某型飛機(jī)靜密封裝置漏油故障分析

李雪銘 徐寧 張敏 付成勇

摘要：某型飛機(jī)作動(dòng)筒的靜密封結(jié)構(gòu)在外場(chǎng)使用中出現(xiàn)油液滲漏現(xiàn)象，通過對(duì)密封結(jié)構(gòu)的分析、驗(yàn)證，找到了故障根源，并提出改進(jìn)措施，在實(shí)際應(yīng)用中具有借鑒和指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：密封圈;氟塑料;靜密封;壓縮率;拉伸率

1故障現(xiàn)象

某型飛機(jī)1000飛行小時(shí)后作動(dòng)筒外筒與蓋子結(jié)合處漏油，此處為靜密封配合，其密封效果直接影響飛機(jī)的著陸安全。

檢查外筒密封端面及蓋子，與密封圈配合處光滑，無碰劃傷、毛刺等缺陷;密封圈彈性尚存，無啃劃傷等缺陷;密封膠圈內(nèi)外密封面有輕微磨擦痕跡，如圖1箭頭指示處;氟塑料保護(hù)圈變形發(fā)生傾斜，如圖2箭頭指示處。

2密封膠圈損傷原因分析及措施

2.1密封膠圈損傷原因

密封失效且密封圈完好情況下，需要檢查密封圈與溝槽尺寸是否合適、密封軸與筒的間隙、密封組件是否安裝到位、密封圈硬度和拉伸率是否適當(dāng)。

1）密封軸與筒的間隙。在液壓作用下，密封圈的一部分被擠入溝槽間隙內(nèi)。如果壓力過高，超過密封圈材料機(jī)械強(qiáng)度極限，則密封圈將被剪切撕裂，擠出溝槽造成破壞。按照HB/Z 4-95《O型密封圈及密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求》，工作壓力為15～21MPa，膠圈邵氏硬度為70時(shí)，密封圈徑向工作時(shí)配合面可能出現(xiàn)的最大間隙為0.05mm（一般情況下是半徑間隙）、設(shè)計(jì)尺寸為0.092mm（直徑間隙）。

2）溝槽寬度。密封槽的寬度非常重要。密封槽太寬，限制不了氟塑料保護(hù)圈的傾斜，失去保護(hù)作用，且會(huì)增大密封的空行程。密封槽側(cè)面傾斜度若超過5°，也會(huì)產(chǎn)生同樣結(jié)果。密封槽太窄，會(huì)產(chǎn)生很大的摩擦力，也可能使密封圈材料擠入間隙，并給裝配帶來困難。合理的選擇是B=K₁·d，K₁為槽寬系數(shù)。橡膠牌號(hào)為試5171，固定密封結(jié)構(gòu)K₁=1.15～1.25，d=3mm，則B=3.45～3.75mm。由于采取了氟塑料保護(hù)圈密封結(jié)構(gòu)，還需考慮氟塑料保護(hù)圈的厚度δ=1mm，所以設(shè)計(jì)槽寬B應(yīng)為4.45～4.75mm，設(shè)計(jì)尺寸為5±0.15mm。

3）壓縮率。密封結(jié)構(gòu)的密封效果是由密封圈與被密封表面間的接觸壓力（壓縮）達(dá)到的。壓縮率太小，起不到密封效果;壓縮率過大，密封圈最大接觸力隨之增大，加速表面摩擦損傷，在壓縮應(yīng)力的作用下容易產(chǎn)生橡膠永久變形，導(dǎo)致密封失效。

端蓋槽底尺寸為φ60.4H9，外筒配合直徑尺寸為φ56h8，密封圈的尺寸為φ55.4_-0.8×3±0.2。

Y=（1-h/b）×100%

Y=（1-h/k.d）×100%

密封圈壓縮率Y=[1-2.2/0.99·3]×100%=26%;Y_max=[1-2.2/0.99·3]×100%=26%;最小壓縮率為Y_min=（2.8×0.99-2.214）/2.8×100%=20%;航標(biāo)要求固定密封處壓縮率Y=18%～22%，Y_min=11%。

4）拉伸率。將密封圈裝入密封溝槽后，一般都有一定的拉伸率。與壓縮率一樣，拉伸率對(duì)密封圈的密封性能和使用壽命也有很大影響，拉伸率大不但會(huì)造成密封圈安裝困難，同時(shí)也會(huì)因截面直徑d發(fā)生變化而使壓縮率降低，導(dǎo)致滲漏。

拉伸率α=100%×（D₁+d）/（D+d）=100%×（56+3）1（55.4+3）=1.01%。航標(biāo)要求密封圈內(nèi)徑D大于50mm時(shí)，拉伸率α=1.02%～1.04%。

