直升機傳動系統(tǒng)圓周密封技術(shù)研究

王瑩

(中國航發(fā)哈爾濱東安發(fā)動機有限公司，哈爾濱 150066)

0 引言

直升機傳動系統(tǒng)的功能是將發(fā)動機功率傳遞到旋翼系統(tǒng)和不同附件之間。這依靠多級的齒輪系統(tǒng)，在這些傳動系統(tǒng)中，密封件的功能是防止?jié)櫥鸵绯龊头乐顾蛩樾歼M(jìn)入機匣而影響齒輪和軸承的工作。直升機傳動系統(tǒng)密封件主要分為端面密封、圓周密封及唇形油封。本文主要介紹圓周密封的結(jié)構(gòu)、工作原理、工作條件及性能[1-3]。

1 圓周密封結(jié)構(gòu)

圓周密封應(yīng)用在已投產(chǎn)的主減速器的高速輸入端。它是一種三環(huán)設(shè)計結(jié)構(gòu)（石墨封嚴(yán)環(huán)），由彈簧朝向軸的表面產(chǎn)生徑向載荷，在軸與石墨封嚴(yán)環(huán)之間進(jìn)行相對轉(zhuǎn)動。圓周密封采用飛濺潤滑的形式，在軸和石墨密封環(huán)之間建立潤滑油膜[4]。

石墨封嚴(yán)環(huán)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由分塊的石墨環(huán)組成，其中寬石墨環(huán)由3塊組成，3塊之間的間隙很大，3個長隔銷插在此間隙中，用以防止石墨塊轉(zhuǎn)動。寬石墨環(huán)的內(nèi)部裝有3塊扇形內(nèi)窄石墨環(huán)和3塊外窄石墨環(huán)，3塊內(nèi)窄石墨環(huán)之間的間隙插入3個防止轉(zhuǎn)動的短隔銷，3塊外窄石墨環(huán)之間的間隙也由長隔銷隔開，以防止石墨環(huán)轉(zhuǎn)動。石墨環(huán)徑向收緊力由石墨封嚴(yán)環(huán)彈簧提供，軸向靠波形彈簧壓緊。

2 圓周密封工作原理

圖1 石墨封嚴(yán)碗結(jié)構(gòu)

圓周密封工作時石墨環(huán)不轉(zhuǎn)動，但可以跟隨軸的徑向跳動，當(dāng)滑油從高壓腔向低壓腔流動時，首先受到寬石墨環(huán)內(nèi)徑及端面的阻擋，其次從寬石墨環(huán)之間的間隙流過的滑油以及從寬石墨環(huán)內(nèi)徑與軸外徑之間滲出的滑油一方面受到內(nèi)窄石墨環(huán)外徑的阻擋，另一方面又受內(nèi)、外窄石墨環(huán)端面的阻擋，從而達(dá)到密封的目的。石墨密封的封嚴(yán)效果較高，很少滲漏，尤其是高溫、高壓、高速條件下仍能保證可靠密封。但在密封軸徑由靜止而轉(zhuǎn)為旋轉(zhuǎn)的較短時間內(nèi)，含在石墨密封中的滑油可能會滲出，這是動密封普遍存在的問題。

在石墨封嚴(yán)碗裝配到軸上后，由于石墨塊與軸的曲率不可能完全一致，在工作初期可能會產(chǎn)生輕微漏油,隨著時間的加長，石墨塊與軸的曲率逐漸接近，輕微漏油現(xiàn)象可得到改善[5-6]。

3 圓周密封的工作條件

圓周密封的應(yīng)用需要規(guī)定所有工作參數(shù)。這些參數(shù)包括速度、壓力、內(nèi)部環(huán)境、外部環(huán)境、壽命要求和泄漏限制[7]。

通常，直升機傳動系統(tǒng)密封的工作條件很相似，最大的差異僅在軸的轉(zhuǎn)速上體現(xiàn)。

圓周密封工作的內(nèi)部環(huán)境相似。溫度在330～394 K之間變化，測量壓力幾乎為零的滑油飛濺被密封在外部環(huán)境內(nèi)。直升機傳動系統(tǒng)中使用的滑油通常是合成的發(fā)動機油或礦物油?；屯ㄟ^齒輪和支撐軸承的飛濺進(jìn)入密封區(qū)域，并由通向內(nèi)部鑄造管路或外部管路的機匣孔排到油池。

