艦載發(fā)射裝置動環(huán)斷裂故障分析與改進(jìn)

高 云，劉 帥

(海軍裝備部, 湖北 武漢 430000)

0 引 言

渦輪泵發(fā)射系統(tǒng)為某型艦用發(fā)射裝置的動力部分，在發(fā)射時通過葉輪高速旋轉(zhuǎn)為發(fā)射裝置提供高壓水，高壓水進(jìn)入發(fā)射管將器材推動出管完成發(fā)射[1]。作為渦輪泵發(fā)射系統(tǒng)的重要組成部分，組合式機(jī)械密封機(jī)構(gòu)在渦輪泵發(fā)射系統(tǒng)中起密封作用[2]，防止海水進(jìn)入人員生活區(qū)，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。組合式機(jī)械密封機(jī)構(gòu)共有3 級密封，在不同的工況下，不同級別的密封分別起到密封作用。一級密封是滑閥密封，由安裝在泵軸上的錐套、錐套上的密封圈及滑閥組成，在渦輪泵發(fā)射系統(tǒng)不工作時，由一級密封實(shí)現(xiàn)密封功能；二級密封屬于動密封，由動環(huán)、動環(huán)座、靜環(huán)及靜環(huán)卡環(huán)等部件組成，在渦輪泵工作過程中由二級密封實(shí)現(xiàn)密封功能[3]；三級密封屬于應(yīng)急密封，由密封壓蓋、應(yīng)急調(diào)節(jié)螺母和裝在密封壓蓋上的密封圈組成，在一級和二級密封均失效情況下，可通過旋緊應(yīng)急調(diào)節(jié)螺母使應(yīng)急調(diào)節(jié)螺母壓緊密封壓蓋上的密封圈從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)急密封[4]。

圖1 組合式機(jī)械密封機(jī)構(gòu)Fig.1 Combined mechanical seal mechanism

1 故障分析與排查

1.1 問題定位

根據(jù)產(chǎn)生該動環(huán)斷裂發(fā)生的機(jī)理，建立故障樹模型，共建立底事件8 項，如圖2 所示。將對引起動環(huán)斷裂故障的可能原因進(jìn)行逐一排查。

圖2 動環(huán)斷裂故障樹Fig.2 The fault model tree of rotating seal ring

1.2 故障排查

1）設(shè)計強(qiáng)度問題

動環(huán)與動環(huán)座間的傳動是典型的“撥叉?zhèn)鲃有问健?，動環(huán)的材料為YG6,抗彎強(qiáng)度（抗彎曲不斷裂強(qiáng)度）≥1400 MPa，抗壓強(qiáng)度≥4600 MPa，硬度≥89.5 HRA，彈性模量為5.6～6.2×105MPa。

對動環(huán)進(jìn)行動力學(xué)仿真分析，施加的邊界條件如下：靜環(huán)與動環(huán)通過摩擦連接，摩擦系數(shù)0.4，且其彈簧擠壓在一起，彈簧壓力4800 N（已含水壓影響）。固定靜環(huán)，動環(huán)座在0.5 s 內(nèi)受力轉(zhuǎn)速從0 勻加速到1 500 r/min。

對靜環(huán)端面施加固定約束，如圖3 所示。

圖3 靜環(huán)端部固定約束Fig.3 Constrain the end of the static ring

對動環(huán)座端部施加彈簧壓力4 800 N，如圖4 所示。

圖4 動環(huán)座端部施加Y 向載荷4 800 NFig.4 Apply a Y-direction load of 4 800 N to the end of rotating seat

動環(huán)座在0.5 s 內(nèi)受力轉(zhuǎn)速從0 勻加速到1 500 r/min（157 rad/s），其旋轉(zhuǎn)瞬態(tài)結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 動環(huán)座瞬態(tài)結(jié)構(gòu)Fig.5 Transient structural of rotating seat

經(jīng)過對動環(huán)與靜環(huán)間的運(yùn)動進(jìn)行動力學(xué)仿真，動環(huán)的應(yīng)力分布如圖6 和圖7 所示。由仿真結(jié)果可知，動環(huán)卡槽的根部受應(yīng)力最大，最大應(yīng)力為34.792 MPa，滿足材料的強(qiáng)度要求，故可以排除設(shè)計強(qiáng)度問題因素。

圖6 動環(huán)應(yīng)力分布圖Fig.6 Stress distribution map of rotating seal ring

圖7 動環(huán)應(yīng)力峰值分布圖Fig.7 Stress peak distribution map of rotating seal ring

2）材質(zhì)問題

①化學(xué)成分。對斷裂的動環(huán)進(jìn)行了化學(xué)成分檢測，結(jié)果表明，鎢的含量94%，鈷的含量6%，化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求，故可排除化學(xué)成分不合格因素。

② 機(jī)械性能。對斷裂的動環(huán)進(jìn)行了機(jī)械性能檢測，結(jié)果表明，硬度為91.4 HRA，抗彎強(qiáng)度（抗彎曲不斷裂強(qiáng)度）為2 510 MPa，機(jī)械性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求，故可排除機(jī)械性能不合格因素。

