船舶艉轴剖分式机械密封结构分析

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16 FLUID MACHINERY Vo1．41，No．9，2013文章编号： 1005—0329(2013)09—16—04船舶艉轴剖分式机械密封结构分析张 萌，郑建华，王 基(海军工程大学，湖北武汉430033)摘 要： 针对船舶艉轴机械密封装置安装 、维修、拆卸时工作量大和时间长的问题，对几种剖分式机械密封副和密封圈结构进行了评价分析，并讨论了这些结构的特点和应用前景。

关键词： 剖分式密封；机械密封；密封圈；螺旋密封中图分类号： TH136 文献标志码： A doi：10．3969／j．issn．1005—0329．2013．09．004Structure Analysis of Ship Stern Shaft Sprit M echanical SealZHANG Meng，ZHENG Jian—hua，WANG Ji(Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China)Abstract： Several split mechanical seal and seal ring structures were analyzed based on the workload and long time of instala-tion，maintenance and demolition of the ship stem shaft mechanical seal device．The characteristic and the application prospects ofthese structures were discussed.

Key words： split seal；mechanical seal；seal ring；spiral seal1 引言当前我国船舶利用最多的艉轴机械密封装置的结构主要由端面机械密封和充气密封组成。端面机械密封主要 由固定座、Q形弹簧补偿件、静环座、静环、动环和驱动夹环等部件组成。充气密封主要由气胎、压紧环、支撑环等部件组成。虽然近年来机械密封性能的优化研究发展较为成熟，但是使用在艉轴上的机械密封装置仍存在问题，尤其是对于大型船舶艉轴而言，在统的整体式机械密封结构在安装、维修和拆卸时极其繁琐，工作量大，时间长。为此，本文针对这个问题，分析几种典型的剖分式机械密封结构，指出这些方案的优点和存在的不足，并提出优化设计结构。

2 剖分式机械密封端面密封副收稿13期： 2013一O1—29端面密封副是机械密封的核心元件，其作用是使密封面紧密贴合，防止介质泄露。常见的剖分式机械密封端面密封副有分体式、组合式和多体式等类型。

2．1 分体式端面密封副图1所示为分体式剖分机械密封结构。

图 1 分体式剖分密封结构示意2013年第41卷第9期 流 体 机 械 17分体式剖分密封的其结构特点是动环通过推环、传动环固定成一体，动环、推环、传动环均有对称的两部分组成且分别有两个半夹紧环固定?；静环通过半夹紧环、静环座固定成一体，静环有对称的两部分组成且有具有斜面的两个半夹紧环固定。

图2所示为分体式剖分密封结构图。

### ◎(a)动环与夹紧环 (b)动环图2 分体式剖分密结构该结构保证了密封环剖分后组成封闭圆环的性能，且制造工艺比较简单；对于大型的机械密封而言，这种结构易安装，结构简单，避免了在安装或更换时，必须对其他部件的大拆大卸，解决了传统整体式工程量大、时间长、而且费用高的问题。

但是这种结构夹紧装置体积比较大，对于空间有限的场所不使用；且重量大，空间小，对安装设备也会有额外要求；采用销定位，在转动过程中可能导致断裂；有螺纹孔的地方壁厚比较脆弱，易破裂。

2．2 组合式端面密封副图3所示为组合式剖分机械密封端面密封副 J，该密封环将传统的整体锥台式密封环沿轴向某一角度用前后两条空间交叉状的分割线分割成左半环和右半环。安装时，将左右半环对卡安装，密封环压帽作用于组合式密封环，使其与基座的锥面完全吻合，使组合式密封环紧紧抱住内锥形基座壁；拆卸时，用刀片从左半环和右半环的对接线处撬开即可，如图4所示。

图3 组合式密封环结构的主视与俯视图4 组合式密封环结构的装配示意组合式端面密封副结构简单，安装和拆卸方便 ，可以充分利用结构本身的特点实现夹紧和密封。但该结构制造工艺复杂，分型面精度要求高；其安装对基座壁也有特殊的要求，与其他机械密封结构没有延续性。

2．3 多体式端面密封副图5所示为多体式端面密封副 J，该结构分为上下两层，由四部分组成，其中由4段圆弧组成的一面为下层，其一周有凹槽用于放人弹簧夹紧用(也可用其他加紧方式)，组合后各块之间可有较大间隙，含有拱形段的为上层 ，即摩擦密封面，组合后各段之间理想情况下没有间隙；相对应的两块分别相同。上下两层半径大小不必一致，下层形状也可不必为圆形，可根据夹紧方法而定。

一 一 (a) (b)图 5 多体式端面密封副(C) (d)18 FLUID MACHINERY Vo1．41，No．9，2013多体式端面密封副结构运用双层的结构，互相制约，互相配合，下层既实现结构的夹紧，也用于对上层的定位，上下层分型面错开更可以防止泄露；下层的夹紧部位可调整，减小了夹紧装置所需的空间，下层形状结构的可变性使夹紧方式灵活多样，拆卸、安装、维修都方便，要求低，且每块具有可更换性，节省材料，可维修性强。但是该结构对平行度提出了较高要求。

