“Ω”形膠圈密封機(jī)理研究

沈陽飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司 王志強(qiáng) 周金磊 惠飛淵

密封技術(shù)應(yīng)用于許多的機(jī)械設(shè)備中，密封的功能是防止泄漏。常見的氣動密封形式有O形圈氣動密封和唇形密封，這兩種密封形式在技術(shù)上已相當(dāng)成熟，對其密封機(jī)理也分析得非常透徹?！唉浮毙文z圈是我們接觸的全新密封結(jié)構(gòu)，想要了解這種結(jié)構(gòu)的密封特點(diǎn)，應(yīng)對這種新型密封形式進(jìn)行技術(shù)分析，特別是在使用中發(fā)生過密封失效，有必要對其密封機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)的研究。

1 結(jié)構(gòu)介紹

某型飛機(jī)座艙蓋操縱作動筒氣壓腔內(nèi)部安裝有兩種“Ω”形的異形膠圈，用于活塞密封(缸封)的膠圈(簡稱118)，安裝2件，用于活塞桿密封(軸封)的膠圈(簡稱119)，安裝1件。118膠圈結(jié)構(gòu)見圖1，119膠圈結(jié)構(gòu)形式與圖1相似，只是密封工作面相反、向內(nèi)，并且標(biāo)注的是膠圈內(nèi)徑尺寸φ34 + 0.5mm。- 0.05

“Ω”形膠圈的安裝位置見圖2。以118膠圈為例，說明其安裝形式：在活塞及擋圈上制出溝槽，溝槽孔徑φ60mm，軸徑φ57mm，深1mm，用于“Ω”形膠圈底邊的安裝；在膠圈內(nèi)安裝有脹圈，用于支撐夾緊膠圈側(cè)壁；在活塞、擋圈、脹圈的相鄰部位都制有相互連通的通氣孔，直達(dá)118膠圈內(nèi)形腔，使作動筒工作時能保持進(jìn)氣端一側(cè)的“Ω”形膠圈內(nèi)形腔充進(jìn)等壓的氣體。

圖1 118膠圈結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Rubber apron strcuture

圖2 “Ω”形膠圈安裝位置Fig.2 Rubber“Ω”-apron installation position

2 密封失效現(xiàn)象

2.1 膠料不同的影響

使用“Ω”形膠圈的初期，生產(chǎn)膠圈的材料是進(jìn)口的二元乙丙橡膠，裝配前將膠圈在某種儀表油中浸泡24h，再進(jìn)行作動筒的裝配，滿足氣密性要求。在材料國產(chǎn)化、將二元乙丙橡膠換成了三元乙丙橡膠后，采用相同的裝配工藝，在氣密試驗(yàn)及裝機(jī)使用過程中，都發(fā)生了密封失效，即有漏氣現(xiàn)象發(fā)生。

經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，雖然“Ω”形膠圈結(jié)構(gòu)、尺寸不變，但經(jīng)過某種儀表油中浸泡24h后，膠圈狀態(tài)發(fā)生變化，用進(jìn)口的二元乙丙橡膠生產(chǎn)的“Ω”形膠圈溶脹明顯，膠圈尺寸有所放大，并且膠圈硬度較低；而用三元乙丙橡膠生產(chǎn)的“Ω”形膠圈溶脹不明顯，膠圈尺寸未有效放大，膠圈硬度較高。這可能是造成膠圈工作面與密封件表面接觸狀態(tài)不同，從而有漏氣現(xiàn)象發(fā)生[1]。

2.2 浸泡介質(zhì)的影響

在使用某種儀表油浸泡不能滿足作動筒裝配試驗(yàn)及使用要求的情況下，生產(chǎn)中將浸泡介質(zhì)由某種儀表油改為某種潤滑脂，浸泡時間調(diào)整為18h。新的浸泡介質(zhì)能使“Ω”形膠圈發(fā)生很大的膨脹現(xiàn)象，膠圈尺寸放大較多，膠圈硬度較低，短期內(nèi)滿足裝配試驗(yàn)要求。由于新的浸泡介質(zhì)對膠圈溶脹過度，并有持續(xù)溶脹作用，對橡膠的性能也產(chǎn)生了不利的影響，已裝機(jī)的膠圈發(fā)生漏氣現(xiàn)象，拆開后檢查“Ω”形膠圈已有損壞就說明了這個問題。更換浸泡介質(zhì)后，又發(fā)生密封失效，浸泡介質(zhì)選擇不當(dāng)，也對結(jié)構(gòu)密封產(chǎn)生影響。

