华南吊机齿轮箱的密封改进

华南吊机齿轮箱的密封改进

罗如岗

(中海石油(中国)有限公司 秦皇岛 32-6作业公司,天津 300450)

摘要：为改造华南齿轮箱的密封性能，分析其密封机制和密封圈样式，提出新的密封方案，耐久试验测试表明，改造后齿轮箱的密封性能明显得到改善，确定对密封机制和密封圈样式的更改是可行的。

关键词：华南吊机；齿轮箱密封；改造；应用

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.008

中图分类号：U667.5

文献标志码：A

文章编号：1671-7953(2015)05-0028-03

收稿日期：2015-07-30

作者简介：第一罗如岗(1976-),男,学士，工程师

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:机电一体化

E-mail:luorg@cnooc.com.cn

QHD-32-6油田和BZ25-1油田使用的都是华南吊车，吊车平均使用时间为700 h/年,吊车使用时齿轮箱带动各个绞车频繁的启动、停止，因此齿轮箱内部的刹车油缸不停做往复运动，从而在刹车缸和活塞的密封面上有可能发生渗漏，导致刹车缸内的液压油窜入齿轮箱内部，从齿轮箱的透气帽冒出。吊车的齿轮箱是第一代齿轮箱，齿轮箱内刹车部分油缸的密封形式采用的是O形圈形式，见图1。

图1　O形密封示意

由图1可见，刹车活塞缸的密封由2道O形圈来完成，1道是轴用O形圈安装在活塞上，安装槽加工在活塞上；另外1道是孔用O形圈安装在刹车缸体上，安装槽加工在缸体上，两道O形圈将有压力的液压油密封在刹车油缸内，推动活塞往复运动打开刹车。

1新型密封的结构设计和密封机制

1.1新型密封的结构设计

1)密封的可靠性，齿轮箱在作业时候启停往复的运动次数很多，因此需要密封更加可靠。

2)密封对环境的耐受性，新的密封形式需要有较好的密封面抗污能力，并且采用耐高温的材料，防止密封件在高温下老化[1]。

3)考虑到海上维修的特殊性，新的密封形式能够快速安装和更换，并且保证一次安装到位。

1.2新的密封机制

考虑以上要求，设计新的密封形式如图2所示。

图2　新型密封系统结构示意

密封圈采用进口的斯特封阶梯圈，将密封全部安装在活塞上，总计有2道密封。每道斯特封阶梯圈的密封由1个橡胶O形圈和聚四氟乙烯圈组合而成，材质为PTFE + NBR。在海上特殊环境下，橡胶弹性体丁腈胶NBR采用氟胶FKM替代。密封时斯特封阶梯圈依其本身的变形对密封表面产生较高的初始接触应力，阻止无压力液体的泄漏。在刹车液压缸工作时，压力液体通过O形密封圈的弹性变形始最大限度地挤压方形密封圈，使之紧贴密封表面而产生随压力液体的压力增高而增高的附加接触应力，并与初始接触应力一起共同阻止压力液体的泄漏，这种密封的最大承压是40 MPa[2]。同时，PTFE+FKM材料的斯特封阶梯圈耐受温度范围-20～200℃。除此之外，为了保证密封接触面的清洁，防止摩擦金属粉末进入摩擦面，在2道斯特封阶梯圈的外围，增加了2道导向带。导向带的材质是填充青铜粉氟碳树脂(PTFE )，这种导向带除实现导向功能、保证柱塞运行的平稳、同心之外，还能防止摩擦金属粉末等大颗粒异物进入，保护了密封件并且具有吸收震动特性。

新型的斯特封阶梯圈，安装槽全部加工在活塞上，这种设计机既能保证安装沟槽的加工尺寸，又能保证安装简单快捷和准确性。

2新旧密封机制的对比

为了更好地分析两种密封形式在安装沟槽内的受力，采用有限元法进行分析对比，见图3、4。

图3　斯特封阶梯圈的剖面图以及沟槽内受力分析 [3]

