锚泊绞车旋转端面密封装置技术

龚云，田崇兴，程文池，王鑫磊，毛炳坤，何鹏，陈佳俊

锚泊绞车旋转端面密封装置技术

龚云，田崇兴，程文池，王鑫磊，毛炳坤，何鹏，陈佳俊

针对水下某深度锚泊绞车旋转端面密封性差的问题，研发出一种锚泊绞车旋转端面密封装置，对该装置中的静密封环和动密封环建立物理模型，在不同压力情况下进行仿真，得出动密封环的变形量、应力及接触间隙云图，从而进一步验证锚泊绞车旋转端面密封性的可行性。

绞车；旋转端面；动密封；仿真；可行性

锚泊绞车分布于平台四角，基座与平台固定在一起，同时四角对应4只锚。每只锚与1台张力绞车直连，与1台锚泊绞车斜连。张力绞车与锚泊绞车完全相同，只是用途略有不同。通过电气和液压控制系统来控制绞车滚筒内钢丝绳的卷入和放出，从而实现平台在水中的下潜和上升、收放锚、调整平台水下姿势、固定平台，以及平台应急上浮等工况。锚泊绞车在水下环境工作，机械本体完全浸泡在湖水中，而液压系统和电控系统布置在平台浮筒内，与湖水隔绝。浮筒密封性的好坏直接影响到锚泊绞车的工作效率[1]。

目前水下锚泊绞车密封主要是采用双层唇形密封圈在轴承的端部进行密封，使湖水不得进入平台浮筒内。经水下锚泊绞车实际使用发现双层唇形密封圈密封性差，浮筒内部有大量水进入，导致锚泊绞车不能正常工作。为了解决这种密封性差的问题，本文介绍一种新的锚泊绞车旋转端面密封装置。

1 水下锚泊绞车结构形式

本文主要以水下某深度锚泊绞车旋转端面密封为对象而展开技术研究，水下锚泊绞车结构形式见图1。减速机一端与联接盘固定连接，联接盘与马达支座装配固定连接，液压马达及制动器装配在马达支座内且马达支座与支架Ⅰ焊接，定滚筒外圆与支架Ⅰ焊接，马达水密封箱罩住液压马达及制动器并与支架Ⅰ固定连接；减速机另一端外圆与卷筒左支架固定连接，卷筒与卷筒两支架固定连接，卷筒左支架与动滚筒焊接，动滚筒通过轴承Ⅰ与定滚筒连接，卷筒右支架与轴固定连接，轴承套外圆与支架Ⅱ焊接，轴承套通过轴承Ⅱ与轴连接。

绞车处于水下时，液压马达接通电源，使减速机转动，减速机带动卷筒转动，同时动滚筒也转动；动滚筒通过轴承Ⅰ与定滚筒连接，水通过轴承Ⅰ处(如图1中I处)流入水密封箱内，严重影响水下绞车的工作[1]。

2 旋转端面密封装置

目前浮筒密封采用一般的唇型密封圈密封，由于浮筒的旋转密封圈磨损较快，以及离心力的作用，使密封效果较差，严重影响锚泊绞车的使用性能。因此，解决锚泊绞车在水下旋转密封过程中密封圈磨损较快及离心力的作用，具有重要的意义。

为了解决旋转密封中密封圈磨损较快，设计一种旋转端面密封装置[2](见图2)放置在图1中Ⅰ处，从源头对绞车进行密封，有效提高水下绞车的密封性。本旋转密封装置包括定缸筒、插销、O型密封圈、螺母、动密封环、缸筒Ⅰ、螺钉、缸端盖、挡环、环形弹簧组、静密封环，以及安装过程中其他的连接组件。定滚筒与定缸筒焊接，静密封环通过密封圈Ⅲ与定滚筒外表面密封并装在定滚筒的外壁上，静密封环通过插销与定缸筒周向固定，静密封环与定缸筒间用O型密封圈密封，定缸筒与缸筒Ⅰ用螺母固定连接，动密封环通过密封圈Ⅱ与动滚筒外表面密封并装在动滚筒的外壁上，环形弹簧组套在动密封环和挡环表面且两端分别与动密封环和挡环表面固定连接，挡环用螺钉与动滚筒表面固定，缸端盖与缸筒Ⅰ焊接，缸端盖内圆面套有密封圈Ⅰ与动滚筒外壁密封。

