CN101311584B - 船舶艉轴抗冲击型端面密封装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种船舶艉轴抗冲击型端面密封装置，用于船舶艉轴水密封。利用层状Ω形弹性补偿体在预压缩状态下所产生的轴向弹性恢复力使密封环与支承环的端面紧密贴合，形成自动磨损补偿型水密封摩擦副；同时，Ω形弹性补偿体在轴向和径向具有足够的弹性变形特性，可自动补偿艉轴在安装、运行中的轴线偏移或弯曲变形，减少振动、冲击对船体的传递；本发明与船舶艉轴间的相对运动部位设有足够的间隙，艉轴无磨损运行；充气密封在充气状态下抱紧艉轴，形成径向水密封，方便船舶水上维修和应急航行。船舶续航率高，应付恶劣环境能力强。

Description

船舶艉轴抗冲击型端面密封装置

技术领域

本发明提供一种船舶艉轴抗冲击型端面密封装置，用于各类船舶推进轴系艉管水密封，维持艉轴在无磨损状态下正常运转，减少艉管和船体振动与冲击的响应。

本发明属于船舶推进轴系艉轴密封及其运行可靠性技术，旨在改进船舶艉轴密封装置的水密封性能、续航率、使用寿命和提高船舶在水上恶劣环境下的应急能力。

背景技术

船舶艉轴密封装置与艉轴处于长期相对旋转水密状态，艉轴和密封装置的相对运动表面因磨损将导致水泄漏量逐渐增加，严重时将影响船舶正常航行。当船舶受到外来振动、尤其是水下大冲击波干扰时，船体和推进轴系将产生弯曲变形。如果艉轴密封与轴之间没有对这种动态变形进行自动补偿的能力，将可能使艉轴卡死于密封装置上，最终导致密封装置各部件损坏。船舶航行过程中，如果艉轴密封出现上述故障，船舶将被迫停航，等待拖回船厂船坞内进行维修，严重影响了船舶的续航能力。

目前，国内船舶工业界普遍采用的是艉轴径向密封装置或带钢丝弹簧的轴向端面密封装置。径向密封采用间隙滑动配合加盘根填料方法实现水密封。这种结构在使用一段时间后，因相对滑动产生无法自动补偿的磨损，逐渐导致配合间隙增大，水泄漏量增加。超过一定间隙量后，密封装置将失去作用，必须更新整个密封装置，维修周期长，成本高；同时，当轴系或船体因外界振动和冲击作用产生变形后，由于滑动配合间隙小，极易产生卡轴现象，造成停机停航，有时后果不堪设想。现有带钢丝弹簧结构的端面密封装置虽然在轴向有磨损补偿能力，但由于钢丝弹簧在横向上的不稳定性，对安装时可能的轴向偏移或因振动、冲击而造成的径向变形补偿能力很小，且不具备在航条件下的可维修性；另外现有各类艉轴密封装置无法有效地隔离轴系振动对船体地影响。

发明内容

本发明的内容是提供一种具有自动磨损补偿功能、适应轴向和径向大冲击变形工况的船舶艉轴抗冲击型端面密封装置，具有稳定的水密封性能、水上在航维修和隔离轴系振动与冲击的综合性能，适应现代船舶艉轴密封新技术要求。

本发明的主要解决方案是这样实现的：

本发明主要由安装底座、Ω形弹性补偿体、主卡圈、锁紧螺母、调节螺杆、密封环托架、密封环、支承环、传动卡环、充气密封、防溅罩和若干密封件与联接件等构成。

所述的Ω形弹性补偿体是由高强度、高弹性、耐蚀镍铜合金(如蒙乃尔合金)薄板经模压成Ω形状后再多层组装而成，各层间最大间隙为1～10mm，作为本发明的主要弹性部件。该Ω形弹性补偿体的两端分别采用主卡圈并借助联接螺栓牢固地夹紧于安装底座和密封环托架之间。安装时，通过调整栓调整Ω形弹性补偿体在轴向的初始预压缩量可改变Ω形弹性补偿体的轴向弹性力。支承环和密封环在Ω形弹性补偿体的轴向弹性力作用下以端面紧密贴合方式构成本发明自动磨损补偿型水密封摩擦副主体。Ω形弹性补偿体在轴向和径向具有弹性变形特性，工作中可自动补偿轴系因振动冲击或轴线偏移而造成的轴向和径向位移波动。

