林挺，鄭琳珠，胡京招，楊晨，王文魁

（中交疏浚技術(shù)裝備國(guó)家工程研究中心有限公司，上海 201208）

0 引言

絞刀傳動(dòng)系統(tǒng)是絞吸挖泥船重要組成部分，主要功能是將動(dòng)力源輸出的動(dòng)力穩(wěn)定、高效地傳遞到艏部機(jī)械式絞刀頭，達(dá)到驅(qū)動(dòng)機(jī)械式絞刀頭對(duì)土層進(jìn)行切削作業(yè)的目的[1]。目前國(guó)內(nèi)的絞刀傳動(dòng)機(jī)構(gòu)大致分為二種，一種是采用兩支點(diǎn)滾動(dòng)軸承傳動(dòng)形式，另一種是采用水潤(rùn)滑的滑動(dòng)軸承。本文針對(duì)兩支點(diǎn)滾動(dòng)軸承絞刀傳動(dòng)系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析和優(yōu)化，該系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)通過滾動(dòng)軸承箱傳動(dòng)，因而滾動(dòng)軸承箱的密封是一種動(dòng)密封，通常采用機(jī)械式，即滾動(dòng)軸承箱采用浮動(dòng)油封結(jié)構(gòu)來解決動(dòng)密封問題?！靶潞ｕo”輪絞刀傳動(dòng)系統(tǒng)，輸出主軸傳遞的設(shè)計(jì)額定功率為1 546 kW，額定轉(zhuǎn)速為16 r/min，最高轉(zhuǎn)速為24 r/min，在軸承箱設(shè)計(jì)時(shí)就選用了兩支點(diǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行支撐和承載。

在絞吸挖泥船日常施工作業(yè)中，絞刀傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境惡劣，工況復(fù)雜。當(dāng)前國(guó)內(nèi)廣泛使用的兩支點(diǎn)滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)中，施工中較易出現(xiàn)浮動(dòng)油封損壞導(dǎo)致潤(rùn)滑油泄漏的問題。浮動(dòng)油封的頻繁維修及更換，不僅增加了設(shè)備維修成本和生產(chǎn)成本，制約了絞吸挖泥船的施工效率，而且軸承箱內(nèi)部潤(rùn)滑油脂的泄漏也導(dǎo)致了環(huán)境的污染，給疏浚企業(yè)的快速發(fā)展帶來了不利因素。針對(duì)上述問題，結(jié)合中交上海航道局“新海鮫”輪絞刀傳動(dòng)系統(tǒng)的改造案例，開展兩支點(diǎn)滾動(dòng)軸承傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析，優(yōu)化滾動(dòng)軸承箱的結(jié)構(gòu)，經(jīng)過實(shí)際施工的檢驗(yàn)，成功解決了滾動(dòng)軸承絞刀傳動(dòng)系統(tǒng)密封損壞，漏油等問題，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 存在問題

根據(jù)絞吸挖泥船現(xiàn)場(chǎng)施工情況反映，兩支點(diǎn)滾動(dòng)軸承絞刀傳動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)工作噪音大，浮動(dòng)油封失效，前密封漏油，軸承損壞等問題。在較大浪涌狀態(tài)下施工時(shí)船舶上下顛簸，當(dāng)絞吸挖泥船在較硬的土質(zhì)條件下施工時(shí)，絞刀傳動(dòng)系統(tǒng)的液壓壓力極不平穩(wěn)，甚至?xí)斐山g刀頭堵轉(zhuǎn)，當(dāng)絞刀頭受到敲擊而受力不平衡時(shí)，不僅絞刀齒和刀臂損壞，而且可能使絞刀軸承箱浮動(dòng)油封組件的固定螺栓斷裂，同時(shí)造成油封O形圈擠斷。

如“新海鮫”輪在某工地施工時(shí)，絞刀傳動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)漏油并更換浮動(dòng)油封，兩星期后又漏油嚴(yán)重，致使無(wú)法正常工作。該船在挖砂施工中出現(xiàn)潤(rùn)滑油大量漏出，軸承箱內(nèi)的潤(rùn)滑油乳化，現(xiàn)場(chǎng)拆解時(shí)發(fā)現(xiàn)，前軸端浮動(dòng)油封和前軸承內(nèi)部已填滿了大量細(xì)泥砂，并已造成浮動(dòng)油封和前軸承損壞。

浮動(dòng)油封失去了密封效果，泥沙進(jìn)入密封腔內(nèi)，導(dǎo)致浮封環(huán)密封端面錯(cuò)位而形成不正常磨損；同時(shí)，也導(dǎo)致了O形圈偏離原來要求的安裝位置，與浮動(dòng)油封密封腔產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，出現(xiàn)了O形圈“剖肚皮”現(xiàn)象。上述兩種異常情況的發(fā)生，導(dǎo)致浮動(dòng)油封的使用壽命降低。

