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。

關鍵詞：華南吊機；齒輪箱密封；改造；應用

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.008

中圖分類號：U667.5

文獻標志碼：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，因此齒輪箱內部的剎車油缸不停做往復運動，從而在剎車缸和活塞的密封面上有可能發(fā)生滲漏，導致剎車缸內的液壓油竄入齒輪箱內部，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，推動活塞往復運動打開剎車。

1新型密封的結構設計和密封機制

1.1新型密封的結構設計

1)密封的可靠性，齒輪箱在作業(yè)時候啟停往復的運動次數很多，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，設計新的密封形式如圖2所示。

圖2　新型密封系統(tǒng)結構示意

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生較高的初始接觸應力，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生隨壓力液體的壓力增高而增高的附加接觸應力，并與初始接觸應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道導向帶。導向帶的材質是填充青銅粉氟碳樹脂(PTFE )，這種導向帶除實現導向功能、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受力分析 [3]

圖4　O形圈剖面

圖3中，假設斯特封階梯圈已經安裝在溝槽內，右方的通道是壓力油進入的方向，當系統(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，當壓力增加到30 MPa時壓力通過介質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，剎車關閉是液壓油泄壓，依靠彈簧復位，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，假設將O形圈放在豎向的安裝溝槽內，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計參數[4];并且密封面作用面比較小，在活塞往復運動中，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耐久試驗數據(測試時間2013-04-10上午8點開始，環(huán)境溫度19℃)見圖5。

圖5　第一輪耐久試驗數據

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

圖6　第二輪耐久試驗數據

4實驗數據分析

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運動帶動密封件摩擦缸體疊加所產生，從實驗數據看出，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都比安裝改進前密封的剎車機構溫度低了約10 ℃左右，并且沒有泄露產生，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新型密封形式現場升級與應用

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，已經連續(xù)運行1 100 h無泄露；現在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，將新的密封技術應用在現在使用的齒輪箱上既可節(jié)約經費，又能提高維修和生產作業(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構及溫度場研究[J].船海工程，2014，43(2)：162-164.

[2] 姚碎全.斯特封密封特性分析[J].液壓氣動與密封,2003，101(5):35-37.

[3] 張勝民.基于有限元軟件ANSYS 7.0的結構分析[M].北京:清華大學出版社,2003.

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

[5] 成大先.機械設計手冊：3卷[M].北京:化學工業(yè)出版社,2008.

[6] 張質文,王金諾,程文明,等.起重機設計手冊：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