某型直升機(jī)液壓油箱密封圈試驗(yàn)選型及分析

劉瑞杰，徐 峰，程 雄

(中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

液壓油箱是液壓系統(tǒng)的主要附件，用來儲存保證液壓系統(tǒng)正常工作所需的油液，并有散發(fā)系統(tǒng)工作產(chǎn)生的熱量，分離混在油液中的空氣和沉淀油液中污物等作用[1,2]。液壓油箱按油箱內(nèi)油液與空氣接觸與否可分為非隔離式和隔離式兩大類。隔離式油箱由于油氣隔離，杜絕了外界空氣、水和污染微粒直接進(jìn)入系統(tǒng)的可能性，有利于油液的清潔，并有較高的工作品質(zhì)，目前在國內(nèi)外高性能的飛機(jī)上應(yīng)用非常廣泛[3]。增壓油箱通過對液壓油箱中油液進(jìn)行增壓，可以提高液壓泵的入口壓力，改善液壓泵起動工作條件，能顯著提高液壓泵的高空性能，目前在飛機(jī)上應(yīng)用也很普遍。對于增壓油箱來說，密封性是其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，尤其是大直徑活塞與外筒之間，密封要求很苛刻，在設(shè)計(jì)時不僅要求有良好的靜態(tài)和動態(tài)密封，而且要求低摩擦力保證活塞具有良好的隨動性[4-6]。

某型直升機(jī)使用隔離式自增壓液壓油箱，活塞與筒體之間的密封采用聚四氟乙烯材料的U型密封圈。該油箱在使用和維護(hù)過程中多次出現(xiàn)油液滲漏的現(xiàn)象，給用戶造成諸多不便。針對此問題，本文在理論分析的基礎(chǔ)上，精選了4種形式的油箱密封結(jié)構(gòu)，通過試驗(yàn)及分析，選出了最優(yōu)密封構(gòu)型，解決了液壓油箱油液滲漏的問題。

1 增壓油箱的工作原理及密封特點(diǎn)

某型機(jī)增壓油箱的組成及工作原理如圖1所示，它利用系統(tǒng)返回的高壓油液進(jìn)行增壓，油箱內(nèi)安裝有一個增壓彈簧，用于提供初始增壓壓力。油箱分為兩個腔，一腔為儲存油液的儲油腔I，一腔為高壓油腔H。油箱的增壓壓力來源于系統(tǒng)中的液壓泵，經(jīng)過減壓閥減壓到需要的壓力，該壓力作用在液壓油箱高壓油腔上，使儲油腔內(nèi)形成一定的增壓壓力。若兩腔的油壓和作用面積分別為PH、SH，PI、SI，在不計(jì)摩擦力的情況下，由于SHPH=SIPI，從而PI=PHSH/SI，PI即為液壓油箱的增壓壓力。

圖1 液壓油箱增壓原理示意圖

該液壓油箱活塞與外筒內(nèi)表面之間的密封為大直徑密封，設(shè)計(jì)難點(diǎn)除了低摩擦力、良好的靜態(tài)和動態(tài)密封外，液壓油箱溫度適用范圍也特別寬(-55℃～+70℃)，這使得此液壓油箱活塞密封圈選型難度較大。最初選用的聚四氟乙烯材料的U型密封圈由于試驗(yàn)不夠充分，在使用和維護(hù)過程中多次出現(xiàn)了油液滲漏的現(xiàn)象。針對此問題，本文精選了4種形式的液壓油箱活塞密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)，通過試驗(yàn)及分析，選出最優(yōu)密封構(gòu)型，希望能夠徹底解決液壓油箱油液滲漏的問題。

2 液壓油箱密封設(shè)計(jì)方案及試驗(yàn)項(xiàng)目

2.1 油箱活塞密封設(shè)計(jì)方案

方案1：山形組合密封圈密封

如圖2所示，配套專用防塵圈，密封圈采用山形組合密封圈，該組合密封圈由2個擋圈和1個截面為等腰梯形的聚四氟乙烯密封圈組成。其優(yōu)點(diǎn)有：①對間隙的抗擠出能力極強(qiáng)；②具有良好的動、靜態(tài)密封性和低壓密封性；③摩擦阻力?。虎芄收下实?，使用壽命長。