动密封环在环形弹簧组的弹力和水压力的作用下与静密封环表面轴向相挤压，动密封环在动滚筒的带动下旋转，从而带动密封环轴向旋转与静密封环摩擦。当动、静密封环每磨损一点出现间隙时，动密封环在环形弹簧组的弹力及水压力作用下迅速轴向推动动密封环与静密封环表面相贴紧，从而起到一种间隙补偿的功能，提高该装置的密封性。

3 仿真分析

由于绞车处于中、低速旋转过程，绞车转速为296 r/min，静密封环和动密封环的材料选用聚四氟乙烯，摩擦系数为0.04，密度为2.2 g/cm3，硬度为60，材料系数C01为0.7 MPa，材料系数C02为0.037 5 MPa；轴承、定滚筒和动滚筒的材料均为1Cr18Ni9Ti，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3[3-4]。

根据图2旋转密封装置，建立图3旋转密封三维物理模型，进行网格划分如图4，然后施加载荷和边界条件。

在静密封环和铜套上施加固定约束, 轴承端面上施加无摩擦约束，p1为动密封环与静密封环中间槽面载荷，p2为动密封环外表面载荷，见表1。

在10种不同压力下，对旋转密封装置进行仿真，得出动密封环的等效应力值、接触应力、变形量及接触间隙值，表2为仿真结果汇总，其中等效应力云图见图5。

表1 载荷表

S序号12345678910p1/MPa0．51．01．52．02．52．62．72．82．93．0p2/MPa0．521．021．522．022．522．622．722．822．923．02应力极值/MPa0．891．662．443．384．444．624．865．065．285．50位移极值/mm0．7561．3511．9042．5013．0423．2143．2873．3703．4633．560接触应力极值/MPa0．5591．0501．5742．0342．7323．1933．1663．0953．0953．518接触间隙极值/mm0．3020．3080．3150．0260．0300．0300．0300．0300．0300．030

在不同压力情况下，为了更加直观地反映动密封环的应力、变形量，对表2中数据进行处理。图6为压强-应力曲线， 图7为压强-位移曲线。

1)由图6、图7可见，随着压力的增大，动密封环的等效应力、接触应力及变形量都在增大，而动密封环与静密封环间的接触间隙逐渐减小，之后维持在某一个固定值不变。

2)由图7可见，应力越大，该处的安全系数就越低，摩擦得最快，从而导致密封圈使用周期变短。

3)从图7可见，当压强为2.5 MPa时，动密封环与静密封环的接触间隙值最小，之后随着压强的增大，接触间隙值维持不变。

4 结论

1)随着压力的增大，旋转密封装置中动密封环和静密封环间的接触间隙逐渐减小，有效地防止水从旋转端面进入水密封箱内，从而验证了旋转端面密封装置的可行性。

2)对于水下锚泊绞车旋转端面密封装置，在某一压强值时，密封装置密封性能最好，使用寿命最长。

3)通过对旋转端面密封装置进行仿真分析，还存在一定的局限性，比如水温、密封圈磨损过程

中产生热量是否会很大程度的影响密封性能等，需要实际试验进一步的验证。

[1] 于政武，孙邦俊.油封旋转密封的动态过程[J].润滑与密封，1990(5)：8-14.

[2] 蒋国璋，陈少华.O形旋转密封圈的密封性能有限元分析[J].机械设计与制造，2014(6)：178-181.

[3] 贺杰，杨敏嘉.有关唇型旋转密封的密封机理的研究(二)[J].特种橡胶制品，1991(4)：28-33.

[4] 龚步才.常用旋转密封件的选型与应用[J].流体传动与控制，2006(2)：38-39.

(武汉船用机械有限责任公司，武汉 430084)

Sealing Technology of the Revolving End Face for Mooring Winch

GONG Yun, TIAN Chong-xing, CHENG Wen-chi, WANG Xin-lei, MAO Bing-kun, HE Peng, CHEN Jia-jun

(Wuhan Marine Machinery Plant Co., Ltd, Wuhan 430084, China)

The leakproofness of revolving end face of the deep underwater mooring winch is usually poor. A dynamic sealing unit was developed for revolving end face of the mooring winch. The physical models of static sealing ring and dynamic sealing ring in this unit were established to simulate the deformation, stress and contact gap of the sealing ring under different pressure. The technique feasibility of the dynamic sealing unit for revolving end face of mooring winch was verified.

mooring winch; revolving end face; dynamic sealing; simulation; feasibility

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.032

2016-07-14

工业和信息化部项目(工信部联装[2014]508号)

龚云(1987—)，男，硕士生研究方向:海洋平台升降技术

U664.4

A

1671-7953(2017)01-0130-04

修回日期：2016-08-29