动环和静环端面紧密结合并具有浮动性。
齿轮轴高速运转时，动环与静环在微观上蠕动，动环与静环的摩擦面有大量的热量产生，辅助密封圈材料的要求[9
]：
①材料弹性好，特别是要求良好的复原性，永久变形要小；
②不受流体介质的侵蚀，而且在介质中的膨胀和收缩都不大；
③摩擦因数小和耐磨性好；
④使用温度范围要广，在高、低温下不粘着、不变硬、脆和失弹；
⑤要有适当的力学性能，如扯断强度及其延伸率、耐压等，在压力作用下无显着变形，有优良的抗撕裂性、耐磨性和耐压性等；
⑥抗介质腐蚀、溶解、溶胀、老化等性能好，对介质不应有污染等。
橡胶圈是使用最广的一种辅助密封圈。常用的橡胶密封圈材料有丁腈橡胶、氟橡胶、硅橡胶、氯丁橡胶、丁苯橡胶等。其中丁腈橡胶是常用的一种耐油橡胶，但丁腈橡胶不耐挠曲，抗撕裂也较差。氟橡胶具有耐高温、耐油、耐化学腐蚀的优点，不能用于液氨、氨水中。
由于齿轮高速运转，齿轮箱内部的温度也达到40~50℃，动环和静环的摩擦面温度很高，导致固定动环与静环的辅助密封圈处的温度也很高。
丁腈橡胶在柴油中只能承受-20~80℃的高温度，当考虑到工程实际情况，机械密封处的温度很高，蠕动大，会常常导致高转速下大直径的机械密封辅助O形圈失效，断裂、硬化、变形等现象发生。
氟橡胶在柴油中能承受80~200℃的温度，当考虑到工程实际情况，能够在机械密封高温度高频次蠕动情况下保证良好的弹性，常常用于高转速大直径的机械密封辅助O形圈上。
3.3.2辅助密封影响
剖分式动环和静环在高速运转运行中，将会生产蠕动和高温，使辅助密封的O形圈受到高温与蠕动。如果O形圈无法承受长期的高温与蠕动，将会老化、硬化，失动弹性，将丧失功能。
当辅助密封失效后，动环与静环粘接处受力只能是粘接胶承受，长期运行后，动环与静环粘接处就会断裂。将导致剖分式动环和静环在高速运转运行中，动环与静环无法在正确位置上工作，导致摩擦面局部贴合或无法贴合，将进一步产生大量的高温，导致机械密封失效。
通过试验测试，当机械密封失效时，机械密封处的温度达到400℃左右。
O形圈在装配时，通过人工切开，切口成45°角，再通过498胶进行粘接，由于O形圈的橡胶质量不稳定，无法保持长度的稳定性，只能靠手工感觉松紧，再切短点再粘接。
如果太松，无法有效固定动环与静环。也无法起到紧固剖分式的动环与静环。如果太紧，使O形圈的直径变小，弹性减少，两样无法回到动环和静环到相应零件内，无法适应高速运转下的补偿。
通过实践分析，装配后的O形圈，直径按紧配合的液压O形圈的要求进行即可。粘接时间一般在10分钟左右，确保498胶干透，才进行装配。
3.5安装工艺影响
实船剖分式油封安装涉及到人工切割、粘接、移动、弹簧压紧、安装端盖与压盖等多个环节，而且上下两半安装端盖，无法检查安装后轴封质量，容易造成如下问题：
1）切割唇口损坏，存在漏油；
2）粘接对中不齐，造成唇口磨损大；
3）粘接不牢，造成运转开裂；
4）唇口没有粘接到，造成运转中唇口开裂；
5）弹簧收的太松或太紧，造成封油效果差或磨损轴颈.
弹簧压缩量一定要按规定进行，不允许有过大或过小的现象，误差±2mm ，压缩量过大增加端面比压，摩擦热量过多，造成密封面热变形和加速端面磨损，压缩量过小动静环端面比压不足，不能密封。
3.6振动的影响
船用齿轮箱的主要特点之一是功率密度大，重量轻，结构进行了轻量化处理。在高转速下，齿轮箱的振动频率与幅值相对很高，这样在整个轴系也影响大，造成高速运转的输入轴机械密封的静环微观振动大，破坏了机械密封的油膜，引起机械密封失效，从而导致润滑油的渗出。目前振动与机械密封效果的量化关系还在研究中。一般情况下，原则上在转速为3000r/min下最大振幅不超过 0.05mm[10]。
3.7动态影响
虽然机械密封对轴系有一定的补偿能力，但在高速运转中，不同工况下，补偿不肥有效解决端面接触密封问题，尤其是船用齿轮箱考虑到柴油机的温度影响，热处理与冷态常常有一定的量化关系。由于船用齿轮箱与柴油机的不同，热态与冷态的数量，常常在冷态时对中数值在大些。这样引起机械密封动环与静环不对中和偏磨现象存在，当偏磨量超出机械密封的动态补偿范围后，机械密封开始失效。
由于动环是安装在高速运转的齿轮轴上，随着齿轮啮合影响和轴系扰动影响，在实际运转中，动环有径向运动和轴向窜动。不同船用齿轮箱安装动环的齿轮轴径向跳动应要求不同，一般情况下要求齿轮轴在动环处的径向跳动≤0.04毫米，轴向窜动量≤0.1毫米。
4结论
本文从某船用齿轮箱机械密封结构和失效现象进行分析，对失效机理进行深入研究，为机械密封的可靠性奠定理论基础，。后续工作将对失效预防措施进行研究，进一步提高机械密封的可靠性，为船用齿轮箱机械密封性能进一步提高。
参考文献
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