图4　O形圈剖面

图3中，假设斯特封阶梯圈已经安装在沟槽内，右方的通道是压力油进入的方向，当系统压力为0时斯特封阶梯圈主要依靠外圈O形圈的挤压来进行密封，密封的主要位置集中在密封唇边，密封作用面是是一个较小的接触面，当压力增加到30 MPa时压力通过介质传递给斯特封阶梯圈，斯特封阶梯圈被压缩后，密封的主要位置集中在唇边后面的密封面上，密封作用面变为一个较大的接触面，增强了密封效果，

齿轮箱在刹车启停的过程中，刹车开启时活塞依靠液压油打开，刹车关闭是液压油泄压，依靠弹簧复位，因此斯特封阶梯圈的密封接触面随压力交替变化，减少了密封件与缸体摩擦，减少发热量，提高了密封件寿命和密封效果。

图4中，假设将O形圈放在竖向的安装沟槽内，从图4上看出，O形圈的密封受力不随刹车液压油压力的变化而变化，只取决于刹车沟槽的深度等最初设计参数[4];并且密封面作用面比较小，在活塞往复运动中，密封面不变，摩擦一直存在，所以发热量较大；不利于密封件寿命。

3新旧密封形式试验对比

将两个完全一样的齿轮箱安装在同1台绞车上(双齿轮箱绞车，左右各1台)进行同环境和条件下的对比试验，每间隔1 h测量下刹车部位的温度。

第一轮12 h耐久试验数据(测试时间2013-04-10上午8点开始，环境温度19℃)见图5。

图5　第一轮耐久试验数据

第二轮12 h耐久试验数据(测试时间2013-04-11上午8点开始，环境温度16℃)见图6。

图6　第二轮耐久试验数据

4实验数据分析

齿轮箱刹车部位的温度升高原因主要是系统油温和刹车活塞往复运动带动密封件摩擦缸体叠加所产生，从实验数据看出，在整个12 h不间断实验过程中安装改进后密封的刹车机构都比安装改进前密封的刹车机构温度低了约10 ℃左右，并且没有泄露产生，温度的降低表明密封面的摩擦更加小，密封面更加光滑顺畅有效。新旧密封形成对比见表1。

表1　新旧密封形对比

5新型密封形式现场升级与应用

齿轮箱密封改型后在文昌13-1/2油田WEN13-1平台吊车副钩进行安装，已经连续运行1 000 h无泄漏；在文昌油田群，WEN13-6平台主钩安装使用，已经连续运行1 100 h无泄露；现在25-1油田WHPE/WHPC副钩和变幅全部更换为新型密封形式的齿轮箱，已经连续运行约200 h无泄漏，无异常。

秦皇岛32-6与渤中25-1油田使用华南吊车数量为21台齿轮箱总计达到80多台/套，如何将齿轮箱刹车密封失效减少到最低频率，减少齿轮箱的停机维护时间值得深入探讨，通过与厂家合作，将新的密封技术应用在现在使用的齿轮箱上既可节约经费，又能提高维修和生产作业的效率。

参考文献

[1] 张嘉禾，杨赪石，彭博，等.超高速下机械密封的结构及温度场研究[J].船海工程，2014，43(2)：162-164.

[2] 姚碎全.斯特封密封特性分析[J].液压气动与密封,2003，101(5):35-37.

[3] 张胜民.基于有限元软件ANSYS 7.0的结构分析[M].北京:清华大学出版社,2003.

[4] 任全彬，蔡体敏，王荣乔，等.橡胶“O”形密封圈结构参数和失效准则研究[J].固体火箭技术,2006，29(1):15-20.

[5] 成大先.机械设计手册：3卷[M].北京:化学工业出版社,2008.

[6] 张质文,王金诺,程文明,等.起重机设计手册：上卷[M].北京:中国铁道出版社,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