許 可，曹海健，王 瑞，范華濤

（1. 中國船舶科學(xué)研究中心 深海載人裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214082；2. 東臺(tái)船用配件有限公司，江蘇 東臺(tái) 224200）

0 引 言

近年來，對(duì)海洋資源尤其是 1000m以下深海資源的研究與開發(fā)越來越受重視。為了能近距離觀察和開發(fā)深海資源，已研發(fā)出各類無人潛水器和載人潛水器，其中載人潛水器因具有大潛深和可搭載多名人員直接挺進(jìn)深海的優(yōu)點(diǎn)而備受矚目。載人潛水器上通常搭載有多功能作業(yè)機(jī)械手、深海觀察和探測類設(shè)備，可在深海完成各類精細(xì)觀察和取樣，以及進(jìn)行高效勘探、科學(xué)考察和海底精細(xì)作業(yè)等[1-2]。

目前國內(nèi)外的載人潛水器大多采用舷外親水推進(jìn)器直接推進(jìn)艇體，在采用這種推進(jìn)方式時(shí)，推進(jìn)器主體結(jié)構(gòu)全部位于舷外，長期浸泡于海水中，一旦出現(xiàn)故障，人員無法對(duì)其進(jìn)行維修，這就限制了該類載人潛水器在深海作業(yè)的時(shí)間。若能采用軸系穿艙技術(shù)，則能較好地解決舷外推進(jìn)器難以維修的問題，即推進(jìn)電機(jī)、推力軸承等軸系設(shè)備及其附屬系統(tǒng)均位于載人艙內(nèi)，通過主軸穿過耐壓艙之后與舷外的推進(jìn)器連接，由于推進(jìn)系統(tǒng)的絕大部分設(shè)備都位于載人艙內(nèi)，人員可達(dá)，可進(jìn)行實(shí)時(shí)在線維修。然而，穿過耐壓艙的艉軸密封對(duì)于該技術(shù)的實(shí)施至關(guān)重要。由此，本文對(duì)載人潛水器軸系穿艙密封的技術(shù)特點(diǎn)和技術(shù)方案進(jìn)行分析。

1 艉軸密封裝置的組成和工作原理

載人潛水器的穿艙軸系主要由推進(jìn)電機(jī)、聯(lián)軸器、推力軸承、艉軸密封裝置、艉軸軸承和艉軸組成，其中艉軸密封裝置主要在軸系運(yùn)轉(zhuǎn)過程中起到密封舷外高壓海水的作用。艉軸密封裝置是載人潛水器耐壓結(jié)構(gòu)艇體上密封尺寸最大、工作環(huán)境最惡劣的動(dòng)密封設(shè)備，其性能的優(yōu)劣直接影響到載人潛水器在水下航行和作業(yè)的效能，甚至影響其生命力。因此各國均投入大量資源研究開發(fā)性能優(yōu)良的艉軸密封裝置，并已取得顯著的技術(shù)成果[3]。常規(guī)的艉軸密封裝置通常由端面密封、應(yīng)急密封和修理密封等3個(gè)基本功能單元組成[4]（見圖1）。

1) 端面密封是艉軸密封裝置中最主要的密封單元，其結(jié)構(gòu)形式一般為機(jī)械密封，在軸系正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，軸系的密封任務(wù)主要通過端面密封來完成；

2) 應(yīng)急密封作為端面密封的備份，在端面密封受損或發(fā)生故障時(shí)，起到臨時(shí)密封的作用；

大學(xué)的足球課程采用俱樂部形式的訓(xùn)練模式，將會(huì)打破原先單一枯燥的上課訓(xùn)練模式.標(biāo)志盤、標(biāo)志桶、過球桿、繩梯奧、小跳架、移動(dòng)小球門等的器具結(jié)合利用，訓(xùn)練模式將會(huì)多種多樣，整個(gè)課程主題可能只訓(xùn)練一項(xiàng)，但結(jié)合這些器具，可以更全面地訓(xùn)練大學(xué)生的協(xié)調(diào)性、球感、整體性，這都是舊體育課程所欠缺的部分.

