调距桨桨毂结合面密封失效故障实例及研究进展综述

中图分类号：U664.33 文献标志码：A

1 调距桨的结构原理

可调螺距螺旋桨，简称调距桨（英文 COntrOllable pitch prOpeller，简称 CPP）。主要优点有：在主机转速不变的情况下，通过螺距调节，实现船舶航速的改变或正车、倒车，实现船舶的微速航行，可以使船舶在任何条件下都能充分利用主机的全部功率，增加螺旋桨的推力，提高船舶的航行速度。

调距装置由桨叶、桨毂机构、轴系、配油器、液压系统等组成。高压油进入桨毂内伺服油缸，驱动活塞杆做直线运动，活塞杆上的滑块和曲柄销盘上的圆柱销间隙配合，带动曲柄销盘做周向转动，曲柄销盘又与桨叶叶根利用螺栓刚性联接在一起，因此，最终将活塞的直线运动转化为桨叶的转动，从而实现螺旋桨螺距的调节。如图 1 所示，通过液压系统驱动曲柄销盘和桨叶饶 Z 轴相对桨毂转动，从而调节桨叶的方位角，以此来改变推进器的推力和转矩。[1]

桨毂与桨叶根部和曲柄销盘的结合部位称为桨毂结合面，包括径向部分和轴向部分，而径向部分又包括内侧径向部分和外侧径向部分，如图 2 所示。该部位的装配特征在于桨毂结合面为间隙配合，桨毂内部充满液压油，外部充满海水，为了防止内部液压油的渗出和外部海水的进入，在桨毂 U 型槽内放置有一个 O 型密封圈（图 2），该密封圈有一定的预变形用来阻止泄漏的发生。由于调距时桨毂结合面之间发生相对滑动，因此该密封部位属于动密封。[1]

2 故障现状

2.1 实船案例一

某挖泥船由 708 研究所设计，采用 ZF 公司设计的 KH1350 调距桨[2]。此船在使用过程中多次出现调距桨桨毂漏油故障，最少的一次运行间隔仅 7 个月。

通过对该船工况和类似船舶的调查研究后认为，造成重力密封失效，使用维修周期短的主要原因是：

（1）船舶航行区域水中泥沙的含量很高，水密封圈磨损后，部分泥沙进入油封圈，加剧了密封圈与桨叶根部的磨损。与此同时，挖泥作业过程中频繁的正车与倒车调距，加大了磨损。

（2）KH1350 调距桨密封圈的直径只有 8.4mm ，油槽的深度是 7.6mm，密封圈预压缩量为 8.4-7.6=0.8mm 。由于 O 型圈在使用中造成磨损或者出现塑性变形，导致补偿的压力不够，因此出现重力油泄露的故障。

根据上述原因分析，该船采取的解决方案为：

（1）对桨叶根部进行了精磨加工，恢复表面的精度。

（2）恢复桨毂结合面内圆面的尺寸，确保水封的效果。水封圈是用来防止泥沙与海水进入油封区的，可延长油封使用的周期，以便能与坞修周期相匹配。此次采用的恢复工艺为：在内圆面相应位置加工沟槽→涂抹修补剂贝尔佐纳 1111→硬化处理→车床加工。

（3）修改油槽尺寸，使用直径更大的密封圈。结合桨毂自身的尺寸，最后设计油槽的尺寸为：宽 18mm ，深 14.2mm ，密封圈的尺寸为 Φ710×16mm ，预压缩量是 1.8mm 。

改造后，该船在运行周期内，桨毂油封未再出现泄漏现象，重力液压油也未出见污染，达到了预期效果。

2.2 实船案例二

某型船采用双桨推进，其推进机构为调距桨。数年来，该调距桨漏油严重，最多时每昼夜曾漏油约 175kg 结合该船调距桨漏油故障实际，先是对桨榖、配油器、应急机构等可能漏油的部位结构进行了分析，后围绕密封的材料、密封面分析了漏油的原因。发现了例如桨毂叶根部位的Y 型密封圈有明显的磨损痕迹以及桨毂叶根处O 型密封圈明显被压缩变形等因素[3] [4]。得到的结论是：

（1）调距桨漏油的位置在桨毂桨叶根部转轴的部位，应急机构的内部套接位置，漏油是重力油外漏；配油器内部漏出的油会被抽回使用，只可能影响到调距桨的使用，不可能出现外漏液压油。