圓周密封工作的外部環(huán)境取決于飛行任務(wù)和工作區(qū)域。目前的工作極限環(huán)境包括：高溫天氣及粉塵、低溫（嚴(yán)寒）和鹽霧。

圓周密封工作的泄漏限制取決于密封位置和泄漏對飛機性能的影響。圓周密封的壽命要求基于傳動零件預(yù)定的翻修間隔期。

4 圓周密封的性能

由圓周密封的工作條件來決定圓周密封的性能，圓周密封主要性能包括速度性能，壓力性能，溫度性能，偏差、軸跳動和軸的圓度的影響，裝配及分解的影響，泄漏限制及壽命因素[8-9]。

4.1 速度性能

圓周密封應(yīng)在預(yù)計的最大壓力和偏心狀態(tài)下具有滑行速度性能，應(yīng)大于或等于預(yù)期的最大工作速度[10]。

通常，帶有碳-石墨元件的圓周密封比橡膠唇形密封有更高的速度性能，因為它的材料本身具有較好的高溫特性。使用碳-石墨可以在干起動階段和不充分潤滑情況下工作，然而這對唇形密封卻是有害的。

4.2 壓力性能

即使很低的壓力依然是直升機傳動系統(tǒng)密封設(shè)計的重要參數(shù)。減速器有通風(fēng)器通到大氣，說明密封區(qū)域經(jīng)受低壓。密封區(qū)域的壓力一般在0～3.44 N/cm2(0～5 psi)之間。只有在排油不暢造成滑油浸沒時，才會記錄到較高的壓力[11]。

在直升機傳動系統(tǒng)中使用的圓周密封，其壓力性能（從泄漏觀點來看）低于唇形密封或端面密封。當(dāng)滑油端的壓力略高于空氣端的壓力時，圓周密封一般會發(fā)生泄漏。但是，可以通過使用回旋裝置或甩油環(huán)使滑油遠(yuǎn)離圓周密封來抑制泄漏。圓周密封現(xiàn)已成功應(yīng)用在高達(dá)1.38 N/cm2(2 psi)的壓力下。

4.3 溫度性能

溫度范圍可以從冷起動時的219 K(-65°F)到最大工作溫度時的394 K(250°F)。但是如果存在剪應(yīng)力或檢測到了滑油沸點，那么主密封溫度會高于環(huán)境溫度。如果潤滑油膜不連續(xù)且固體表面發(fā)生摩擦接觸，那么可以想像會有更高的溫度。

圓周密封應(yīng)具有在規(guī)定的整個溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作的能力（對整個傳動系統(tǒng)壽命）。溫度范圍可以從冷起動時的219 K到最大工作溫度時的394 K。但是如果存在剪應(yīng)力或檢測到了滑油沸點，那么主密封溫度會高于環(huán)境溫度。如果潤滑油膜不連續(xù)且固體表面發(fā)生摩擦接觸，那么可能會達(dá)到更高的溫度。

圓周密封和端面密封的碳-石墨摩擦元件比唇形密封的橡膠有更高的溫度上限。同時，碳-石墨不存在與橡膠有關(guān)的兼容性問題；因此，力學(xué)性能不會隨時間而改變。碳-石墨的氧化限制了其使用溫度，對某些級別來說使用溫度在533 K(500°F)左右；特殊的高溫級別的碳-石墨可以在810 K(1000°F)的溫度下工作。

4.4 偏差、軸跳動、圓度的影響

4.4.1 偏差

偏差可以分為下列特殊類型：1）機匣孔的中心線與軸的旋轉(zhuǎn)軸線之間的平行度偏差；2）機匣與軸的中心線之間的角度偏差。

通常，機匣孔和軸的中心線之間的平行度和角度偏差起因于加工誤差和工作載荷引起的彈性位移（在很多情況下角度偏差主要源于齒輪接觸壓力）。在工作載荷下產(chǎn)生的總偏差（平行度和角度）通常無法得知，但是無載荷情況下的平行度偏差可以通過檢驗裝配零件來確定，這稱為靜態(tài)偏心。