2 浮動(dòng)油封結(jié)構(gòu)原理

浮動(dòng)油封本質(zhì)上是一種防塵機(jī)械密封，在采掘機(jī)械中主要作泥漿及巖粉等惡劣環(huán)境中的防塵密封，具有抗污染能力強(qiáng)、耐磨、耐沖擊、工作可靠、端面磨損自動(dòng)補(bǔ)償、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)能有效補(bǔ)償軸的偏心和動(dòng)態(tài)工作狀態(tài)下的徑向跳動(dòng)[2]。密封的工作參數(shù)范圍較寬（工作壓力可達(dá)30 MPa，工作溫度為-100～200℃），一般國(guó)產(chǎn)浮動(dòng)油封的密封壽命能達(dá)到4 000 h以上。因此目前國(guó)內(nèi)外廣泛使用的兩支點(diǎn)滾動(dòng)軸承傳動(dòng)形式絞刀傳動(dòng)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)均采用浮動(dòng)油封結(jié)構(gòu)作為絞刀軸承箱的動(dòng)密封結(jié)構(gòu)。

浮動(dòng)油封結(jié)構(gòu)由浮動(dòng)油封座、浮封環(huán)、O形圈組成，如圖1所示。其中，浮封環(huán)軸向截面為馬鞍形，成對(duì)使用，一個(gè)隨旋轉(zhuǎn)件旋轉(zhuǎn)，另一個(gè)相對(duì)靜止，兩環(huán)密封端面相互緊貼。兩浮封環(huán)作相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，相接觸的端面形成垂直于旋轉(zhuǎn)軸線的密封面。密封環(huán)的密封接觸表面寬度根據(jù)設(shè)計(jì)有所不同，一般為2.5mm左右，內(nèi)部設(shè)計(jì)有一道錐形縫隙，目的在于使?jié)櫥湍茼樌M(jìn)入密封面。潤(rùn)滑油通過毛細(xì)作用、旋轉(zhuǎn)時(shí)的離心作用及內(nèi)腔溫升后內(nèi)壓力增大的作用進(jìn)入密封間隙，形成一層很薄的油膜，從而實(shí)現(xiàn)密封、潤(rùn)滑及冷卻作用[3]。

圖1 浮動(dòng)油封結(jié)構(gòu)Fig.1 Structureof the floating oilseal

O形圈與浮封環(huán)配合使用，受軸向壓縮產(chǎn)生變形。O形圈靠變形儲(chǔ)存的彈性力在密封端面產(chǎn)生必要的端面比壓，在密封端面磨損后給予軸向補(bǔ)償。在浮封環(huán)座腔內(nèi)含有一個(gè)錐面，O形圈靠這個(gè)內(nèi)錐面托起浮封環(huán)，使其具有一定的浮動(dòng)緩沖功能。若軸的振動(dòng)不加緩沖直接傳到密封端面上，則密封面就不能時(shí)刻貼緊而產(chǎn)生泄漏。同時(shí)，O形圈與浮封環(huán)、座腔相對(duì)靜止，起輔助密封作用，靠彈性摩擦力傳遞力矩，使浮封環(huán)與座腔同速旋轉(zhuǎn)[2]。

一般情況下，密封面最外端產(chǎn)生可見的潤(rùn)滑油膜，這是浮動(dòng)密封結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)最佳、工作安全可靠的標(biāo)志，也是能否保證達(dá)到預(yù)期使用壽命的關(guān)鍵所在。

3 原因分析

從實(shí)際使用情況統(tǒng)計(jì)，浮動(dòng)油封的損壞主要分為以下幾種情況：一是O形圈的破裂失效，使端面密封面錯(cuò)位或端面的密封壓力太小而失效，而O形圈的破裂大多是O形圈與浮動(dòng)油封座的后端棱口（或小圓角）擠壓造成的，O形圈被嚴(yán)重?cái)D壓，使安裝座與浮封環(huán)的軸向錯(cuò)位嚴(yán)重。二是浮封環(huán)因密封面磨損、脫離而失效，同時(shí)發(fā)現(xiàn)密封腔內(nèi)有泥沙。三是O形圈沒有損壞，但安裝間隙A值超出許用范圍，或浮動(dòng)油封結(jié)構(gòu)受到反復(fù)的沖擊載荷，也會(huì)導(dǎo)致浮封環(huán)表面損壞或失效。

其次，優(yōu)化改進(jìn)前的絞刀軸系主軸采用傳統(tǒng)的兩支點(diǎn)結(jié)構(gòu)，即兩端支撐（如圖2），靠絞刀頭一側(cè)為1個(gè)大型徑向調(diào)心軸承，靠液壓馬達(dá)一側(cè)為1個(gè)徑向滾柱軸承。

