華南吊機齒輪箱的密封改進

華南吊機齒輪箱的密封改進

羅如崗

(中海石油(中國)有限公司 秦皇島 32-6作業(yè)公司,天津 300450)

摘要：為改造華南齒輪箱的密封性能，分析其密封機制和密封圈樣式，提出新的密封方案，耐久試驗測試表明，改造后齒輪箱的密封性能明顯得到改善，確定對密封機制和密封圈樣式的更改是可行的。

關(guān)鍵詞：華南吊機；齒輪箱密封；改造；應(yīng)用

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.008

中圖分類號：U667.5

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-7953(2015)05-0028-03

收稿日期：2015-07-30

作者簡介：第一羅如崗(1976-),男,學(xué)士，工程師

Abstract:The first generation SCM gear box is modified in order to enhance its sealing capacity. After analyzing the seal principle and seal ring type of SCM gear box by seal theory and finite element method, a new sealing scheme is proposed. The results of endurance tests show that the sealing ability of the modified gear boxes is improved evidently, and the modification design of the SCM gear boxes is feasible.

修回日期：2015-09-01

研究方向:機電一體化

E-mail:luorg@cnooc.com.cn

QHD-32-6油田和BZ25-1油田使用的都是華南吊車，吊車平均使用時間為700 h/年,吊車使用時齒輪箱帶動各個絞車頻繁的啟動、停止，因此齒輪箱內(nèi)部的剎車油缸不停做往復(fù)運動，從而在剎車缸和活塞的密封面上有可能發(fā)生滲漏，導(dǎo)致剎車缸內(nèi)的液壓油竄入齒輪箱內(nèi)部，從齒輪箱的透氣帽冒出。吊車的齒輪箱是第一代齒輪箱，齒輪箱內(nèi)剎車部分油缸的密封形式采用的是O形圈形式，見圖1。

圖1　O形密封示意

由圖1可見，剎車活塞缸的密封由2道O形圈來完成，1道是軸用O形圈安裝在活塞上，安裝槽加工在活塞上；另外1道是孔用O形圈安裝在剎車缸體上，安裝槽加工在缸體上，兩道O形圈將有壓力的液壓油密封在剎車油缸內(nèi)，推動活塞往復(fù)運動打開剎車。

1新型密封的結(jié)構(gòu)設(shè)計和密封機制

1.1新型密封的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1)密封的可靠性，齒輪箱在作業(yè)時候啟停往復(fù)的運動次數(shù)很多，因此需要密封更加可靠。

2)密封對環(huán)境的耐受性，新的密封形式需要有較好的密封面抗污能力，并且采用耐高溫的材料，防止密封件在高溫下老化[1]。

3)考慮到海上維修的特殊性，新的密封形式能夠快速安裝和更換，并且保證一次安裝到位。

1.2新的密封機制

考慮以上要求，設(shè)計新的密封形式如圖2所示。

圖2　新型密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

密封圈采用進口的斯特封階梯圈，將密封全部安裝在活塞上，總計有2道密封。每道斯特封階梯圈的密封由1個橡膠O形圈和聚四氟乙烯圈組合而成，材質(zhì)為PTFE + NBR。在海上特殊環(huán)境下，橡膠彈性體丁腈膠NBR采用氟膠FKM替代。密封時斯特封階梯圈依其本身的變形對密封表面產(chǎn)生較高的初始接觸應(yīng)力，阻止無壓力液體的泄漏。在剎車液壓缸工作時，壓力液體通過O形密封圈的彈性變形始最大限度地擠壓方形密封圈，使之緊貼密封表面而產(chǎn)生隨壓力液體的壓力增高而增高的附加接觸應(yīng)力，并與初始接觸應(yīng)力一起共同阻止壓力液體的泄漏，這種密封的最大承壓是40 MPa[2]。同時，PTFE+FKM材料的斯特封階梯圈耐受溫度范圍-20～200℃。除此之外，為了保證密封接觸面的清潔，防止摩擦金屬粉末進入摩擦面，在2道斯特封階梯圈的外圍，增加了2道導(dǎo)向帶。導(dǎo)向帶的材質(zhì)是填充青銅粉氟碳樹脂(PTFE )，這種導(dǎo)向帶除實現(xiàn)導(dǎo)向功能、保證柱塞運行的平穩(wěn)、同心之外，還能防止摩擦金屬粉末等大顆粒異物進入，保護了密封件并且具有吸收震動特性。

新型的斯特封階梯圈，安裝槽全部加工在活塞上，這種設(shè)計機既能保證安裝溝槽的加工尺寸，又能保證安裝簡單快捷和準(zhǔn)確性。

2新舊密封機制的對比

為了更好地分析兩種密封形式在安裝溝槽內(nèi)的受力，采用有限元法進行分析對比，見圖3、4。

圖3　斯特封階梯圈的剖面圖以及溝槽內(nèi)受力分析 [3]