（2）调距桨漏油的原因，一是应急机构的内套接部位密封件存在安装不到位；二是密封材料的机械强度、压缩永久变形和耐磨性等性能不满足要求；三是动密封面的表面情况不够好，没有经过润滑、防腐蚀和耐磨等方面的强化处理。

针对故障实际，该船对配油器、应急机构等部位密封面进行了处理，选择氟橡胶与氟硅橡胶并，在耐油、耐磨、耐老化、耐海水浸蚀等性能方面都有很大提高。对运动轴系行了表面强化处理，提高了硬度、耐磨性、润滑性及耐腐蚀性。修复后使用一年多时间，该船调距桨密封效果良好， 未再出现任何漏油现象，故障得以解决。

2.3 实船案例三

“新乌克兰”轮某次厂修时，在坞内对桨毂进行 0.4MPa 泵压试验，发现所有桨叶桨毂密封面处均有液压油渗出[5]。

该船桨叶和桨毂间的密封圈是一截面直径为 8mm 的 O 型橡胶圈。拆下桨叶后发现，在桨毂与 O 型圈相配位置有 0.5mm 左右深度的环状磨损带，磨损带上有许多腐蚀斑点，斑点直径为 1～3mm 、深为 0.1～0.4mm_⨀ 。O 型圈拆下后发现其弹性良好，并没有发生老化现象。由此可见，漏油的现象是桨毂上磨损带与腐蚀的斑点造成的。按这种现象，如只是更换原尺寸的新 O 型圈，并不能保证密封的质量。

根据上述分析，该船制定修理方案。方案一：对桨毂的磨损带进行焊补，再机加工到原先的尺寸；方案二：直接对桨毂的密封表面进行光车，将磨损和腐蚀的斑点正好车去，设计使用截面直径更大的 O 型圈；方案三：在桨叶的法兰底面适当的位置开槽，再增加一处端面的密封，使用 O 型橡胶圈密封，原先的密封处更换新备件，起到防止泥砂、阻挡海水渗入效果。

综合三种修理方案，从成本、工期、工艺和质量等方面分析，最后选择了第三种修理方案。桨叶安装完毕后，对桨毂进行了 6MPa 坞内液压密性试验及出厂航行试验，均无渗油现象。此轮出厂后，航行 3 年未再出现桨叶漏油的现象，故障得以解决。

2.4 实船案例四

某海洋工程船在航行过程中出现桨毂结合面渗油的现象[6]。进坞维修发现其桨毂轴的承厚度比原来尺寸减少 0.2mm ，此时密封的压缩量为 1.7%～7.2% ，判断该船出现桨毂渗漏液压油的原因在于桨叶的密封圈压缩量变小，密封性能下降甚至失效。考虑采取的维修方案有：

（1）对桨毂轴承的内外接触面和内圆面的磨损进行处理。该处使用承磨环的桨毂可以直接更换新的承磨环，对于整体式的桨毂可对磨损的面进行堆焊，然后进行光车恢复到原来尺寸。桨毂在进行堆焊时，为确保桨毂整体的尺寸不因烧焊而产生的不均匀热分布出现变形，在进行堆焊作业时需要多次而少量堆焊，堆焊完毕后需待冷却后再进行光车处理。

（2）更换大号的桨叶转盘。此种方法可直接快速解决因桨毂轴承内表面的磨损而造成的桨叶密封失效。在船舶坞修之前，可根据上次坞修时测量的桨毂与桨叶转盘的数据，事先定制好大一点的桨叶转盘。船舶在进坞维修时，可将调距桨与艉轴整体的抽出船体，转运到车间，将调距桨进行整体的拆解，对桨毂与桨叶转盘进行测量并将数据记录。

（3）通过加大 O 型圈的线径，在确保密封圈的压缩量时，加大桨叶根部与桨毂轴承间隙的极限值。

2.5 实船案例五

某航天科考船主推进装置均采用瓦锡兰公司生产的 5C14 型调距桨，2020 年底经赤道返回国内途中于长江口附近出现两套调距桨液压系统同时进海水造成液压油乳化故障。船舶随即进江南厂坞内抢修，发现两边均出现个别桨叶根部持续渗油现象，桨毂密封圈严重失效。经油样化验及现场服务工程师分析，故障原因为船舶从赤道航行到国内，外部水温骤降 10-15℃左右，密封圈遇冷收缩，橡胶变硬，间隙增大，同时长江航道泥沙较多，进入密封间隙加剧磨损。在上述因素的共同作用下，导致了桨毂与桨叶密封失效，外部水分进入液压油系统导致液压油乳化。