所述的支承环是采用高强度、耐蚀、耐磨损镍青铜合金(或铝青铜合金、锡青铜合金、铝镍青铜)经铸造加工而成两半环结构，再由螺栓和锥销联接为一体。

所述的密封环是采用耐蚀、耐高低温、耐磨填充型防腐工程材料，如聚四氟类填充型防腐工程材料、填充型石墨类材料、橡胶类材料或木质纤维与聚乙烯乙酸脂类复合材料，经热压加工成形；密封环同样也是由两半环结构再用螺栓和锥销联接为一体。密封环摩擦面上设置有均匀分布不同形状的水槽，槽深为1～5mm，用以改善密封摩擦副的密封性能。密封摩擦副的水泄漏量由Ω形弹性补偿体作用在密封环上的弹性力、不同形状的水槽与槽深、作用在密封装置上的水动力半径和船舶吃水深度等因素决定，通过最佳结构设计来满足要求。正确选择支承环与密封环材料是决定摩擦副寿命的关键，设计的主导思想是以柔性密封环和刚性支承环相匹配。具有强耐磨性和自润滑性的柔性密封环既能满足密封面的水密封要求，又能保护刚性支承环不容易产生伤损，延长摩擦副的使用寿命。

Ω形弹性补偿体在轴向、径向同时具有非线性刚度和干摩擦与结构性阻尼，船舶推进轴系因螺旋浆处涡动水流和发动机不平衡转子对轴系的激励而产生的轴向和径向振动，经过Ω形弹性补偿体隔离后可显著地消减对船体的振动传递，有利于提高船体结构的安全舒适性。

设计时根据最大冲击情况下可能的轴系变形，合理确定艉轴与密封装置间所有相对运动部件的径向间隙为5～50mm。由于艉轴与本发明各部件在工作中无直接相对运动的摩擦表面，可实现轴系无磨损运行和在冲击变形条件下不产生卡轴现象。

所述的充气密封设置在安装底座内。当密封摩擦副在运行中出现故障或水泄漏量过大时，停止轴系运转，打开与充气密封相连的供气装置，压力空气进入充气密封内腔，使充气密封在内气压作用下紧紧抱紧艉轴，形成径向水密封。然后拆开密封摩擦副进行维修更换，恢复密封摩擦副正常状态。不管船舶是否在航行中，均可进行上述操作，使维修可不进坞。当遇到特殊紧急状态时，充气密封可替代密封摩擦副，实现轴系临时紧急运行。

为了预防艉轴密封装置在长期运行后温升过高，还设置了冷却水进出通道。冷却水经艉轴密封装置内腔流至外界，带走密封摩擦副上产生的热量，能有效地控制工作温度在合理的范围。

为了便于船上安装和运行中维修更换密封摩擦副，相关零部件(密封环、支承环、传动卡环)均设计为两半环状体结构，通过定位锥销和联接螺栓将两半环状体完整地装配成一个整体。当轴系安装完毕后，艉轴密封装置的所有后期调整和维修工作均可在不移动轴的情况下进行操作。

本发明所有零部件均按抗海水腐蚀、耐高水压(最大至1MPa)要求设计，金属结构件均采用高强度铜合金(如铝青铜、镍青铜、锡青铜、锰黄铜或硅黄铜)或不锈钢材料制成，使整个装置具有良好的抗海水腐蚀性能和极高的结构强度。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