③材料內(nèi)部應(yīng)力。在真空和低壓燒結(jié)動環(huán)毛坯過程中,動環(huán)毛坯會產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力。線切割過程中，動環(huán)卡槽線切割部位也會產(chǎn)生加工應(yīng)力，故不能排除材料內(nèi)部應(yīng)力導(dǎo)致的卡槽斷裂。

3）圓角處微裂紋

動環(huán)為硬脆材料，動環(huán)的卡槽是由線切割加工成型的，在線切割過程中會產(chǎn)生瞬時高溫，在切削液快速冷卻的作用下，線切割部位容易產(chǎn)生表面微觀裂紋，特別是動環(huán)卡槽的根部為銳角，屬于線切割拐角部位，卡槽根部的圓角處易產(chǎn)生表面微觀裂紋，故不能排除圓角處微裂紋導(dǎo)致的卡槽斷裂。

4）尺寸問題

動環(huán)回廠后進(jìn)行了全尺寸復(fù)測，復(fù)測的尺寸均滿足圖紙要求，故可排除尺寸問題因素。

5）裝配問題

手動轉(zhuǎn)動泵軸測量葉輪部件和葉輪室的間隙（此間隙需要經(jīng)自檢、專檢和軍檢），泵軸和葉輪部件轉(zhuǎn)動靈活，說明機(jī)械密封裝置的動環(huán)可以自由轉(zhuǎn)動，無卡滯（無額外載荷），因此可以排除裝配問題因素。

6）試驗(yàn)問題

渦輪泵發(fā)射系統(tǒng)完成了多次發(fā)射試驗(yàn)，在試驗(yàn)過程中，機(jī)械密封部位未聽見異常響聲。試驗(yàn)完成后，對其進(jìn)行分解，機(jī)械密封機(jī)構(gòu)內(nèi)部無異物，動環(huán)的密封面完好，無劃傷、磨損等異?，F(xiàn)象，說明動環(huán)轉(zhuǎn)動正常，試驗(yàn)過程中無異物導(dǎo)致動環(huán)所受的摩擦力矩增大，因此可排除試驗(yàn)問題因素。

綜上所述，動環(huán)在設(shè)計強(qiáng)度、化學(xué)成分、機(jī)械性能、加工尺寸、裝配和試驗(yàn)方面均無問題，因此材料內(nèi)部應(yīng)力和圓角處的微裂紋共同作用導(dǎo)致動環(huán)斷裂。

1.3 故障機(jī)理分析

機(jī)械密封機(jī)構(gòu)在假海試驗(yàn)過程中，動環(huán)的卡槽根部會反復(fù)受到啟動力矩（17.11 N·M）和摩擦力矩（最大為152 N.M）的作用，且卡槽的根部屬于應(yīng)力集中部位，受到最大的應(yīng)力為34.792 MPa。雖然理論上動環(huán)卡槽根部不會因強(qiáng)度不足導(dǎo)致斷裂，但是由于動環(huán)卡槽根部為應(yīng)力集中部位，在線切割過程中，動環(huán)卡槽根部易產(chǎn)生表面微裂紋和加工應(yīng)力，在材料的殘余應(yīng)力（冶煉應(yīng)力、加工應(yīng)力等）及外部載荷（交變特性）的共同作用下，微裂紋會逐步擴(kuò)展，最終導(dǎo)致動環(huán)卡槽出現(xiàn)裂紋或斷裂。

1.4 故障復(fù)現(xiàn)

將機(jī)械密封機(jī)構(gòu)損壞的動環(huán)用同批次生產(chǎn)的動環(huán)更換后,進(jìn)行機(jī)械密封機(jī)構(gòu)臺架試驗(yàn)驗(yàn)證。完成滑閥和應(yīng)急密封的密封性試驗(yàn)后，用電機(jī)帶動泵軸以約200 r/min 的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)10 次。試驗(yàn)后，對機(jī)械密封機(jī)構(gòu)進(jìn)行拆檢，動環(huán)未發(fā)現(xiàn)明顯異常，放置3 天后發(fā)現(xiàn)動環(huán)的一個卡槽從根部斷裂，如圖8 所示。

圖8 動環(huán)斷開部位Fig.8 Split pars of rotating seal ring

對整個動環(huán)進(jìn)行著色探傷檢查，發(fā)現(xiàn)其余卡槽根部也有3 道細(xì)小裂紋，動環(huán)卡槽斷裂問題故障復(fù)現(xiàn)，如圖9 所示。

圖9 動環(huán)裂紋Fig.9 Crack of rotating seal ring

2 故障解決措施與驗(yàn)證

2.1 動環(huán)制造工藝優(yōu)化

根據(jù)動環(huán)斷裂的原因，需要消除線切割過程中產(chǎn)生的表面微觀裂紋，并降低動環(huán)卡槽根部的應(yīng)力集中，采取的措施如下：

