某型機液壓阻尼器漏油故障分析及優(yōu)化改進(jìn)

張 昊，覃海鷹

(中國直升機設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

某型機液壓阻尼器漏油故障分析及優(yōu)化改進(jìn)

張 昊，覃海鷹

(中國直升機設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

通過深入研究某型機外場使用過程中的液壓阻尼器漏油問題，經(jīng)理論分析找出其失效機理，提出優(yōu)化改進(jìn)措施，并對優(yōu)化改進(jìn)后的液壓阻尼器進(jìn)行耐久性試驗，試驗結(jié)果良好。優(yōu)化措施能成功解決液壓阻尼器漏油、油液污染等相關(guān)問題，可為后續(xù)其他液壓阻尼器或者其他液壓密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供良好的借鑒。

液壓阻尼器；漏油；優(yōu)化改進(jìn)；耐久試驗

0 引言

液壓阻尼器是現(xiàn)代直升機旋翼系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件，其主要功用是為旋翼槳葉的擺振運動提供附加阻尼、匹配剛度，從而防止因槳葉的擺振后退型模態(tài)與起落架耦合而引發(fā)的“地面共振”以及與機體耦合而引發(fā)的“空中共振”[1]。目前，液壓阻尼器已應(yīng)用于國內(nèi)多個型號的旋翼系統(tǒng)中。但是，隨著液壓阻尼器工作時間的加長，阻尼器內(nèi)部零件之間的相互磨損加劇，往往會出現(xiàn)密封件、活塞桿、筒體等的損傷，導(dǎo)致阻尼器的密封性不足，出現(xiàn)漏油、油液污染等問題，一旦發(fā)生此類問題，維護(hù)起來就特別麻煩，嚴(yán)重的話可能導(dǎo)致液壓阻尼器喪失為槳葉擺振運動提供阻尼的功能，在飛行中會導(dǎo)致直升機振動加劇，影響結(jié)構(gòu)件的強度及壽命，在起飛和降落過程中可能引起直升機“地面共振”，造成重大安全事故[2]。所以，如何改善液壓阻尼器的密封性、油液泄露問題，保證液壓阻尼器的正常功能，是一個亟待解決的問題。

1 液壓阻尼器系統(tǒng)組成及工作原理

本文所研究的液壓阻尼器裝于某型機金屬鉸接式槳轂，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主要由拉桿組件(1)，膠套組件(2)，端蓋組件(3)，活塞組件(4)，外筒組件(5)，導(dǎo)桿組件(6)組成。

本文所研究的液壓阻尼器一端通過拉桿上的關(guān)節(jié)軸承與主槳轂上星板連接，另一端通過軸頸與水平銷連接，如圖2所示?；钊c拉桿連接在一起，可以在外筒與端蓋形成的封閉腔中作往復(fù)運動，外筒與端蓋形成的封閉腔充滿液壓油，活塞上裝有節(jié)流片和定壓活門。槳葉擺振運動時，軸向鉸與水平銷一起繞垂直鉸做擺振運動，帶動減擺阻尼器的外筒相對于活塞做往復(fù)運動，阻尼器活塞兩端的油腔容積發(fā)生變化，從而產(chǎn)生壓力差，迫使阻尼液通過阻尼器活塞上的節(jié)流片作往復(fù)運動從而產(chǎn)生阻尼力[3]。

2 故障描述及機理分析

2.1故障描述

某型機的液壓阻尼器在外場使用過程中出現(xiàn)了活塞桿處漏油、外筒內(nèi)壁嚴(yán)重磨損、液壓油污染嚴(yán)重等問題。圖3為液壓阻尼器故障發(fā)生部位示意圖，圖4為液壓阻尼器內(nèi)部相關(guān)結(jié)構(gòu)件相關(guān)磨損情況，具體故障現(xiàn)象如下：

1) 液壓阻尼器外筒內(nèi)徑表面、活塞桿外徑相互配合部位嚴(yán)重磨損，外筒內(nèi)徑表面出現(xiàn)一道深度達(dá)0.3mm的溝槽，活塞桿處O型密封圈嚴(yán)重?fù)p傷；

2) 液壓阻尼器端蓋組件的端蓋本體、銅襯套、O型密封圈嚴(yán)重?fù)p傷，出現(xiàn)漏油現(xiàn)象；

3) 液壓阻尼器阻尼腔內(nèi)油液出現(xiàn)嚴(yán)重污染。

2.2機理分析

圖5為液壓阻尼器工作示意圖。

從圖中可以看出，阻尼器活塞為單桿結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)的液壓阻尼器在實際工作中為非對心運動，承受的離心力為：