3 “Ω”形膠圈密封機(jī)理

3.1 結(jié)構(gòu)工作過程分析

按圖2所示，作動筒工作時，118膠圈工作表面要緊貼氣缸內(nèi)表面，按傳統(tǒng)密封機(jī)理分析，還需要給膠圈一定的壓縮量，使膠圈在接觸面產(chǎn)生接觸壓力p0[2]。對118膠圈而言，只是“U”形外形產(chǎn)生變形，按其結(jié)構(gòu)尺寸(見圖1)，這一變形力相對于O形圈要小得多。當(dāng)有工作壓力p1作用在氣缸一側(cè)時，如作動筒左側(cè)進(jìn)氣時，壓縮空氣推動活塞右移，同時充入左側(cè)“Ω”形膠圈內(nèi)側(cè)，見圖3所示；當(dāng)作動筒右側(cè)進(jìn)氣時，壓縮空氣推動活塞左移，同時充入右側(cè)“Ω”形膠圈內(nèi)側(cè)。從作動筒的工作過程可以看出，“Ω”形膠圈內(nèi)、外側(cè)壓力相等，不存在壓力差，這種結(jié)構(gòu)的密封特點(diǎn)是作動筒工作時膠圈壓縮(變形)量很小，并且不再增加，膠圈也不產(chǎn)生 “自封作用”，可以減少作動筒往復(fù)運(yùn)動的摩擦力，減少功率損耗，同時提高系統(tǒng)使用壽命。通過密封機(jī)理分析，可以看出此種結(jié)構(gòu)在密封面為微壓縮密封。

3.2 膠圈尺寸要求

作動筒安裝時，如膠圈保持圖樣尺寸未經(jīng)過浸泡，以118為例(見圖1)，膠圈最小尺寸φ65mm，小于作動筒內(nèi)徑最大尺寸φ65.074mm(φ65H9), 膠圈工作表面不能緊貼氣缸內(nèi)表面，必定造成作動筒漏氣。

使用某種儀表油浸泡，膠圈狀態(tài)未有效改變，膠圈也不能貼緊氣缸內(nèi)表面，所以也使作動筒有漏氣現(xiàn)象。當(dāng)浸泡介質(zhì)使膠圈尺寸溶脹過大時，安裝及使用過程中，在固定的安裝槽內(nèi)，膠圈受到過大的擠壓收縮而失穩(wěn)脫槽，造成密封失效。

為保證微壓縮密封的可靠性，“Ω”形膠圈工作面要緊貼氣缸內(nèi)表面，貼緊壓力不能過大，為此膠圈安裝時，要求膠圈底邊緊貼安裝槽上沿(見圖3)，使膠圈凸出量得到準(zhǔn)確控制。這就要求膠圈安裝時有一定的壓縮量，使膠圈產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，驅(qū)使膠圈底邊緊貼安裝槽上沿；這個內(nèi)應(yīng)力又不能太大，如內(nèi)應(yīng)力過大將使膠圈底邊從安裝槽內(nèi)脫出。由此可見，膠圈壓縮率決定膠圈內(nèi)應(yīng)力。

膠圈內(nèi)應(yīng)力與壓縮率有如下關(guān)系式：膠圈壓縮量

圖3 “Ω”形膠圈工作壓力分布圖Fig.3 Distribution map of rubber“Ω” apron working pressure

式中，d1為膠圈安裝前直徑，d0為膠圈安裝后直徑。膠圈安裝后壓縮率

膠圈內(nèi)應(yīng)力

式中，E為膠圈彈性模量。

3.3 膠圈硬度要求

使用XHA微型國際橡膠硬度計(jì)測量發(fā)現(xiàn)，用進(jìn)口的二元乙丙橡膠生產(chǎn)的“Ω”形膠圈，在某種儀表油中浸泡24h后，膠圈硬度≤69IRHD，膠圈尺寸變大；而用三元乙丙橡膠生產(chǎn)的“Ω”形膠圈用相同工藝浸泡后，膠圈硬度79IRHD，與未浸泡膠圈相同，尺寸也未有效放大。膠圈硬度低對提高密封性有利，因硬度低使柔順性提高，變形容易，順應(yīng)密封面形狀，達(dá)到密封目的[3]。