通過深入開展群眾路線教育實(shí)踐活動(dòng)，形式主義、官僚主義、享樂主義和奢靡之風(fēng)得到有力整治，群眾反映強(qiáng)烈的突出問題得到有效解決。黨的建設(shè)不僅體現(xiàn)了顯著的針對(duì)性，也體現(xiàn)了我們黨破解自身存在的問題的高度自信和強(qiáng)大勇氣。“三嚴(yán)三實(shí)”作為進(jìn)一步鞏固黨的群眾路線教育實(shí)踐活動(dòng)的重要抓手，既體現(xiàn)了全黨深深的憂黨之心、興黨之責(zé)；又體現(xiàn)了中國共產(chǎn)黨人高度的執(zhí)政自信和使命擔(dān)當(dāng)。

式中,θ1=βL1代表半波長諧振器的電長度,由于諧振器的諧振條件為Yin,odd=0,因此,第一奇模諧振頻率可按式(2)計(jì)算

3) 修理密封的主要作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)端面密封和填料密封的檢修和換件，此時(shí)艉軸應(yīng)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

隨著潛艇和潛水器的下潛深度逐步增加，以及對(duì)水下工作時(shí)間的要求越來越高，潛艇和潛水器對(duì)艉軸密封裝置的密封性和可靠性的要求越來越高，雙端面機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)形式越來越多地被采用，并朝著整體式安裝結(jié)構(gòu)的方向發(fā)展，采用雙端面密封的結(jié)構(gòu)形式可進(jìn)一步提高裝置密封的耐壓壓力和可靠性[5]。

2 載人潛水器艉軸密封裝置技術(shù)方案

因此，為適應(yīng)載人潛水器大潛深工作的特點(diǎn)，本文論證的艉軸密封裝置的主密封采用軸向串聯(lián)的2道端面機(jī)械密封（見圖3），在艉部設(shè)置一道液壓閉鎖裝置用作修理密封，在艏端設(shè)置一道密封填料函用作應(yīng)急密封。在正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，液壓閉鎖裝置和應(yīng)急填料密封裝置處于脫開狀態(tài)。串聯(lián)式雙端面機(jī)械密封（一）和串聯(lián)式雙端面機(jī)械密封（二）的密封動(dòng)環(huán)、靜環(huán)在水壓和彈簧壓力的共同作用下相互緊密貼合，產(chǎn)生密封作用。當(dāng)軸系運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，密封動(dòng)環(huán)的摩擦面與靜環(huán)的摩擦面之間會(huì)產(chǎn)生并維持一層水膜，對(duì)密封副進(jìn)行潤滑和冷卻。

圖2 艉軸密封裝置部位合成位移圖

載人潛水器的下潛深度通?？蛇_(dá)1000m以上，如此大的下潛深度不僅要求艉軸密封裝置能密封該深度對(duì)應(yīng)的較大壓力的外界海水，而且會(huì)造成載人艙的耐壓殼產(chǎn)生較大的結(jié)構(gòu)變形，進(jìn)而使艉軸在穿過載人艙耐壓殼時(shí)有較大的相對(duì)位移，因此需要艉軸密封具有較強(qiáng)的位移補(bǔ)償能力，以保證耐壓殼在結(jié)構(gòu)變形條件下能可靠密封。本文研究的載人潛水器耐壓艇體結(jié)構(gòu)采用的是TC4鈦合金材質(zhì)，對(duì)載人潛水器的艉軸穿艙部位的耐壓艙進(jìn)行有限元建模，并采用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析，其中計(jì)算壓力取10MPa（對(duì)應(yīng)1000m工作水深），模型耐壓結(jié)構(gòu)的參數(shù)為：圓柱殼內(nèi)徑φ3000mm；殼板厚度t=24mm；球封頭內(nèi)徑φ2586mm；球封頭厚度t=20mm；肋骨間距l(xiāng)=300mm；穿艙艉軸直徑φ90mm。有限元計(jì)算分析結(jié)果（見圖 2）表明，在機(jī)械密封部位，艉軸的縱向位移為2.8mm，耐壓結(jié)構(gòu)的縱向位移為8.3mm，相對(duì)變形為5.5mm。