圖2 改進(jìn)前軸承箱結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the im proved frontbearing box

根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)的一般理論，軸承工作游隙的大小對(duì)軸承的滾動(dòng)疲勞壽命、噪聲、振動(dòng)等性能有很大影響。

對(duì)于滾動(dòng)軸承徑向游隙εr與軸向游隙εa之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，Р.Д.別捷爾曼給出了相應(yīng)的計(jì)算式[4]，例如調(diào)心滾動(dòng)軸承公式如下：

在設(shè)計(jì)絞刀傳動(dòng)系統(tǒng)的滾動(dòng)軸承箱過程中，結(jié)合手冊(cè)中提供的滾動(dòng)軸承徑向游隙參數(shù)，可以計(jì)算出滾動(dòng)軸承箱整體軸向游隙的理論值。

最后，從系統(tǒng)受力角度上看，絞吸挖泥船一般在工況比較復(fù)雜的海域施工，施工時(shí)，絞刀傳動(dòng)系統(tǒng)不僅受雙向軸向力和徑向力，還承受較大的沖擊載荷。絞刀傳動(dòng)系統(tǒng)由于這種復(fù)雜受力條件，結(jié)構(gòu)上易出現(xiàn)不平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)及不規(guī)則振動(dòng)等情況，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將此問題作為一個(gè)重要因素一并考慮。

綜上所述，結(jié)合圖2滾動(dòng)軸承箱結(jié)構(gòu)可分析得出，整個(gè)絞刀軸系軸向竄動(dòng)量取決于滾動(dòng)軸承組合的軸向游隙，而本結(jié)構(gòu)中軸向游隙比較大，這是造成軸向竄動(dòng)較大的主要因素。而浮動(dòng)油封損壞的原因，是由于整個(gè)絞刀傳動(dòng)系統(tǒng)滾動(dòng)軸承箱內(nèi)軸向竄動(dòng)量過大，導(dǎo)致浮封環(huán)安裝間隙A變化幅度大，失去了密封效果，導(dǎo)致泥沙進(jìn)入密封腔內(nèi)而損壞。

4 改造關(guān)鍵點(diǎn)分析

改造的關(guān)鍵點(diǎn)在于安裝間隙A的控制，如圖3所示。

圖3 安裝間隙選用表Fig.3 Selection of retainer gap

通過以上分析可知，當(dāng)浮動(dòng)油封整體處于壓緊狀態(tài)時(shí)，安裝間隙A決定了浮封環(huán)的安裝位置和O形圈所受壓力，間接決定密封面接觸壓力，即理論上的最佳軸向載荷。根據(jù)安裝間隙A的變化，O形圈壓縮量隨之變化，浮封環(huán)密封面間的接觸比壓也相應(yīng)變化，以適應(yīng)不同密封環(huán)境的需要。安裝間隙A及O形圈對(duì)浮封環(huán)的作用力是決定浮封環(huán)密封面壓強(qiáng)的兩個(gè)關(guān)鍵因素，即在安裝和結(jié)構(gòu)上必須保證間隙A和O形圈的滾動(dòng)在一個(gè)合理的范圍，這樣才能保證浮封環(huán)的作用。安裝間隙的大小既要保證浮封環(huán)密封面潤(rùn)滑以及O形圈壓縮量在規(guī)定范圍之內(nèi)，又要使浮封環(huán)背錐受到足夠的推力保證其磨損后能夠自動(dòng)補(bǔ)償[3]。要想獲得盡可能長(zhǎng)的使用壽命，就需要確定一個(gè)合理的裝配間隙。

因此，在絞刀軸系中，浮封環(huán)型號(hào)以及安裝間隙值應(yīng)根據(jù)絞刀軸系的施工工況選用。本改造方案沿用原絞刀軸系的進(jìn)口浮封環(huán)。根據(jù)絞刀軸系的額定轉(zhuǎn)速，可計(jì)算出線速度，從產(chǎn)品手冊(cè)中即可查出浮封環(huán)安裝間隙A值，如圖3。參考產(chǎn)品手冊(cè)中的建議，根據(jù)絞刀軸系的使用工況，同時(shí)為了防止?jié)櫥瓦^載，在浮封環(huán)許用范圍內(nèi)選定了較為寬松的A值。