4 工藝改進(jìn)研究

4.1 浸泡介質(zhì)選擇

經(jīng)過調(diào)研了解到，某種中間油、某種乙基硅油在相同的結(jié)構(gòu)中使用過。決定將118膠圈和119膠圈在某種中間油中浸泡18h(如不能實(shí)現(xiàn)密封，可追加浸泡20 h、22 h、24 h)，在座艙蓋操縱作動筒上安裝，并按圖樣要求對座艙蓋操縱作動筒的密封效果進(jìn)行檢查；將118膠圈和119膠圈在某種乙基硅油中浸泡5d、7d、10d，在座艙蓋操縱作動筒上安裝，并檢查密封效果。試驗(yàn)結(jié)果見表1。

在試驗(yàn)結(jié)果中，以是否達(dá)到圖樣要求的氣密性檢查為合格判據(jù)，以是否達(dá)到高、低和常溫下的氣密檢查要求為試驗(yàn)有效性的判斷依據(jù)，則有效試驗(yàn)為：(1)在某種中間油中浸泡18h和20h； (2)在某種乙基硅油浸泡7d。

經(jīng)對比膠圈浸泡后的尺寸變化得出，膠圈在某種中間油浸泡18h和20h后，均發(fā)生膨脹現(xiàn)象，119膠圈在35.68～35.79mm之間，118膠圈在68.67～69.02mm之間，分布差一致性較好，可以作為更換浸泡介質(zhì)的目標(biāo)，需要繼續(xù)試驗(yàn)掌握工藝參數(shù)。膠圈在某種乙基硅油中浸泡5d、7d、10d后，膨脹較小，雖然浸泡7d的膠圈通過了氣密試驗(yàn)，但與浸泡5d、10d的數(shù)據(jù)無明顯規(guī)律性可循。因此，不再進(jìn)行該種浸泡介質(zhì)試驗(yàn)工作。

表1 浸泡介質(zhì)選擇試驗(yàn)結(jié)果

4.2 工藝參數(shù)確定

對某種中間油浸泡膠圈試驗(yàn)，加大樣本投入量，以確定浸泡工藝參數(shù)。具體要求為：

(1)準(zhǔn)備118膠圈24個，119膠圈12個；

(2)測量膠圈浸泡前的尺寸；

(3)膠圈在某種中間油中的浸泡，在溫度20℃條件下，浸泡18h；

(4)測量膠圈浸泡后尺寸并按從小到大編號；

(5)取兩件作動筒，分別安裝 119(3)、118(3)和118(4)尺寸組合以及 119(10)、118(21)和 118(22)尺寸組合膠圈，進(jìn)行氣密試驗(yàn)，合格后轉(zhuǎn)入壽命試驗(yàn)。

(6)膠圈狀態(tài)觀察要求：對其余膠圈每10天測量尺寸一次并記錄，共測6次；

(7)試驗(yàn)測試要求： 6次測量后，分別挑選尺寸最大118膠圈、119膠圈各兩件，進(jìn)行拉斷伸長率測試。

圖4 118膠圈浸泡后外徑尺寸變化狀態(tài)Fig.4 Outside diameter size of 118 rubber apron after soaking

試驗(yàn)結(jié)果：進(jìn)行壽命考核的兩個作動筒已通過全部壽命試驗(yàn)；膠圈浸泡后60天尺寸變化狀態(tài)見圖4，膠圈尺寸可以達(dá)到穩(wěn)定值，不再繼續(xù)溶脹；浸泡后膠圈拉斷伸長率平均183.5%，大于材料規(guī)范要求的160%。通過以上試驗(yàn)確定的工藝參數(shù)為：浸泡介質(zhì)，某種中間油；浸泡溫度，20℃；浸泡時間，18h；浸泡后118膠圈外徑為 67.3～67.8mm，安裝后壓縮率ε為 3%～5%，119膠圈內(nèi)徑為35.4～35.9mm，安裝后壓縮率ε為4%～5.5%。

5 結(jié)論

通過分析膠料和浸泡介質(zhì)的不同對“Ω”形膠圈密封效果的影響，在對膠圈工作過程、膠圈尺寸、膠圈硬度的研究基礎(chǔ)上，對“Ω”形膠圈密封機(jī)理進(jìn)行了分析、驗(yàn)證。通過試驗(yàn)、分析得出了此類膠料的“Ω”形膠圈最適合的浸泡介質(zhì)，確立了工藝參數(shù)，為“Ω”形膠圈密封結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

[1] 杜福海,狄繁,張守輝.異形膠圈密封失效分析.飛機(jī)設(shè)計(jì)，2012(4)：56-58.

[2] 呂百齡.實(shí)用橡膠手冊.北京：化學(xué)工業(yè)出版社, 2010.

[3] 付平,常德功.密封設(shè)計(jì)手冊.北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2009.