圖2 山形組合密封圈密封設(shè)計(jì)方案

方案2：雙層組合密封圈雙密封

如圖3所示，雙密封結(jié)構(gòu)無防塵，密封采用的是雙層組合密封圈，該組合密封圈由內(nèi)、外兩層組成，外層為PTFE異形密封圈，內(nèi)圈為O型圈。優(yōu)點(diǎn)有：①適用于雙向承壓的活塞；②具有良好的抗擠出能力；③有良好的動、靜態(tài)密封性能和高低溫適應(yīng)性；④有良好的耐磨性，使用壽命長；⑤具有良好的性價比。

方案3：齒形密封圈密封

如圖4所示，采用毛氈圈防塵，密封圈采用齒形密封圈。該密封圈具有如下優(yōu)點(diǎn)：①具有良好的密封性和耐高低溫性能；②對間隙的抗擠出能力較強(qiáng)；③工作壽命長；④安裝容易，可大大減少因裝配不當(dāng)引起的密封圈失效的故障，但需安裝活塞端蓋。

圖3 雙層組合密封圈雙密封設(shè)計(jì)方案

圖4 齒形密封圈密封設(shè)計(jì)方案

方案4：雙層組合密封圈單密封

如圖5所示，采用毛氈圈防塵，密封采用的是雙層組合密封圈，該組合密封圈的優(yōu)點(diǎn)同方案2。

圖5 雙層組合密封圈單密封設(shè)計(jì)方案

2.2 試驗(yàn)項(xiàng)目及說明

液壓油箱需做的試驗(yàn)項(xiàng)目有6項(xiàng)，所有試驗(yàn)件必須完成所有試驗(yàn)項(xiàng)目的考核。若有任一項(xiàng)試驗(yàn)不合格，可在采取糾正措施后，重新進(jìn)行全部試驗(yàn)。試驗(yàn)全部合格，則該密封設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案通過。

1)摩擦力測定

測量液壓油箱活塞處最大靜摩擦力，摩擦力應(yīng)小于規(guī)定數(shù)值。

2)功能檢查試驗(yàn)

向液壓油箱儲油腔和高壓油腔交替供壓，使活塞在全行程內(nèi)循環(huán)50次，活塞應(yīng)運(yùn)動靈活，無緊澀現(xiàn)象，各密封處密封良好，無油液滲漏現(xiàn)象。

3)低溫工作試驗(yàn)

將液壓油箱放在高低溫試驗(yàn)箱內(nèi)，待溫度穩(wěn)定在最低使用溫度-40℃后，保持2小時，油箱應(yīng)無滲漏無變形，且能正常工作。

4)低溫儲存試驗(yàn)

將液壓油箱放在高低溫試驗(yàn)箱內(nèi)，待溫度穩(wěn)定在最低儲存溫度-55℃后，保持2小時，油箱應(yīng)無滲漏無變形，恢復(fù)工作溫度后能正常工作。

5)高溫工作試驗(yàn)

將液壓油箱放在高低溫試驗(yàn)箱內(nèi)，在規(guī)定溫度值33℃～71℃范圍內(nèi)模擬一天的熱氣候條件進(jìn)行3個日循環(huán)，每個循環(huán)24小時，油箱應(yīng)無滲漏無變形，且能正常工作。

6)高溫儲存試驗(yàn)

將液壓油箱放在高低溫試驗(yàn)箱內(nèi)，待溫度穩(wěn)定在最高儲存溫度70℃后，保持2小時，油箱應(yīng)無滲漏無變形，恢復(fù)工作溫度后能正常工作。

3 試驗(yàn)結(jié)果及選型分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

液壓油箱按方案1至方案4共做了4套試驗(yàn)件，4種活塞密封設(shè)計(jì)方案分別對應(yīng)1#-4#試驗(yàn)件，所有試驗(yàn)件均完成了第2.2節(jié)中所規(guī)定的試驗(yàn)項(xiàng)目。各個油箱試驗(yàn)件試驗(yàn)情況及詳細(xì)說明如下：

