林挺，鄭琳珠，胡京招，楊晨，王文魁

（中交疏浚技術裝備國家工程研究中心有限公司，上海 201208）

0 引言

絞刀傳動系統(tǒng)是絞吸挖泥船重要組成部分，主要功能是將動力源輸出的動力穩(wěn)定、高效地傳遞到艏部機械式絞刀頭，達到驅(qū)動機械式絞刀頭對土層進行切削作業(yè)的目的[1]。目前國內(nèi)的絞刀傳動機構大致分為二種，一種是采用兩支點滾動軸承傳動形式，另一種是采用水潤滑的滑動軸承。本文針對兩支點滾動軸承絞刀傳動系統(tǒng)的性能進行分析和優(yōu)化，該系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)通過滾動軸承箱傳動，因而滾動軸承箱的密封是一種動密封，通常采用機械式，即滾動軸承箱采用浮動油封結構來解決動密封問題?！靶潞ｕo”輪絞刀傳動系統(tǒng)，輸出主軸傳遞的設計額定功率為1 546 kW，額定轉(zhuǎn)速為16 r/min，最高轉(zhuǎn)速為24 r/min，在軸承箱設計時就選用了兩支點結構進行支撐和承載。

在絞吸挖泥船日常施工作業(yè)中，絞刀傳動系統(tǒng)運行環(huán)境惡劣，工況復雜。當前國內(nèi)廣泛使用的兩支點滾動軸承結構中，施工中較易出現(xiàn)浮動油封損壞導致潤滑油泄漏的問題。浮動油封的頻繁維修及更換，不僅增加了設備維修成本和生產(chǎn)成本，制約了絞吸挖泥船的施工效率，而且軸承箱內(nèi)部潤滑油脂的泄漏也導致了環(huán)境的污染，給疏浚企業(yè)的快速發(fā)展帶來了不利因素。針對上述問題，結合中交上海航道局“新海鮫”輪絞刀傳動系統(tǒng)的改造案例，開展兩支點滾動軸承傳動系統(tǒng)動態(tài)分析，優(yōu)化滾動軸承箱的結構，經(jīng)過實際施工的檢驗，成功解決了滾動軸承絞刀傳動系統(tǒng)密封損壞，漏油等問題，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

1 存在問題

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

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

浮動油封失去了密封效果，泥沙進入密封腔內(nèi)，導致浮封環(huán)密封端面錯位而形成不正常磨損；同時，也導致了O形圈偏離原來要求的安裝位置，與浮動油封密封腔產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動，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，導致浮動油封的使用壽命降低。

2 浮動油封結構原理

浮動油封本質(zhì)上是一種防塵機械密封，在采掘機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、耐磨、耐沖擊、工作可靠、端面磨損自動補償、結構簡單等優(yōu)點，同時能有效補償軸的偏心和動態(tài)工作狀態(tài)下的徑向跳動[2]。密封的工作參數(shù)范圍較寬（工作壓力可達30 MPa，工作溫度為-100～200℃），一般國產(chǎn)浮動油封的密封壽命能達到4 000 h以上。因此目前國內(nèi)外廣泛使用的兩支點滾動軸承傳動形式絞刀傳動系統(tǒng)，設計均采用浮動油封結構作為絞刀軸承箱的動密封結構。

浮動油封結構由浮動油封座、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，成對使用，一個隨旋轉(zhuǎn)件旋轉(zhuǎn)，另一個相對靜止，兩環(huán)密封端面相互緊貼。兩浮封環(huán)作相對旋轉(zhuǎn)運動時，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)設計有所不同，一般為2.5mm左右，內(nèi)部設計有一道錐形縫隙，目的在于使?jié)櫥湍茼樌M入密封面。潤滑油通過毛細作用、旋轉(zhuǎn)時的離心作用及內(nèi)腔溫升后內(nèi)壓力增大的作用進入密封間隙，形成一層很薄的油膜，從而實現(xiàn)密封、潤滑及冷卻作用[3]。

圖1 浮動油封結構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償。在浮封環(huán)座腔內(nèi)含有一個錐面，O形圈靠這個內(nèi)錐面托起浮封環(huán)，使其具有一定的浮動緩沖功能。若軸的振動不加緩沖直接傳到密封端面上，則密封面就不能時刻貼緊而產(chǎn)生泄漏。同時，O形圈與浮封環(huán)、座腔相對靜止，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)生可見的潤滑油膜，這是浮動密封結構中設計最佳、工作安全可靠的標志，也是能否保證達到預期使用壽命的關鍵所在。

3 原因分析

從實際使用情況統(tǒng)計，浮動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形圈與浮動油封座的后端棱口（或小圓角）擠壓造成的，O形圈被嚴重擠壓，使安裝座與浮封環(huán)的軸向錯位嚴重。二是浮封環(huán)因密封面磨損、脫離而失效，同時發(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，或浮動油封結構受到反復的沖擊載荷，也會導致浮封環(huán)表面損壞或失效。