5 改造項(xiàng)目分析

通常情況下，工程人員在設(shè)計(jì)浮動(dòng)油封結(jié)構(gòu)及選用軸承時(shí)，一般是單獨(dú)對(duì)軸承本身或浮動(dòng)油封結(jié)構(gòu)的承載能力、使用壽命進(jìn)行分析和計(jì)算，同時(shí)假設(shè)傳動(dòng)裝置中的零部件均是剛性的。單獨(dú)設(shè)計(jì)軸承結(jié)構(gòu)時(shí)，可能滿足使用要求；但當(dāng)傳動(dòng)部件運(yùn)行加載后，零件將產(chǎn)生一定的變形量，軸、軸承及相應(yīng)結(jié)構(gòu)已不在原始的理論工作位置上，系統(tǒng)整體的竄動(dòng)會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化，軸承及浮動(dòng)油封結(jié)構(gòu)的承載能力和壽命就會(huì)受到影響。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)從系統(tǒng)整體的角度研究其工作條件[5]。

從系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)上考慮，浮動(dòng)油封的裝配間隙不僅與安裝浮動(dòng)油封的動(dòng)、靜環(huán)座的結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)，也與滾動(dòng)軸承箱的結(jié)構(gòu)、軸承組合等有關(guān)。欲使浮動(dòng)油封在實(shí)踐中具有盡可能長(zhǎng)的使用壽命，不僅要確定其合理的裝配間隙，更要在設(shè)計(jì)、裝配和使用等環(huán)節(jié)對(duì)安裝間隙A值進(jìn)行保證。

以上海航道局3 500m3絞吸挖泥船“新海鮫”輪改造項(xiàng)目為例，在改造過程中，設(shè)計(jì)人員對(duì)原有絞刀傳動(dòng)系統(tǒng)開展了動(dòng)態(tài)分析，采取局部結(jié)構(gòu)剖析、系統(tǒng)評(píng)估等技術(shù)分析的手段，對(duì)絞刀傳動(dòng)系統(tǒng)中滾動(dòng)軸承箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，如圖4。

圖4 改進(jìn)后軸承箱結(jié)構(gòu)Fig.4 Bearing box structure after im provement

根據(jù)上述分析以及調(diào)心滾動(dòng)軸承特性，在絞刀傳動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用中，考慮到軸承的受載較大，轉(zhuǎn)速較低，并且伴隨有沖擊載荷，為保證傳動(dòng)部件的穩(wěn)定性和可靠性，改造后的軸承箱結(jié)構(gòu)采用了一個(gè)徑向調(diào)心軸承和一對(duì)推力調(diào)心軸承組合。

本項(xiàng)目針對(duì)原有結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)進(jìn)行了針對(duì)性的改造，主要做到了以下幾點(diǎn)：

1）提高與浮動(dòng)油封裝配間隙相關(guān)的動(dòng)、靜環(huán)座、推力軸承座組件等零件的設(shè)計(jì)及制造精度，并保證在浮動(dòng)油封和絞刀傳動(dòng)系統(tǒng)整體裝配完成后，浮動(dòng)油封裝配間隙達(dá)到要求范圍。

2）規(guī)范浮動(dòng)油封的裝配，保證在裝配過程中O形圈無(wú)扭曲，浮封腔內(nèi)錐面和浮封環(huán)背椎面無(wú)潤(rùn)滑油存在，避免浮動(dòng)油封在工作過程中由于浮動(dòng)量過大、O形圈相對(duì)浮封環(huán)打滑而造成裝配間隙超差。

3）通過改進(jìn)滾動(dòng)軸承箱的結(jié)構(gòu)，提高軸承組合的裝配質(zhì)量并控制其軸向竄動(dòng)量，保證不會(huì)因?yàn)樵撦S承的游隙過大而造成工作過程中絞刀軸系整體軸向竄動(dòng)，進(jìn)而避免浮動(dòng)油封裝配間隙時(shí)大時(shí)小的現(xiàn)象。

改進(jìn)后的浮動(dòng)油封滾動(dòng)軸承箱結(jié)構(gòu)達(dá)到了既保證絞刀軸系的整體強(qiáng)度，又能有效控制整個(gè)絞刀軸系的軸向竄動(dòng)量的目的。

6 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)“新海鮫”輪2013年10月統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，改造后于2012年5月起在汕頭新津河水利工程施工，施工介質(zhì)是中粗砂或淤泥，施工超過3 500 h，挖掘土方量6 901 974 m3，絞刀傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行功率為230～430 kW，絞刀轉(zhuǎn)速約為18 r/min。絞刀傳動(dòng)系統(tǒng)在施工過程中運(yùn)轉(zhuǎn)狀況良好，無(wú)漏油等故障發(fā)生，保證了施工作業(yè)的順利推進(jìn)，船舶的經(jīng)濟(jì)性能較以往有大幅提高。在施工進(jìn)度提高20%的同時(shí)極大地節(jié)省了維修費(fèi)用，降低了成本，并且較好地解決了軸系漏油問題，避免了因此造成的水上環(huán)境污染。本次改造產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，驗(yàn)證了改造的理論分析和設(shè)計(jì)方案。

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