1)1#試驗(yàn)件在做低溫工作試驗(yàn)時有油液滲漏現(xiàn)象，如圖6所示。

圖6 低溫工作試驗(yàn)時1#試驗(yàn)件滲出的油液

2)1#、3#試驗(yàn)件在高溫工作試驗(yàn)時出現(xiàn)油液滲漏現(xiàn)象，如圖7和圖8所示，且1#試驗(yàn)件在做高溫儲存試驗(yàn)時有油液微滲現(xiàn)象。

3)2#、4#試驗(yàn)件按規(guī)定完成了所有試驗(yàn)項(xiàng)目，并重點(diǎn)考核了其低溫和高溫試驗(yàn)性能，如圖9所示為2#、4#試驗(yàn)件低溫工作試驗(yàn)時的狀況，未發(fā)現(xiàn)油液滲漏現(xiàn)象。經(jīng)過試驗(yàn)，2#、4#試驗(yàn)件均通過了試驗(yàn)考核。

圖7 高溫工作試驗(yàn)時1#試驗(yàn)件滲出的油液

圖8 高溫工作試驗(yàn)時3#試驗(yàn)件滲出的油液

圖9 2#、4#試驗(yàn)件低溫工作試驗(yàn)狀況

3.2 試驗(yàn)分析及選型

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，1#試驗(yàn)件(方案1)和3#試驗(yàn)件(方案3)均出現(xiàn)了滲漏，經(jīng)與廠家聯(lián)系，未給出后續(xù)解決方案，故該密封設(shè)計(jì)方案暫不采納。2#、4#試驗(yàn)件(方案2和方案4)采用雙層組合密封圈的密封結(jié)構(gòu)在低溫試驗(yàn)時曾出現(xiàn)過油液滲漏現(xiàn)象，在聯(lián)系廠家更換改進(jìn)的密封圈后，2#、4#試驗(yàn)件均通過了所有試驗(yàn)項(xiàng)目考核，為合格。

2#試驗(yàn)件活塞與外筒之間的密封結(jié)構(gòu)形式采用雙密封設(shè)計(jì)方案，如圖3所示，通過了試驗(yàn)考核，密封狀況良好。但是，采用雙密封結(jié)構(gòu)的液壓油箱在不斷往復(fù)運(yùn)動過程中，兩道密封結(jié)構(gòu)之間可能因?yàn)橛鸵悍e存產(chǎn)生瞬時高壓[7,8]，易損傷液壓油箱外筒內(nèi)表面鍍層，對油箱造成損壞，影響油箱的使用壽命，故作為備選方案。4#試驗(yàn)件活塞與外筒之間的密封結(jié)構(gòu)形式采用單密封設(shè)計(jì)，并使用毛氈圈防塵，如圖5所示，在此次試驗(yàn)過程中，未出現(xiàn)油液滲漏現(xiàn)象，滿足液壓油箱的密封使用要求。

鑒于以上原因，同時考慮到雙層組合密封圈在成本、質(zhì)保以及售后服務(wù)等方面的優(yōu)勢，通過綜合分析比較，液壓油箱活塞密封結(jié)構(gòu)形式最終選擇雙層組合密封圈單密封加氈圈防塵密封設(shè)計(jì)方案(方案4)。

4 結(jié)束語

液壓油箱設(shè)計(jì)的好壞直接影響到液壓系統(tǒng)的安全性和可靠性，而密封性又是液壓油箱設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。隨著科技的不斷發(fā)展和進(jìn)步，各型密封圈在液壓系統(tǒng)及其附件中的應(yīng)用越來越多，正確地選擇使用密封圈顯得更加重要。本文在涉及到大直徑活塞與筒體之間的密封問題上，選擇了4種密封設(shè)計(jì)方案。在理論上每種密封設(shè)計(jì)方案均是可行的，但在具體使用時卻受到諸多因素的影響而密封效果千差萬別。因此，在選用密封圈時應(yīng)注重理論和試驗(yàn)的結(jié)合，同時還要不斷跟蹤密封圈在飛機(jī)上的使用情況，不斷改進(jìn)，直到徹底解決問題。