图 4 调距桨桨毂密封面渗油故障实物图

图5 拆旧O 型圈与新O 型圈密封面对比

该船制定检修方案如下：

（一）对桨毂密封槽进行加工改造，将原有 O 型密封圈更换为 Y 型密封圈。

（二）进行液压系统优化改造，在 OD-BOX 配油器及重力油箱处加装水份在线监测装置，实时监测液压油含水情况，做到早发现、早控制、早处置。

（三）在航行过程中密切关注螺距偏差是否稳定在 ±1.5% 内，如存在经常性超出现象，组织讨论在满足航行工况实际要求的前提下，调整螺距反馈设定值，从而保证螺距稳定。

该船每年远洋航行 200 余天，目前经过修理后液压系统运行稳定，正处于观察期，还需进一步验证效果。

3 试验研究进展

3.1 实验研究一

陈立等人对调距桨桨毂密封性能进行了分析与优化。[7]首先基于 O 型密封微观接触和泄漏通道模型，推导了静、动密封下的泄漏率公式，然后利用 ABAQUS 软件对可调距桨桨毂密封进行了三维有限元仿真，分析了不同参数对静、动密封性能的影响规律，如泄漏率、润滑膜厚和压力分布等，并给出了相应工艺设计指导，最后对参数影响程度进行了改进复合灰色关联度分析。结果表明，粗糙度、压缩率、橡胶硬度和介质压力对桨毂静密封性能均有影响，泄漏率随粗糙度的增加瞬间增大，随压缩率的增加而减小，随硬度的增加而增大，随介质压力的增加先增大后减小；粗糙度、压缩率、橡胶硬度、介质压力、调距速度和动摩擦系数对桨毂动密封性能均有影响，调距速度对泄漏率的影响最大，粗糙度和介质压力次之，橡胶硬度和压缩率影响较小，摩擦系数影响最小；橡胶硬度和介质压力对油膜平均厚度影响最大，粗糙度和压缩率次之，调距速度和摩擦系数影响最小。还针对桨毂 O 型密封的缺点，提出一种 O 型圈加 L 型密封环的组合密封结构，该组合密封性能更优、润滑条件更好。分析优化了其结构参数，通过与 O 型密封对比证明其具有一定的应用价值。最后对 WSP330-CP 型可调距桨桨毂动密封泄漏间隙进行预测，并搭建了整机实验来验证预测结果的正确性，为调距桨桨毂密封性能的研究提供数据支持。

图6 O 型圈和L 型圈组合密封示意图

3.2 实验研究二

张坡等人进行了面向调距桨桨毂结合面的扭动微动磨损研究[8]。先是提出并研制了一种面面接触扭动微动与滑动磨损实验平台，利用 LabVIEW 软件程序搭建测控系统，模拟了桨毂结合面在不同工况下的扭动微动和滑动磨损实验平台，对比研究了桨毂结合面微动与滑动磨损，探明了磨痕表面加工硬化、磨损量和第三体固体润滑行为机理，证实了微动磨损是造成桨毂结合面磨损失效的主要原因。

图 7 微动和滑动接触副重叠区域的差异

随后，进行载荷和角位移幅度对桨毂结合面微动磨损性能影响分析，得到调距桨装配和运行参数对桨毂结合面微动磨损性能的影响规律，阐明了第三体对微动失效的影响机理、局部接触磨损与接触疲劳之间的竞争机制。探明了表面纹理方向和粗糙度对桨毂结合面摩擦扭矩和磨损量的影响机理，实现了桨毂结合面表面纹理方向和粗糙度优化。探究了采用 PVD TiCN 涂层提升桨毂结合面耐微动磨损性能，在桨毂结合面制备 PVD TiCN 耐磨涂层并开展了系列不同润滑条件下扭动微动磨损实验及数据分析，基于磨痕形貌以及摩擦化学行为分析等，阐明涂层对表面磨损性能的改善机理，为采用 PVD TiCN 涂层改善桨毂结合面微动磨损提供了理论依据。