圖3 載人潛水器艉軸密封裝置結(jié)構(gòu)方案

2.1 雙端面機(jī)械密封

采用雙端面機(jī)械密封作為主機(jī)械密封的方案，該雙端面機(jī)械密封由2道密封特性相同的端面機(jī)械密封（一）和端面機(jī)械密封（二）軸向串聯(lián)而成，每道機(jī)械密封的設(shè)計(jì)工作壓力為5MPa。根據(jù)不同工況的要求，2道機(jī)械密封共同或各自發(fā)揮密封作用。

當(dāng)水深超過500m時(shí)，舷外海水經(jīng)過濾器和定壓減壓閥，在控制壓力小于等于5MPa之后進(jìn)入壓力水箱，經(jīng)管路進(jìn)入機(jī)械密封（一）的密封腔，冷卻潤滑密封副（一），流出之后經(jīng)二級(jí)冷卻水泵加壓進(jìn)入機(jī)械密封（二）的密封腔，冷卻潤滑密封副（二）之后經(jīng)艉管流出舷外。在該工況下，2道機(jī)械密封同時(shí)發(fā)揮密封作用，機(jī)械密封（一）承受的壓力和機(jī)械密封（二）承受的壓力均小于等于5MPa，單道機(jī)械密封承受的壓力均遠(yuǎn)小于工作水深壓力，在保證整機(jī)工作能力不變的前提下減小工作負(fù)荷，同時(shí)可采用成熟的機(jī)械密封副結(jié)構(gòu)形式和材料。

我們知道，人的牙齒和舌頭的感覺非常精細(xì)，是容不下半點(diǎn)“沙子”的，它們之所以能夠協(xié)調(diào)，在口腔內(nèi)重復(fù)進(jìn)行著機(jī)械性活動(dòng)，是因?yàn)樗鼈冇兄约哼\(yùn)行的軌道，維持著口腔功能的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。一旦口腔內(nèi)出現(xiàn)任何異常，就可能會(huì)破壞口腔內(nèi)的平衡，可能會(huì)發(fā)生咬傷。

設(shè)置2道動(dòng)密封圈，分別為V形密封圈和O形密封圈，安裝在密封端蓋內(nèi)的圓溝槽內(nèi)。V形密封圈兼具密封和防沙功能，當(dāng)密封靜環(huán)進(jìn)行軸向補(bǔ)償時(shí)，動(dòng)密封圈的位置相對(duì)固定，最大限度地免除水中雜質(zhì)導(dǎo)致動(dòng)密封部位出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理 采用SPSS17.0軟件進(jìn)行分析。計(jì)量資料以x±s描述，組間比較采用兩獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，組內(nèi)比較采用配對(duì)t檢驗(yàn)。計(jì)數(shù)資料用例數(shù)（%）描述，組間比較采用χ2檢驗(yàn)。P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2.2 液壓閉鎖裝置

當(dāng)閉鎖器完成任務(wù)需開啟時(shí)，先向機(jī)械密封（一）的密封腔內(nèi)注入與舷外等壓力的壓力水，再向閉鎖器開啟腔內(nèi)注入一定壓力和體積的液壓油，使雙活塞向艉端移動(dòng)，閉鎖器達(dá)到開啟狀態(tài)。

當(dāng)載人潛水器在水下一定深度處發(fā)生推進(jìn)故障無法繼續(xù)前行機(jī)動(dòng)時(shí)，需對(duì)端面密封或應(yīng)急填料密封進(jìn)行維修，或當(dāng)處于全任務(wù)深度范圍內(nèi)需應(yīng)急上浮時(shí)，向閉鎖裝置的閉鎖腔注入一定壓力和體積的液壓油，使雙活塞向艏端移動(dòng)，端面密封環(huán)緊密貼合到機(jī)械密封（一）的動(dòng)環(huán)背面，閉鎖器達(dá)到閉鎖密封狀態(tài)，阻斷舷外的海水，雙活塞在舷外水壓的作用下處于閉鎖狀態(tài)。