從而引起的離心彎矩為：

從圖3、圖5中可知，M離心力是由端蓋銅襯套來承受，使得在實際工作中銅襯套與活塞桿本體最開始進(jìn)行磨損，但是由于銅襯套長度lct短，其支撐作用受到影響，使得阻尼活塞密封圈、端蓋密封圈成為承受離心力矩的兩個支點：

所以，由于M1的存在，隨著液壓阻尼器工作時間的增加，端蓋密封圈磨損量越來越大，當(dāng)出現(xiàn)l磨損1≥Δ臨界，端蓋會直接與活塞桿本體對磨，導(dǎo)致活塞桿與筒蓋出現(xiàn)擦傷，然后擦傷的活塞桿反過來進(jìn)一步損傷端蓋上的密封圈，進(jìn)而造成惡性循環(huán)加劇活塞桿與端蓋的密封失效。同樣，由于M3的存在，活塞桿密封圈同外筒、活塞桿本體相互磨損，同時又由于活塞桿密封圈與外筒的配合過盈量較大，增加了活塞密封圈對外筒內(nèi)圓柱表面的摩擦力，這也加劇了阻尼活塞膠圈及外筒內(nèi)圓柱表面的磨損。

此外由于液壓阻尼器裝配時外筒內(nèi)徑、活塞組件、端蓋組件及導(dǎo)桿組件的形位公差未能得到充分保證，從而出現(xiàn)一定的不均勻受力，加劇了端蓋內(nèi)表面與活塞桿、活塞桿膠圈與活塞桿、活塞桿膠圈與外筒內(nèi)徑的磨損，同時由于在鋁合金外筒的生產(chǎn)加工中，其內(nèi)表面沒有進(jìn)行硬質(zhì)陽極化處理，使用中不耐磨，形成溝槽，進(jìn)一步加劇了不均勻受力情況，導(dǎo)致液壓阻尼器端蓋內(nèi)表面與活塞桿、活塞桿膠圈與活塞桿的磨損進(jìn)一步加劇，導(dǎo)致活塞桿與端蓋密封失效，發(fā)生嚴(yán)重漏油故障。

另外，在端蓋密封圈與活塞桿、活塞桿膠圈與活塞桿、活塞桿膠圈與外筒內(nèi)徑相互磨損中，密封圈會產(chǎn)生橡膠顆粒物進(jìn)入液壓油，同時使用中的局部高溫也會導(dǎo)致膠圈老化和橡膠中炭黑析出，從而導(dǎo)致液壓阻尼器的液壓油出現(xiàn)嚴(yán)重油液污染問題。

3 液壓阻尼器優(yōu)化措施改進(jìn)

根據(jù)2.2節(jié)的機理分析，液壓阻尼器發(fā)生漏油的主要是由于端蓋組件中的銅襯套長度太短且不耐磨，端蓋密封圈、活塞桿密封圈不耐磨，外筒內(nèi)徑不耐磨等原因造成，因此，本文根據(jù)以上種種問題提出相應(yīng)的優(yōu)化改進(jìn)措施，圖6為更改前后的液壓阻尼器對照圖。

1) 銅襯套更改為支撐環(huán)

如圖6所示，將端蓋上原先用于防磨的銅襯套改為高硬度、低摩擦系數(shù)材料的支撐環(huán)，支撐環(huán)是摩擦系數(shù)很小的塑料耐磨環(huán)(標(biāo)準(zhǔn)號:W02-X-0420C02)，并加大了支撐環(huán)的長度，同時在支撐環(huán)上開有導(dǎo)流槽，以便在使用中液壓油對摩擦面形成潤滑。

2) 單一密封圈更換為組合密封圈

如圖6所示，將原先端蓋密封圈、活塞桿密封圈更換為采用組合密封結(jié)構(gòu)，組合密封包括橡膠密封圈和耐磨的密封圈外包層(其中活塞桿組合密封圈采用標(biāo)準(zhǔn)件P11-3-0803M04，端蓋組合密封圈采用標(biāo)準(zhǔn)件R16-3-0420M04)。因此，橡膠受壓變形提供密封正壓力，外包層摩擦系數(shù)大大降低并具有優(yōu)異的耐磨性。同時，考慮橡膠件主要的功能是用于提供壓緊力，不直接與摩擦面接觸，起到密封作用，故在活塞桿密封圈左側(cè)安裝一個小型支撐環(huán)(標(biāo)準(zhǔn)號：W01-2-0800C02)，在工作過程中，與摩擦面直接接觸，使得支撐環(huán)起到支撐作用。