3 剖分式机械密封辅助密封圈辅助密封圈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。典型的剖分辅助密封圈有扣式、插口式和双环剖分式等几种。

3．1 扣式辅助密封圈图6所示为扣式密封圈接口示意 。

图6 扣式密封圈接口不意该结构接口处采用扣式结构，密封圈接 口的两端相间地分布有扣合相同形状的密封腔，接口两端分布相反。另外，密封腔底部设有一层粘胶，以保证扣形结构和密封腔的紧密接合，并能有效防止扣形结构脱离密封腔，保证了密封圈工作的可靠性。

该密封圈保证了密封的紧密性与可靠性；采用一端剖分式，结构简单，可直接进行安装、维修与更换，减少维修时间，节约维修成本。但是制作工艺相对复杂。

3．2 插口式辅助密封圈图7所示为插口式密封圈接口示意 引。

图7 插口式密封圈接口示意该密封圈接口处采用插 口式结构，密封圈接口一端为盲孔状连接密封腔，另一端则带有相似形状的连接凸台接头和刚性圈。当密封圈工作时，刚性圈将阻挡凸台接头脱离密封腔而保证密封的可靠性。

由图7可知，插口式辅助密封圈安装很方便快捷，且卡口紧。但是该密封圈可拆卸性差，一般是一次性产品，接口处连接部分面积很小，易受热断裂，可靠性不高，使用过程中容易出现问题，与此同时，制造工艺相对复杂。

3．3 双环剖分式辅助密封 圈图8(a)为双环式剖分密封圈主视和俯视，图8(b)、(c)为另 4种接口方式 。在可以使用粘胶并且可以达到要求参数的情况下，可以采用第一 种搭接的方式，安装时在结合面涂胶，使之成为整体。在不可以使用胶或使用胶参数达不到要求的情况下，可使用后几种结合方法，利用卡扣或迷宫达到扣合密封。该密封圈在这两种情况都能保证密封，且结构受修配精度、工作温度、磨损和转速等工况因素的影响较小，使用寿命长，密封可靠，制造也简单，安装、维修、更换方便快捷，节约时间，维修效率得到了很大提高。但是，该结构受工作参数限制。

(b) (c)图8 双环式剖分密封圈镪园盈◎2013年第4l卷第 9期 流 体 机 械 l94 应用前景在剖分式机械密封结构应用方面，国内合肥通用机械研究院参照德国的一家公司研究和生产部分的剖分式机械密封产品，已经设计制造出20多套单端面、小弹簧结构剖分式机械密封供石化行业使用 J。目前的剖分式机械密封装置在常压、转速 80r／min时，在釜内压力为0．05MPa、常温的工况下运转 良好，但在釜内压力升高至0．1MPa时有少量气泡逸出，釜内压力升高至0．15MPa时有大量的气泡逸出 。可知，剖分式机械密封结构在低压环境已取得良好应用效果，但不适用于压力大于 0．1MPa的轴封，因此，提高工作参数是剖分式密封结构能否大量应用的主要因素。

前面的3种密封副结构方案，在分型面结合处，要么是用插入式定位销的方式定位结合，要么就是借助夹紧件直接夹紧定位，虽然都达到了加紧定位的目的，但在密封和强度方面还存在不足。

为了保证密封效果和提高强度，如图 9所示为某船舶的剖分式密封副分型面的结构，在分型面处使用卧式圆柱销，既能达到定位目的，还能更好的保证密封和增大强度。

半分动动环半半分动半分静静环半半分静图9 分型面密封结构原理不意当然，也可以采用最基本的添加密封圈的方法，从泄漏的角度看，剖分必然带来额外的泄露的可能性，尤其是分型面处，因此，分型面处有必要设置密封圈。如 图 9，在半分面处，2个半分动(静)环0形圈各自用近似半圆形折回，并在此过渡区对应半分面一侧用细砂轮磨至半圆组装合并时2个半分动(静)环0形圈靠拢一起形成圆，达到密封效果u8 。¨但这种密封在分型面处形成缝隙，安装不精确易影响分型面的密封效果。

5 结语(1)相对传统的整体式机械密封结构，剖分式机械密封有显著的优点，在保证密封的前提下，有效地解决了大型船舶大直径艉轴在安装、拆卸和维修耗时耗力的问题；(2)针对大型船舶艉轴而言，结构简单，安装空间小，是选择组合式机械密封端面密封副结构的主要因素；同时结合目前剖分结构工作参数低的情况，双环式辅助密封圈在综合性能上最合适；(3)剖分密封结构在实际中已经得到了成功的应用，但还存在工作参数低，分型面密封不强等问题。提高工作参数，解决好分型面的密封问题 ，将使剖分密封结构得到更加广泛的应用。

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作者简介：张萌(1988一)，男，在读硕士，主要从事机械虚拟仿真，通讯地址：430033湖北武汉市解放大道717号海军工程大学动力工程学院机械工程系202教研室。