液壓閉鎖裝置用作修理密封，主要由殼體、雙活塞、密封圈和端面密封環(huán)組成，各部件承受水壓的直徑按大小排序?yàn)椋呼级嘶钊爵憾嘶钊径嗣婷芊猸h(huán)。在正常狀態(tài)下，閉鎖裝置開啟，雙活塞在水壓的作用下自鎖于艉端，防止軸系運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)端面密封環(huán)產(chǎn)生摩擦。

閉鎖器用的液壓油為“水-乙二醇”水溶性液壓油，符合環(huán)保要求且具有隱蔽性。使用手動(dòng)高壓油泵注入液壓油，具有較強(qiáng)的可操作性。

不過哥哥講故事的時(shí)候，翠姨總比我們留心聽些，那是因?yàn)樗哪挲g稍稍比我們大些，當(dāng)然在理解力上，比我們更接近一些哥哥的了。哥哥對(duì)翠姨比對(duì)我們稍稍的客氣一點(diǎn)。他和翠姨說話的時(shí)候，總是“是的”“是的”的，而和我們說話則“對(duì)啦”“對(duì)啦”。這顯然因?yàn)榇湟淌强腿说年P(guān)系，而且在名分上比他大。

2.3 密封填料函

密封填料函用作應(yīng)急密封，主要由3道串聯(lián)布置的填料函、壓緊蓋和周向均布的雙頭螺柱組成。應(yīng)急密封作為端面密封的備份，在雙端面機(jī)械密封受損或發(fā)生故障時(shí)起到臨時(shí)密封的作用，主要通過均勻擰緊周向均布的雙頭螺柱上的螺母完成密封填料的同步壓緊，密封填料在受到正向壓緊力之后會(huì)徑向膨脹，從而起到密封的作用。在該情形下，載人潛水器僅能在短時(shí)間內(nèi)以較低的速度航行。

2.4 密封冷卻水系統(tǒng)

(2)地理上的集中本身就有助于商品制造者、供給者與顧客之間產(chǎn)生一種更為自由的信息傳播，相當(dāng)數(shù)量的創(chuàng)新正是由于顧客需要和解決供給問題而產(chǎn)生的結(jié)果.

密封冷卻水系統(tǒng)由過濾器、定壓減壓閥、壓力水箱、一級(jí)冷卻水泵、二級(jí)冷卻水泵、管路、截止閥、單向閥和壓力表等組成（見圖4）。

當(dāng)潛水水深在500m時(shí)，舷外海水（密封、冷卻介質(zhì)）經(jīng)過濾器和一級(jí)冷卻水泵之后進(jìn)入機(jī)械密封（一）的密封腔，對(duì)密封副（一）進(jìn)行冷卻潤滑之后流出該密封腔，經(jīng)管道再次流入機(jī)械密封（二）的密封腔，對(duì)密封副（二）進(jìn)行冷卻潤滑之后經(jīng)艉管流出舷外。在該工況下，機(jī)械密封（一）發(fā)揮密封作用，機(jī)械密封（二）處于熱備份狀態(tài)，一旦機(jī)械密封（一）失效，可通過切換管路上閥門的開、關(guān)狀態(tài)，將機(jī)械密封（二）投入使用。

圖4 密封冷卻水系統(tǒng)組成

機(jī)械密封動(dòng)環(huán)和靜環(huán)均采用浮動(dòng)安裝結(jié)構(gòu)，避免固定安裝結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力的影響，提高密封的可靠性；密封動(dòng)環(huán)的材質(zhì)為硬質(zhì)合金；密封靜環(huán)的材質(zhì)在初次裝船時(shí)采用碳化硅整環(huán)，在不抽軸維修更換時(shí)采用剖分式碳精環(huán)。

3 載人潛水器艉軸密封裝置試驗(yàn)系統(tǒng)研制

載人潛水器艉軸密封裝置的試驗(yàn)系統(tǒng)包括2部分，分別是動(dòng)力驅(qū)動(dòng)部分（試驗(yàn)系統(tǒng)臺(tái)架）和輔助管路系統(tǒng)。