圖4　O形圈剖面

圖3中，假設(shè)斯特封階梯圈已經(jīng)安裝在溝槽內(nèi)，右方的通道是壓力油進入的方向，當(dāng)系統(tǒng)壓力為0時斯特封階梯圈主要依靠外圈O形圈的擠壓來進行密封，密封的主要位置集中在密封唇邊，密封作用面是是一個較小的接觸面，當(dāng)壓力增加到30 MPa時壓力通過介質(zhì)傳遞給斯特封階梯圈，斯特封階梯圈被壓縮后，密封的主要位置集中在唇邊后面的密封面上，密封作用面變?yōu)橐粋€較大的接觸面，增強了密封效果，

齒輪箱在剎車啟停的過程中，剎車開啟時活塞依靠液壓油打開，剎車關(guān)閉是液壓油泄壓，依靠彈簧復(fù)位，因此斯特封階梯圈的密封接觸面隨壓力交替變化，減少了密封件與缸體摩擦，減少發(fā)熱量，提高了密封件壽命和密封效果。

圖4中，假設(shè)將O形圈放在豎向的安裝溝槽內(nèi)，從圖4上看出，O形圈的密封受力不隨剎車液壓油壓力的變化而變化，只取決于剎車溝槽的深度等最初設(shè)計參數(shù)[4];并且密封面作用面比較小，在活塞往復(fù)運動中，密封面不變，摩擦一直存在，所以發(fā)熱量較大；不利于密封件壽命。

3新舊密封形式試驗對比

將兩個完全一樣的齒輪箱安裝在同1臺絞車上(雙齒輪箱絞車，左右各1臺)進行同環(huán)境和條件下的對比試驗，每間隔1 h測量下剎車部位的溫度。

第一輪12 h耐久試驗數(shù)據(jù)(測試時間2013-04-10上午8點開始，環(huán)境溫度19℃)見圖5。

圖5　第一輪耐久試驗數(shù)據(jù)

第二輪12 h耐久試驗數(shù)據(jù)(測試時間2013-04-11上午8點開始，環(huán)境溫度16℃)見圖6。

圖6　第二輪耐久試驗數(shù)據(jù)

4實驗數(shù)據(jù)分析

齒輪箱剎車部位的溫度升高原因主要是系統(tǒng)油溫和剎車活塞往復(fù)運動帶動密封件摩擦缸體疊加所產(chǎn)生，從實驗數(shù)據(jù)看出，在整個12 h不間斷實驗過程中安裝改進后密封的剎車機構(gòu)都比安裝改進前密封的剎車機構(gòu)溫度低了約10 ℃左右，并且沒有泄露產(chǎn)生，溫度的降低表明密封面的摩擦更加小，密封面更加光滑順暢有效。新舊密封形成對比見表1。

表1　新舊密封形對比

5新型密封形式現(xiàn)場升級與應(yīng)用

齒輪箱密封改型后在文昌13-1/2油田WEN13-1平臺吊車副鉤進行安裝，已經(jīng)連續(xù)運行1 000 h無泄漏；在文昌油田群，WEN13-6平臺主鉤安裝使用，已經(jīng)連續(xù)運行1 100 h無泄露；現(xiàn)在25-1油田WHPE/WHPC副鉤和變幅全部更換為新型密封形式的齒輪箱，已經(jīng)連續(xù)運行約200 h無泄漏，無異常。

秦皇島32-6與渤中25-1油田使用華南吊車數(shù)量為21臺齒輪箱總計達到80多臺/套，如何將齒輪箱剎車密封失效減少到最低頻率，減少齒輪箱的停機維護時間值得深入探討，通過與廠家合作，將新的密封技術(shù)應(yīng)用在現(xiàn)在使用的齒輪箱上既可節(jié)約經(jīng)費，又能提高維修和生產(chǎn)作業(yè)的效率。

參考文獻

[1] 張嘉禾，楊赪石，彭博，等.超高速下機械密封的結(jié)構(gòu)及溫度場研究[J].船海工程，2014，43(2)：162-164.

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[4] 任全彬，蔡體敏，王榮喬，等.橡膠“O”形密封圈結(jié)構(gòu)參數(shù)和失效準(zhǔn)則研究[J].固體火箭技術(shù),2006，29(1):15-20.

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[6] 張質(zhì)文,王金諾,程文明,等.起重機設(shè)計手冊：上卷[M].北京:中國鐵道出版社,2013.

On Improvement of Sealing Capacity of the Gear Case in SCM Crane

LUO Ru-gang

(CNOOC China Limited QHD32-6 Operating Company, Tianjin 300450, China)

Key words: SCM crane; gear case's sealing; modification; application; economic benefits