其次，優(yōu)化改進前的絞刀軸系主軸采用傳統(tǒng)的兩支點結構，即兩端支撐（如圖2），靠絞刀頭一側為1個大型徑向調(diào)心軸承，靠液壓馬達一側為1個徑向滾柱軸承。

圖2 改進前軸承箱結構Fig.2 Structure of the im proved frontbearing box

根據(jù)機械設計的一般理論，軸承工作游隙的大小對軸承的滾動疲勞壽命、噪聲、振動等性能有很大影響。

對于滾動軸承徑向游隙εr與軸向游隙εa之間的數(shù)學關系，Р.Д.別捷爾曼給出了相應的計算式[4]，例如調(diào)心滾動軸承公式如下：

在設計絞刀傳動系統(tǒng)的滾動軸承箱過程中，結合手冊中提供的滾動軸承徑向游隙參數(shù)，可以計算出滾動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雜的海域施工，施工時，絞刀傳動系統(tǒng)不僅受雙向軸向力和徑向力，還承受較大的沖擊載荷。絞刀傳動系統(tǒng)由于這種復雜受力條件，結構上易出現(xiàn)不平穩(wěn)運轉(zhuǎn)及不規(guī)則振動等情況，因此在結構設計時應將此問題作為一個重要因素一并考慮。

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

4 改造關鍵點分析

改造的關鍵點在于安裝間隙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，當浮動油封整體處于壓緊狀態(tài)時，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變化，以適應不同密封環(huán)境的需要。安裝間隙A及O形圈對浮封環(huán)的作用力是決定浮封環(huán)密封面壓強的兩個關鍵因素，即在安裝和結構上必須保證間隙A和O形圈的滾動在一個合理的范圍，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補償[3]。要想獲得盡可能長的使用壽命，就需要確定一個合理的裝配間隙。

因此，在絞刀軸系中，浮封環(huán)型號以及安裝間隙值應根據(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口浮封環(huán)。根據(jù)絞刀軸系的額定轉(zhuǎn)速，可計算出線速度，從產(chǎn)品手冊中即可查出浮封環(huán)安裝間隙A值，如圖3。參考產(chǎn)品手冊中的建議，根據(jù)絞刀軸系的使用工況，同時為了防止?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 改造項目分析

通常情況下，工程人員在設計浮動油封結構及選用軸承時，一般是單獨對軸承本身或浮動油封結構的承載能力、使用壽命進行分析和計算，同時假設傳動裝置中的零部件均是剛性的。單獨設計軸承結構時，可能滿足使用要求；但當傳動部件運行加載后，零件將產(chǎn)生一定的變形量，軸、軸承及相應結構已不在原始的理論工作位置上，系統(tǒng)整體的竄動會相應發(fā)生變化，軸承及浮動油封結構的承載能力和壽命就會受到影響。因此，設計時應從系統(tǒng)整體的角度研究其工作條件[5]。

從系統(tǒng)整體結構上考慮，浮動油封的裝配間隙不僅與安裝浮動油封的動、靜環(huán)座的結構尺寸有關，也與滾動軸承箱的結構、軸承組合等有關。欲使浮動油封在實踐中具有盡可能長的使用壽命，不僅要確定其合理的裝配間隙，更要在設計、裝配和使用等環(huán)節(jié)對安裝間隙A值進行保證。

以上海航道局3 500m3絞吸挖泥船“新海鮫”輪改造項目為例，在改造過程中，設計人員對原有絞刀傳動系統(tǒng)開展了動態(tài)分析，采取局部結構剖析、系統(tǒng)評估等技術分析的手段，對絞刀傳動系統(tǒng)中滾動軸承箱結構進行了優(yōu)化，如圖4。

圖4 改進后軸承箱結構Fig.4 Bearing box structure after im provement

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

本項目針對原有結構的缺點進行了針對性的改造，主要做到了以下幾點：

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

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

3）通過改進滾動軸承箱的結構，提高軸承組合的裝配質(zhì)量并控制其軸向竄動量，保證不會因為該軸承的游隙過大而造成工作過程中絞刀軸系整體軸向竄動，進而避免浮動油封裝配間隙時大時小的現(xiàn)象。

改進后的浮動油封滾動軸承箱結構達到了既保證絞刀軸系的整體強度，又能有效控制整個絞刀軸系的軸向竄動量的目的。

6 結語

根據(jù)“新海鮫”輪2013年10月統(tǒng)計數(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，絞刀傳動系統(tǒng)的運行功率為230～430 kW，絞刀轉(zhuǎn)速約為18 r/min。絞刀傳動系統(tǒng)在施工過程中運轉(zhuǎn)狀況良好，無漏油等故障發(fā)生，保證了施工作業(yè)的順利推進，船舶的經(jīng)濟性能較以往有大幅提高。在施工進度提高20%的同時極大地節(jié)省了維修費用，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)濟效益和社會效益，驗證了改造的理論分析和設計方案。

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