3.1 動(dòng)力驅(qū)動(dòng)部分

動(dòng)力驅(qū)動(dòng)部分（試驗(yàn)系統(tǒng)臺(tái)架）見圖5，主要由電機(jī)控制柜、推進(jìn)電機(jī)、高彈聯(lián)軸器、位移調(diào)整器、艉軸、艉軸軸承和2個(gè)對(duì)面布置的雙端面艉軸密封裝置組成。為降低推進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)振動(dòng)對(duì)艉軸密封裝置密封性能試驗(yàn)的影響，將推進(jìn)電機(jī)和艉軸密封裝置安裝在獨(dú)立的支撐基座上，并使推進(jìn)電機(jī)與艉軸通過高彈聯(lián)軸器連接，以補(bǔ)償兩者之間的對(duì)中誤差和減弱推進(jìn)電機(jī)振動(dòng)傳遞。

該套試驗(yàn)裝置采用變頻電機(jī)無級(jí)調(diào)速，功率為 27kW，輸出轉(zhuǎn)速為-400～+400r/min，艉軸外徑為φ90mm。

圖5 艉軸密封裝置試驗(yàn)系統(tǒng)臺(tái)架

針對(duì)載人潛水器艉軸密封裝置部位在大潛深環(huán)境下會(huì)產(chǎn)生 5.5mm相對(duì)變形位移的特點(diǎn)，在密封試驗(yàn)系統(tǒng)中著重考慮艉軸相對(duì)位移對(duì)密封性能的影響，在艉軸密封裝置試驗(yàn)系統(tǒng)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)部分，艉軸與高彈聯(lián)軸器之間增加1臺(tái)位移調(diào)整器（見圖6），該位移調(diào)整器主要由10塊1mm厚的316不銹鋼圓板疊加而成，每次通過裝載不同數(shù)量的不銹鋼圓板來模擬艉軸的相對(duì)位移量，進(jìn)而考核不同位移條件下艉軸密封裝置的密封性能。

圖6 位移調(diào)整器

3.2 輔助管路系統(tǒng)

輔助管路系統(tǒng)的主要功能是模擬載人潛水器的艉軸密封裝置和艉軸軸承在深海高壓環(huán)境下的運(yùn)行環(huán)境，輔助管路系統(tǒng)主要由壓力水桶、高壓水泵、壓力流量傳感器、管路和閥件等組成（見圖7），其主要工作原理是通過加壓泵將壓力水桶中的水壓提升至10MPa之后分2路：一路經(jīng)過冷卻水泵將10MPa的壓力水直接泵入艉軸軸承中；另一路經(jīng)過減壓閥降低至5MPa之后進(jìn)入壓力水槽，之后直接進(jìn)入2個(gè)艉軸密封裝置的機(jī)械密封（一），從其出口流出的5MPa高壓水經(jīng)二級(jí)高壓水泵加壓至10MPa之后流入機(jī)械密封（二），之后通過艉軸軸承出口流至10MPa壓力水桶中。

在輔助管路系統(tǒng)中，從10MPa壓力水桶中引出2路水路，其中：第一路的主要作用是保證能在艉軸密封裝置的外部建立一個(gè)10MPa舷外高壓的水環(huán)境，用來模擬載人潛水器艉軸密封裝置實(shí)際的工作深度；另一路的主要作用是模擬載人潛水器的艉軸密封裝置在實(shí)際工作過程中逐級(jí)減壓的密封冷卻水系統(tǒng)。

圖7 艉軸密封裝置試驗(yàn)系統(tǒng)的輔助管路系統(tǒng)

4 結(jié) 語

本文分析了常規(guī)艉軸密封裝置的組成和工作原理，并結(jié)合載人潛水器大深度的工作環(huán)境和高可靠性、可實(shí)時(shí)在線維修的特點(diǎn)，提出了雙端面艉軸密封裝置和輔助密封冷卻水系統(tǒng)的組成及其工作原理，并開展了針對(duì)該艉軸密封裝置試驗(yàn)臺(tái)架和密封輔助管路系統(tǒng)的技術(shù)方案設(shè)計(jì)工作。通過對(duì)該技術(shù)方案的論證，認(rèn)為：除了采用現(xiàn)有的舷外親水推進(jìn)器推進(jìn)方式以外，采用艉軸穿艙密封的技術(shù)方案也是切實(shí)可行的。