1）動環(huán)冶煉成型后進(jìn)行深冷處理（溫度控制在-180℃左右），改善在冶煉過程中的應(yīng)力；

2）動環(huán)毛坯成型后增加超聲波探傷檢測工藝，保證內(nèi)部無裂紋、氣孔等缺陷；

3）動環(huán)卡槽根部的圓角由R0.1～R0.2 優(yōu)化至R0.5～R0.7；

4）卡槽線切割時留0.2～0.3 mm 的磨削余量，通過磨削減少線切割過程中產(chǎn)生的表面微觀裂紋，并改善線切割時的加工應(yīng)力；

5）渦輪泵假海聯(lián)調(diào)試驗(yàn)后，對機(jī)械密封進(jìn)行分解、清洗，并對動環(huán)進(jìn)行著色探傷，應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013.5-2015 的Ⅰ級要求（不允許存在線性缺陷）；3 天后再次進(jìn)行著色探傷，符合標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013.5-2015 的Ⅰ級要求（不允許存在線性缺陷）。

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

1）動環(huán)卡槽靜態(tài)拉力試驗(yàn)

為保證優(yōu)化的制造工藝有效，在新工藝確定后，對新工藝生產(chǎn)的動環(huán)在靜拉力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行動環(huán)卡槽靜態(tài)拉力試驗(yàn)。試驗(yàn)方法如下：固定動環(huán)，在動環(huán)下方壓有一可繞中心旋轉(zhuǎn)的銷軸，用旋轉(zhuǎn)拉力機(jī)對壓在動環(huán)下方的銷軸進(jìn)行拖拽，使銷軸作用在卡槽根部，從而檢驗(yàn)新動環(huán)卡槽在受力情況下的強(qiáng)度。試驗(yàn)完成后，對試驗(yàn)的動環(huán)進(jìn)行著色探傷檢查，動環(huán)卡槽無裂紋。

2）機(jī)械密封試驗(yàn)臺旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)

按新工藝重新制造一件動環(huán)，并取后續(xù)船的一件老工藝動環(huán)，新工藝動環(huán)和老工藝動環(huán)在機(jī)械密封試驗(yàn)臺上同時進(jìn)行旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)，對新工藝和老工藝動環(huán)進(jìn)行200 次旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)，試驗(yàn)水壓均為2.4 MPa（最高水壓），啟動和制動時間各3 s。試驗(yàn)完成后，對動環(huán)進(jìn)行了著色探傷檢查，新工藝動環(huán)符合NB/T47013.5 的Ⅰ級要求（不允許存在線性缺陷），老工藝動環(huán)出現(xiàn)3 處裂紋。

3）渦輪泵系統(tǒng)假海聯(lián)調(diào)試驗(yàn)

按新工藝加工2 件新動環(huán)，按照產(chǎn)品的裝配工藝完成渦輪泵組合式機(jī)械密封的裝配。為了確保動環(huán)裝配無問題，保證假海聯(lián)調(diào)試驗(yàn)的有效性，在裝配完成后，先在組合式機(jī)械密封試驗(yàn)臺上進(jìn)行密封性試驗(yàn)檢查以及試運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)。試運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)過程中，對高壓釜分別加壓至0.03 MPa，0.1 MPa，0.5 MPa，1.5 MPa 以及2.4 MPa，每組壓力試運(yùn)轉(zhuǎn)4 次。組合式機(jī)械密封機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)，無卡滯。

隨后對試運(yùn)轉(zhuǎn)合格的1 套組合式機(jī)械密封機(jī)構(gòu)上渦輪泵系統(tǒng)假海試驗(yàn)臺，進(jìn)行假海聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，試驗(yàn)共計運(yùn)轉(zhuǎn)152 次，試驗(yàn)完成后對組合式機(jī)械密封機(jī)構(gòu)進(jìn)行拆檢和清洗，并對動環(huán)進(jìn)行了著色探傷，探傷結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013.5-2015 的Ⅰ級要求（不允許存在線性缺陷）。3 天后，對該動環(huán)進(jìn)行了再次著色探傷，探傷結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013.5-2015 的Ⅰ級要求（不允許存在線性缺陷），該新工藝動環(huán)假海試驗(yàn)后著色探傷如圖10 所示。

圖10 新動環(huán)假海試驗(yàn)后著色探傷Fig.10 PT of new rotating seal ring after simulated ocean test

綜上所述，新工藝制造的動環(huán)通過靜態(tài)拉力試驗(yàn)、機(jī)械密封試驗(yàn)臺旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)和假海聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，說明對動環(huán)采取的優(yōu)化制造工藝有效，新工藝動環(huán)滿足產(chǎn)品的使用要求。

3 結(jié) 語

某型魚雷發(fā)射裝置動環(huán)斷裂的原因是動環(huán)卡槽根部的應(yīng)力集中。在反復(fù)交變應(yīng)力的作用下，使線切割產(chǎn)生的表面微裂紋發(fā)生擴(kuò)展，最終發(fā)生斷裂。本文對動環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工工藝進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了新工藝動環(huán)滿足產(chǎn)品的使用要求，有效解決了動環(huán)斷裂的故障問題。