3) 外筒內(nèi)徑增加表面處理

考慮到鋁合金的耐磨性不好，針對阻尼器的鋁合金外筒新增加一個表面處理工藝，將內(nèi)表面進(jìn)行硬質(zhì)陽極化處理，同時考慮到硬質(zhì)陽極化處理工藝的困難性，適當(dāng)減小了外筒內(nèi)徑表面的粗糙程度要求。

4 液壓阻尼器耐久性試驗驗證

根據(jù)第3節(jié)的優(yōu)化改進(jìn)措施，加工制造出優(yōu)化措施貫徹后的液壓阻尼器試驗件進(jìn)行耐久性試驗。本文所做的試驗是在上海精穩(wěn)密封技術(shù)有限公司研制的液壓阻尼器專用耐久性試驗臺上進(jìn)行的，如圖7所示。試驗時模擬液壓阻尼器在直升機上的邊界條件，兩端通過叉耳與專用耐久性試驗機相連進(jìn)行試驗，在側(cè)向通過在定滑輪上掛重物來施加側(cè)向載荷。試驗過程中通過溫度監(jiān)控、載荷監(jiān)控和外觀檢查，確定試驗件是否失效。

試驗驗證共完成782小時的耐久性試驗，試驗中試驗件溫度在55℃～61℃，載荷1.6kN～1.7kN左右。整個試驗過程油液幾乎沒有滲漏，只有在測試至530小時后端蓋主密封開始滲油，2～3滴/天，但油盒中油面幾乎沒有下降，能看出油液的本色，油液污染很小，即使試驗結(jié)束階段，也沒有達(dá)到直升機使用中油液非正常滲漏標(biāo)準(zhǔn)。

試驗后對液壓阻尼器試驗件進(jìn)行了分解檢查，內(nèi)部零件密封磨損較小，外筒內(nèi)表面、端蓋、活塞桿等零件的摩擦面只有對磨的痕跡(見圖8a,8b,8c)，沒有出現(xiàn)擦傷，所有密封件及支撐環(huán)幾乎沒有磨損。同時，液壓阻尼器內(nèi)部油液存在一定污染(見圖8d)，看不出油液的本色，但不存在肉眼可見的顆粒物。圖8所示為782小時耐久性試驗結(jié)束后相關(guān)零件及油液情況。

5 結(jié)論

本文在深入研究某型機外場使用過程中的液壓阻尼器漏油問題的基礎(chǔ)上，通過理論分析找出液壓阻尼器失效機理，然后根據(jù)液壓阻尼器橡膠密封件自身的特點，創(chuàng)新地提出組合密封圈加支撐環(huán)來替代傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的密封圈和支撐襯套的優(yōu)化改進(jìn)措施，并對優(yōu)化改進(jìn)后的液壓阻尼器進(jìn)行耐久性試驗，試驗結(jié)果良好，證明優(yōu)化改進(jìn)措施能成功解決液壓阻尼器漏油、油液污染等相關(guān)技術(shù)問題。累計了一定工程經(jīng)驗，可為后續(xù)其他液壓阻尼器或者其他液壓密封結(jié)構(gòu)設(shè)計提供良好的借鑒，具有非常重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。

[1] 鄭俊偉. 旋翼液壓阻尼器阻尼性能研究[C]. 第二十六屆全國直升機年會論文集，2010．

[2] 張呈林,張曉谷，等.直升機部件設(shè)計[M]. 南京：南京航空航天大學(xué)出版社. 2008

[3] 頡連元. 旋翼液壓減擺器研究與應(yīng)用[J]. 直升機技術(shù). 2004(2)：24-27.

AnalysisandOptimizationofOilLeakageofHydraulicDamper

ZHANG Hao, QIN Haiying

(China Helicopter Research and Development Institute,Jingdezhen 333001，China)

Based on the oil leakage of hydraulic damper in the rotor system of helicopter, this paper built a theoretical analysis model to find out the failure mechanism, and proposed some optimization measures that be proved effectively by an endurance test. The optimization measures could successfully solve the problem of oil leakage and oil pollution of the hydraulic damper, which could provide a good reference for other hydraulic damper or other hydraulic seal structure design in the future

hydraulic damper; oil leakage; optimization; endurance test

2016-11-23

張 昊(1992-)，男，安徽安慶人，碩士，助理工程師，主要研究方向：旋翼系統(tǒng)設(shè)計。

1673-1220(2017)04-049-04

V245.1

A