船舶艉轴始终处于无磨损工作状态，延长了艉轴和密封装置的使用寿命；端面密封摩擦副在Ω形弹性补偿体轴向力作用下自动实时地补偿磨损量，确保了摩擦副水密封性能稳定可靠。利用充气密封，可在船舶不进坞的情况下对可拆卸式密封环、支承环或其他部件进行维修更换，节省了船舶进坞成本，提高了续航率。由于Ω形弹性补偿体在轴向和径向具有弹性变形补偿能力，轴系在受到大冲击变形情况下能继续运转、维持水密封性能，可保证船舶在异常情况下不中断航行。艉轴与密封装置的相对运动部分在径向上有足够的间隙，不会产生因轴系变形而出现的“卡轴”现象，且对轴系安装校中精度要求很低。艉轴无磨损运转，摩擦副为水润滑状态，使密封装置不需附加润滑系统，安装维修非常便利且符合环保要求。当轴系因外力干扰产生振动时，密封装置能有效地隔离振动向船体方向的传递，有利于提高船体结构的安全舒适性。选择耐蚀、耐磨、耐高低温、高强度原材料制作各相关零部件，使本发明具有适应任何水域和水压(0.01～1MPa)的工作环境。故本发明适用于各类船舶推进轴系的艉轴密封，尤其适应远洋或恶劣环境下的航行要求。

附图说明

图1为本发明船舶艉轴抗冲击型端面密封装置总装配图；

图2为本发明中的主卡圈结构示意图；

图3、图4、图5分别为本发明中的密封环摩擦面水槽不同形状示意图；

图6为本发明中的Ω形弹性补偿体第一种实施例结构剖面图；

图7为本发明中的Ω形弹性补偿体第一种实施例轴向示意图；

图8为本发明中的Ω形弹性补偿体第二种实施例结构剖面图。

具体实施方式

下面本发明将结合附图中的实施例作进一步描述：

如附图1所示，本发明由安装底座1、传动卡环4、Ω形弹性补偿体7、主卡圈8、9、锁紧螺母10、11、密封环托架12、密封环13、支承环15、锥销17、螺栓18、○型圈19、调节螺杆20、压环21、充气密封23、防溅罩27和若干密封件与联接件等组装而成。安装底座1用螺栓2固定于船体艉管座3。传动卡环4由二半环状体对拼而成并借螺栓5和锥销紧固在艉轴6上。Ω形弹性补偿体7左、右端分别由主卡圈8、9通过锁紧螺栓10、11牢固地压紧在安装底座1和密封环托架12上。每主卡圈8或9均由三部分1/3环状体组装而成(如附图2所示)，通过锁紧螺栓10、11将这三部分环状体联成完整的环状主卡圈8或9，并借助锁紧螺栓的锁紧力使Ω型弹性补偿体7分别与安装底座1和密封环托架12的牢固装配连接。密封环13与支承环15构成水密封摩擦副。密封环13由两半环状体组成，用定位销14将其定位在密封环托架内，维修更换时无需移动艉轴即可取下密封环。支承环由两半环状体组成，用螺栓16和锥销17装配于艉轴上，通过螺钉18调整支承环在轴上的位置，支承环15内的○型圈19可阻止水沿轴向外泄漏。作用在密封摩擦副上的轴向压力是Ω型弹性补偿体7的轴向弹性力，当作用在密封摩擦副上的水动力半径确定后，作用在密封摩擦副上的轴向压力完全取决于Ω形弹性补偿体7的预压缩变形量(用调节螺杆20调整)，Ω形弹性补偿体7的轴向预压缩变形量调整合理后，取下调节螺杆20，让Ω形弹性补偿体7处于自动位移补偿状态。借助螺栓22和压环21，将充气密封23压装在安装底座1内，充气密封23内腔设有铜质或不锈钢支承圈28。由氟橡胶或氯丁橡胶(可中间夹带尼龙布)制成的充气密封23，通过中心对成地设置在安装底座1上的二个气道24与外界供气装置相连。冷却水经过中心对称地设置在安装底座1上的二个冷却水通道25与内腔26相通，并通过艉管座流向船体外部，带走摩擦副处运行时产生的热量。