4.4.2 軸跳動

可以通過在機匣上安裝指示器來檢測軸表面的跳動，由以下部分組成[12]：1）軸表面相對于旋轉(zhuǎn)軸線的偏心；2）軸的抖動（旋轉(zhuǎn)軸線的軌跡）。與平行度和角度偏差一樣，工作載荷下的實際總跳動通常無法得知。但是無載荷情況下的軸表面相對于旋轉(zhuǎn)軸線的偏差可以得到，該偏差稱為徑向跳動。

除了軸和機匣組件的偏差和跳動之外，密封組件自身也存在主密封面由于熱和機械的位移引起的偏差。由于潤滑油膜很薄，這些小規(guī)模的偏差可能對主密封的潤滑產(chǎn)生影響。

4.4.3 軸的圓度

對于在軸上安裝的密封，另一個非常重要的因素是軸的圓度（圓柱度）。不圓度的定義是軸與正圓的偏離。記錄在極坐標(biāo)圖上的，圓度作為兩個同心圓間的徑向距離進(jìn)行測量，描述了包含整個輪廓的一個圓形。不圓度是由加工或裝配引起的。機加產(chǎn)生的不圓度源于刀具和加工件的共振頻率引起的顫振，或者源于夾緊的加工件。顫振產(chǎn)生的不圓度通常會導(dǎo)致一些不規(guī)則的凸起。裝配引起的不圓度一般是由于在滾道上裝有過盈配合的鍵槽或花鍵產(chǎn)生的結(jié)果。

4.4.4 圓周密封的影響

圓周密封可以調(diào)節(jié)靜態(tài)偏心，因為扇形碳環(huán)沒有徑向約束。可接受的靜態(tài)偏心量是由防轉(zhuǎn)銷、碳-石墨扇環(huán)和環(huán)狀螺旋彈簧之間的徑向間隙決定的。但是，跳動會促進(jìn)扇形碳環(huán)的液力推動，這增大了泄漏（密封的滑油浸沒會加劇液力推動）。目前沒有獲得關(guān)于圓周密封的跳動或偏差的大小限制的數(shù)據(jù)[13-14]。

4.5 軸向定位和軸向跳動

可以通過裝配零件公差的累積來確定可能的軸向工作位置。也應(yīng)該考慮軸向熱膨脹的影響。

對于軸上安裝的密封（唇形和圓周密封），對軸向竄動的唯一限制是應(yīng)確保軸的幾何尺寸和表面狀態(tài)能夠適合密封在軸向竄動范圍內(nèi)工作。

4.6 振動因素

直升機傳動系統(tǒng)是組合了大量不同振動頻率的復(fù)雜系統(tǒng)。這些頻率包括軸的轉(zhuǎn)動頻率和齒輪嚙合頻率。軸的轉(zhuǎn)動頻率很低，在3～350 cps范圍內(nèi)。由這些頻率引起的振動通常是因為軸的偏心轉(zhuǎn)動或不平衡。在該頻率范圍內(nèi)發(fā)生的最大振動可以達(dá)到10 g，并且?guī)в休^大的位移[15]。

達(dá)到5400 cps的齒輪嚙合頻率可以激起高達(dá)45 g的振動，并伴隨著很小的位移。這些振動可以聽見，并且可以激起機匣和其它組件的振動，例如密封件在密封方向的軸向和徑向均出現(xiàn)了振動。

由于黏滑運動的影響，密封接觸面的臨界潤滑可能會激起圓周振動。這在傳動系統(tǒng)密封中不常出現(xiàn)，因為潤滑通常是足夠的。

圓周密封的結(jié)構(gòu)是這樣的，大量的阻尼由碳石墨元件與殼體凸緣間的軸向載荷（摩擦阻尼）獲得。超過限制的扭轉(zhuǎn)振動（或黏滑運動條件）可能引起防轉(zhuǎn)銷磨損進(jìn)入密封扇環(huán)。在扇環(huán)上應(yīng)用矩形銷塊或金屬護(hù)罩可以有效地消除這種“銷釘磨損”。