3.3 实验研究三

龙晨曦等人围绕桨毂运动副密封结构性能，利用 ANSYS Workbench 对不同预紧力、温度、离心力以及调距时接触状态和摩擦应力的变化规律进行有限元仿真分析[9]。然后进行橡胶圈的拉伸实验，推导出二参数的 Mooney-Rivlin 模型应力应变方程，并对实验结果进行曲线拟合，结合摩擦磨损和装配公差产生的间隙分析了不同压缩率和不同油压下的 O 型圈密封状态，预测了密封圈的磨损失效形式。最后对不同的服役状态参数进行了灵敏度分析，强调了温控装置的重要性，并对装配预紧力进行响应面优化设计，得到了最佳预紧力组合，有效减小了预紧力引起的装配间隙。

通过上述分析，揭示了不同工况参数条件下密封接触状态的变化规律，对螺旋桨整机寿命计算和结构优化提供了重要的数据支持。

3.4 实验研究四

杨文凯、杨辰等人分别带领各自团队围绕调距桨桨叶叶根螺栓受力情况展开研究。杨文凯团队按照弹性理论和弹塑性理论，利用 MSC Marc 分析了叶根螺栓在预紧工况以及螺旋桨处于工作状态的应力分布情况，其中预紧力的加载采用截面法和渗透接触法 2 种方法分别计算，2 种方法均能达到理想的预紧效果。结果表明，螺旋桨处于工作状态下叶根螺栓头部与杆身圆角过渡区域产生较小的塑性变形，对叶根螺栓强度的影响较小。但计算模型为简化模型，没有考虑调距桨与桨毂机构之间的接触关系，存在一定误差[10]。杨辰团队基于 ANSYS 12.0软件平台，对某型船调距桨桨毂机构静强度进行有限元仿真分析。考虑桨毂部件几何结构及零件间装配接触关系，且受推力、扭力、扭矩、离心力和螺栓预紧力联合作用因素，对桨毂机构整体及零件进行全六面体和六面体与四面体混合有限元建模，研究了桨毂中各零件在正常工况相互作用下的应力大小及分布。通过比较螺栓杆部平均应力说明螺纹几何特征在实际工况下对校核螺栓强度的影响，最终验证了调距桨桨毂机构在真实复杂环境下的强度性能[11]。

4 结论及展望

本文总结归纳了历年来国内船舶出现的具有相当代表性的调距桨桨毂结合面密封圈密封失效引起液压油外渗甚至外部环境水渗入液压系统造成液压油乳化的故障实例，着重对故障机理、维修方案、经验总结等进行了收集梳理，并对国内目前现有的围绕调距桨桨毂结合面密封失效的试验研究分析进展进行了介绍。针对桨毂密封失效，主要还是围绕密封圈材质、密封圈结构、桨毂结构材质、机加工工艺及精度、主推进装置操作使用策略等方面进行故障解决。后续，还是要加大科技投入，充分利用模拟仿真分析方法，以以往实船故障案例及分析研究为参考，在设计阶段提高桨毂结合面密封性能，提高调距桨液压系统运行可靠性，为船舶远洋航行提供坚强的安全保障。

参考文献

[1]赵旭，张俊武.某船调距桨维修解决措施[J].中国修船， 2015（3）： 41-43.

[2]李永生，KH1350 可调螺距螺旋桨桨毂油封的改造[J].中国水运，2016（5）： 122-123.

[3]龚高平，马青华.某型船调距桨漏油原因分析[J].中国修船，2004（1）： 28-30.

[4]龚高平，马青华.某型船调距桨漏油解决措施[J].中国修船，2004（2）： 19-21.

[5]张兴奎，“新乌克兰”轮桨叶密封的修理[J].中国修船，1998（5）： 5-6.

[6]于胜，李岩.可调螺距螺旋桨桨毂泄漏分析及维修方法[J].机电设备，2017（6）： 19-21，26.

[7]陈立，可调距螺旋桨桨毂密封性能分析与优化［D］.武汉，华中科技大学，2019.

[8]张坡，面向调距桨桨毂结合面的扭动微动磨损研究［D］.武汉，华中科技大学，2019.

[9]龙晨曦，全回转推进器桨毂运动副密封结构性能有限元分析［D］.武汉，华中科技大学，2018.

[10]杨文凯，郑百林，易小冬，谢清.可调螺距螺旋桨叶根螺栓应力分析[J]. 计算机辅助工程，2010（5）：56-60.

[11]杨辰，王晓军，胡举喜，王磊，李云龙.调距桨桨毂机构静强度的有限元仿真分析[J].船舶工程，2012（5）：31-34.