在工作状态下，传动卡环4借助螺钉18带动支承环15随轴同步旋转，密封环13保持静止，密封摩擦副的二表面处于相对旋转滑动状态。船体外部与内腔26水流相通，除了摩擦副处可允许适量水泄漏外，其他部位处于水密封状态。

当需要维修更换密封装置零部件或船舶遇到紧急状态需堵截外部水流向内舱时，开启压缩空气通道24，压缩空气流入充气密封内，使充气密封产生弹性变形后抱紧艉轴，截断外部水流与密封装置内腔26的通道，然后就可进行维修更换工作。此时艉轴一般是处于停止运转状态，必要时，也可以应急运转。

当摩擦副因长期运转产生正常磨损时，密封环13在Ω形弹性补偿体7轴向弹力作用下自动补偿磨损，维持水密封要求。如果磨损量过大，超过Ω形弹性补偿体7的补偿能力时，可微调调节螺钉18，推动支承环15压缩Ω形弹性补偿体7至初始预变形量，保持Ω形弹性补偿体7具有正常的弹性恢复力。

当轴系因外部激励而产生轴向或径向振动时，振动信号经Ω形弹性补偿体7后迅速衰减，有效地降低了艉管3的振动响应。

当船在航行过程中遇到冲击波袭击，严重时可造成轴系弯曲变形。此时，利用艉轴与本发明所有相对运动部件间的径向间隙(5～50mm)、Ω形弹性补偿体轴向与径向的位移补偿能力和密封摩擦副配合面的径向可滑动性，可有效地避免因轴系变形而产生的“卡轴”现象。同时，由于Ω形弹性补偿体7的位移补偿作用，对密封摩擦副因瞬间冲击可能分离可同时实现补偿，实时地确保了摩擦副处的密封性能。

固定在密封环托架12上的防溅罩27由橡胶类或铜、铝、不锈钢类材料制成，用于防止密封摩擦副在工作状态下的泄漏水流向四周外溅而影响船舱内正常工作。

如附图3、4、5所示，分别说明本发明中密封环13摩擦面上设计有几种常见的泄漏水槽形状。不同的水槽形状和槽深(为1～5mm)，对水泄漏量的影响不同。

如附图6、7所示，分别说明本发明中的Ω形弹性补偿体7的第一种结构型式示意图。Ω形弹性补偿体7是由2～5层片状镍铜合金29薄板制成的Ω形条状结构拼装而成，层间填铺具有耐海水腐蚀性能的夹布橡胶类密封30，以保证Ω形弹性补偿体的水密封性能。Ω形弹性补偿体的各层间最大间隙为1～10mm。

如附图8所示，为本发明中的Ω形弹性补偿体7的第二种结构型式示意图，Ω形弹性补偿体7采用1～5层筒状镍铜合金29薄板经整体模压成Ω形，除两端部填铺夹布橡胶类密封30外，Ω形镍铜合金薄板层间不需用密封材料。

Claims (12)

1.一种由安装底座(1)、传动卡环(4)、Ω形弹性补偿体(7)、主卡圈(8、9)、锁紧螺栓(10、11)、密封环托架(12)、密封环(13)、支承环(15)、锥销(17)、调节螺栓(18)、○形圈(19)、调节螺杆(20)、压环(21)、充气密封(23)、防溅罩(27)和紧固件组成的船舶艉轴抗冲击型端面密封装置，其特征是由组装在安装底座(1)和密封环托架(12)之间的层状Ω形弹性补偿体(7)经调节螺杆(20)预压缩所产生的轴向弹性力使密封环(13)的端面紧贴于支承环(15)的端面，密封环(13)置于密封环托架(12)内；Ω形弹性补偿体(7)两端分别用主卡圈(8、9)并借助锁紧螺栓(10、11)牢固地夹紧于安装底座(1)和密封环托架(12)上；卡紧在艉轴上的传动卡环(4)通过调节螺栓(18)带动支承环(15)随艉轴转动；实船安装时，艉轴与安装底座(1)、Ω形弹性补偿体(7)、密封环托架(12)、密封环(13)、压环(21)和充气密封(23)之间的间隙为5～50mm；充气密封(23)由压环(21)压配在安装底座(1)的内侧，中心对称地设置在安装底座(1)上的二气体通道(24)与充气密封(23)内部相通；安装底座(1)上中心对称地设置有二个冷却水进出通道(25)；支承环(15)与轴(6)的相配面、密封环(13)与密封环托架(12)的相配面、Ω形弹性补偿体(7)与安装底座(1)和密封环托架(12)的相配面都设置有橡胶密封材料；密封环(13)与支承环(15)所组成的密封摩擦副外面四周设有防溅罩(27)，防溅罩固定在密封环托架(12)。