4.7 環(huán)境限制

盡管直升機在相當(dāng)臟并且易腐蝕的環(huán)境下工作，但傳動系統(tǒng)和傳動軸通常覆蓋有片狀金屬罩來提供一些保護(hù)。但是，由于傳動機匣表面冷卻的需要，一些密封暴露在臟且易腐蝕的環(huán)境中。環(huán)境污染和溫度極限可能會嚴(yán)重影響密封性能。

當(dāng)在保護(hù)罩下工作時，圓周密封關(guān)于污染和低溫的環(huán)境影響均可以忽略。當(dāng)固體污染物以灰塵、污垢和鹽結(jié)晶(鹽水蒸發(fā)產(chǎn)生)的形式進(jìn)入密封接觸面時會產(chǎn)生劇烈的磨損。使用不銹鋼、鍍鉻鋼的接合環(huán)和軸滾道可以預(yù)防重要密封元件的腐蝕。在臟污環(huán)境中，相對軟質(zhì)的滾道和接合環(huán)會因擦傷而造成磨損；因此，應(yīng)使用鍍鉻表面或硬化表面(＞55 Rc)。通常，表面越硬，在磨蝕條件下的壽命越長。

4.8 潤滑因素

主要有3種不同的主密封潤滑方式 (能量損失)：1)完整的油膜潤滑，具有黏性流體旋轉(zhuǎn)速度防泄漏的特性；2)干滑動接觸，用于非黏性液體的密封，如燃?xì)鉁u輪軸的密封；3)混合或邊界潤滑，這經(jīng)常出現(xiàn)在高速應(yīng)用中。邊界潤滑結(jié)合了第一種和第二種潤滑方式，不易于分析或使用數(shù)學(xué)模型。通常情況下的完整油膜潤滑可分為兩種特殊類型：其一是填充油膜潤滑，該種潤滑的邊界表面是剛性的，且滑油黏度不是關(guān)于油膜壓力的函數(shù)；其二是流體彈性動力潤滑，該種潤滑的高接觸壓力會增加接觸面間的黏度和變形。應(yīng)用在直升機傳動系統(tǒng)中的圓周密封都可能出現(xiàn)這兩種潤滑形式。

4.9 裝配與分解的影響

4.9.1 裝配的影響

合理的裝配技術(shù)能夠?qū)鲃酉到y(tǒng)密封的性能有所幫助。而裝配引起的損傷能導(dǎo)致密封的過早失效。其中最關(guān)鍵的裝配操作是在滾道上安裝圓周密封。由于不合理的滾道設(shè)計或不完善的裝配技術(shù)，石墨環(huán)非常容易損壞。

圖2 貼緊參考軸肩安裝密封

圖3 通過機匣的參考表面安裝密封

正確的安裝方法是用如圖2所示的工具將圓周密封壓入機匣直至靠緊定位軸肩。如果沒有軸肩，可以采用圖3所示的方法。在某些情況下，加熱殼體引起的熱膨脹能夠減少配合緊度和將密封件壓入機匣所需的軸向力。在安裝密封件和軸時，軸必須有一個足夠大的倒角，用來防止密封件損壞并且便于安裝。倒角與軸外徑轉(zhuǎn)接處的尖角或毛刺造成的密封件損壞是一個常見的問題。

4.9.2 分解的影響

分解密封件通常會產(chǎn)生破壞，這排除了密封件重復(fù)使用的可能。殼帶有拆卸環(huán)槽的圓周密封（圖4），可以減少分解引起的損壞。但如果分解密封件用力過大，這種拆卸環(huán)槽的方法可能會引起機匣邊緣變形。

圖4 帶有拆卸環(huán)槽的圓周密封

5 結(jié) 語

本文針對直升機傳動系統(tǒng)圓周密封技術(shù)進(jìn)行研究，具體在圓周密封結(jié)構(gòu)、工作原理、工作條件及性能等方面進(jìn)行了詳細(xì)闡述。對后續(xù)直升機傳動系統(tǒng)圓周密封的應(yīng)用具有一定意義。

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