5）高壓影響。靜密封的密封機(jī)理是由于橡塑材料不可壓縮性導(dǎo)致的自緊密封特性，如圖3所示。圖中流體壓為P₀，模型上方曲線Pc為密封圈與密封溝槽之間的接觸壓力，Pmax_max為最大接觸壓力。當(dāng)P_max>P₀時(shí)，則認(rèn)為靜密封裝置可以成功完成密封任務(wù)。在流體對(duì)密封件施加壓為之前，O型圈安裝在密封溝槽中，存在預(yù)位移使其變形而產(chǎn)生接觸應(yīng)力;當(dāng)施加流體壓為在密封件上時(shí)，由于橡塑材料的不可壓縮性，流體向右擠壓O型圈，其左右寬度減小同時(shí)上下高度增大，使密封件與上下槽壁之間接觸壓力增大。因此，P_max隨P₀的增大而增大，從而完成自緊密封。

帶有氟塑料保護(hù)圈的密封結(jié)構(gòu)在油壓作用下密封圈最大Mises應(yīng)力和最大接觸應(yīng)力的變化情況如圖4所示，在油壓增大過程中橡膠密封圈的接觸應(yīng)力保持線性增長(zhǎng)，增長(zhǎng)率明顯大于Mises應(yīng)力;密封圈的最大接觸應(yīng)力始終大于其所受的油壓壓力，保證了密封結(jié)構(gòu)的密封性能。

在較高的壓力下，氟塑料保護(hù)圈承擔(dān)了密封結(jié)構(gòu)的大部分載荷，而橡膠密封圈內(nèi)部的最大Mises應(yīng)力值始終處于較低水平，氟塑料保護(hù)圈的存在緩解了密封圈內(nèi)部最大應(yīng)力的增長(zhǎng)，使其在較大油壓壓力下保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)，如圖5所示。

最大接觸應(yīng)力與Mises應(yīng)力的增長(zhǎng)有著相似的變化趨勢(shì)，如圖6所示。橡膠密封圈的接觸應(yīng)力隨著油壓壓力的增大呈線性增大趨勢(shì)，并且密封圈在溝槽中的最大接觸應(yīng)力均位于與作動(dòng)筒軸套的接觸面上，保證了密封效果。在持續(xù)高壓作用下，氟塑料保護(hù)圈接觸應(yīng)力與Mises應(yīng)力持續(xù)增加，當(dāng)槽寬尺寸較大時(shí)氟塑料保護(hù)圈容易變形，即在高壓下促使氟塑料保護(hù)圈發(fā)生變形。

氟塑料保護(hù)圈變形后其保護(hù)作用大幅降低，甚至失效，造成密封膠圈承受的最大Mises應(yīng)力與最大接觸力均明顯增加，加速密封圈的磨損。如圖7、圖8所示。

總結(jié)：膠圈槽過寬且長(zhǎng)時(shí)間的高壓狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致氟塑料保護(hù)圈變形，膠圈接觸應(yīng)力與Mises應(yīng)力拉伸增大，超過規(guī)定使用范圍，會(huì)加速膠圈磨損;膠圈拉伸率較小，壓縮率較大，會(huì)加速膠圈磨損。

2.2改進(jìn)措施

1）膠圈內(nèi)徑按下限制造，即55.40.8=54.6mm。此時(shí)，拉伸率α=100%×（D1+d）/（D+d）=100%×（56+3）/（54.6+3）=1.02%，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2）更改膠料。根據(jù)原膠圈的壓縮率，為了達(dá)到密封效果則需要改變膠圈槽及軸徑尺寸，涉及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更改，不便于實(shí)際操作，擬通過改變密封膠圈材料的方法來提高密封膠圈的硬度和抗磨性能。通過查閱資料GJB 250A-1996《耐液壓油和燃油丁腈橡膠膠料規(guī)范》，5880材料的邵氏硬度、壓縮永久變形均優(yōu)于試5171材料，同時(shí)5880適用于靜密封配合處，其槽寬系數(shù)K₁由1.15～1.25增至1.45～1.55，要求的槽寬B由4.45～4.75mm增至5.35～5.65mm，如表1所示，有效減小了氟塑料保護(hù)圈的變形距離。

3）裝配方法。由于該處壓縮率仍然較大，勢(shì)必造成裝配困難，將傳統(tǒng)的外筒一次性擰入端蓋的方式改為擰一擰松一松的方式，即擰一圈后反退1/4圈左右，使靜密封圈的拉伸得到一定程度的恢復(fù)，防止由于膠圈變形量不均勻?qū)е侣┯汀?/p>

2.3改進(jìn)效果

按改進(jìn)后的方法重新裝配，進(jìn)行21MPa高溫60℃環(huán)境下24小時(shí)停放，以及3次21MPa下72h小時(shí)停放試驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)滲漏跡象。分解后發(fā)現(xiàn)膠圈、氟塑料保護(hù)圈完好無磨損痕跡，證明改進(jìn)方案是切實(shí)可行且有效的。

3結(jié)論

導(dǎo)致密封失效的原因有很多，壓縮率、拉伸率、膠圈槽寬、氟塑料保護(hù)圈的使用、配合間隙等對(duì)于密封圈的密封性、壽命至關(guān)重要。本文按照密封圈的自身設(shè)計(jì)因素對(duì)失效密封膠圈進(jìn)行分析，并從原材料、制造公差等方面進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，解決了該飛機(jī)靜密封裝置滲油問題。

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