2.根据权利要求1所述的船舶艉轴抗冲击型端面密封装置，其特征在于所述的Ω形弹性补偿体(7)是用2～5层由多层镍铜合金薄板条(29)经模压成Ω形状后拼装而成，层间填铺夹布橡胶密封(30)；或用多层镍铜合金(29)薄板筒状体模压成Ω形状后组装而成，两端填铺夹布橡胶密封(30)；Ω形弹性补偿体的各层间最大间隙为1～10mm。

3.根据权利要求1所述的船舶艉轴抗冲击型端面密封装置，其特征在于所述的密封环(13)是由聚四氟填充型防腐工程材料、填充型石墨材料、橡胶材料或木质纤维与聚乙烯乙酸脂复合材料经热压加工成形。

4.根据权利要求1所述的船舶艉轴抗冲击型端面密封装置，其特征在于所述的主卡圈(8、9)均由三部分1/3环状体组装而成，分别通过锁紧螺栓(10、11)将每三部分构成的环状体联成完整的环状主卡圈。

5.根据权利要求1所述的船舶艉轴抗冲击型端面密封装置，其特征在于本发明在安装时主卡圈(8、9)之间设置有三只调节螺杆(20)，Ω形弹性补偿体(7)的轴向预压缩变形量利用这三只调节螺杆调整在0～20mm之间。

6.根据权利要求1所述的船舶艉轴抗冲击型端面密封装置，其特征在于所述的支承环(15)是由铝青铜、镍青铜、锡青铜或铝镍青铜铸造而成，摩擦面涂敷厚度不大于1mm的硬质合金材料。

7.根据权利要求1所述的船舶艉轴抗冲击型端面密封装置，其特征在于所述的充气密封(23)借助螺栓(22)和压环(21)压装在安装底座(1)内，并通过中心对称地设置在安装底座(1)上的二个气道(24)与外界供气装置相连；充气密封(23)由氟橡胶或氯丁橡胶经模压成形，橡胶体内夹带尼龙布；充气密封内腔设有支承圈(28)，由铜合金或不锈钢材料制成。

8.根据权利要求1所述的船舶艉轴抗冲击型端面密封装置，其特征在于所述的传动卡环(4)、密封环(13)、支承环(15)都是由两半环状体经螺栓和锥销装配成一个整体。

9.根据权利要求1所述的船舶艉轴抗冲击型端面密封装置，其特征在于密封环托架(12)上设置有防溅罩(27)，是由橡胶或铜、铝、不锈钢材料制成。

10.根据权利要求1所述的船舶艉轴抗冲击型端面密封装置，其特征在于所述的密封环(13)的摩擦面上设置有均匀分布不同形状的水槽，槽深为1～5mm。

11.根据权利要求1所述的船舶艉轴抗冲击型端面密封装置，其特征在于艉轴与安装底座(1)、密封环托架(12)、密封环(13)、压环(21)和充气密封(23)之间的径向间隙为5～50mm。

12.根据权利要求1所述的船舶艉轴抗冲击型端面密封装置，其特征在于安装底座(1)上设置了有冷却水进、出通道(25)。

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